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1.前言
阐述特长高速铁路隧道施工技术，以新建西安至成都铁路客运专线XCZQ-1标小安隧道为工程背景，高速铁路长大隧道超前地质预报、辅助坑道进入正洞交叉口和软弱围岩浅埋段大拱脚台阶法等施工技术，研究总结技术的先进性和科学性，为以后类似工程提供借鉴。
铁路隧道是一个空间有限的构筑物，在通常情况下只有两个单独的作业面施工掘进，与桥梁工程、路基工程比较，铁路隧道作业面受限，尤其当前铁路工程工期短，质量要求高，工作量大，再加上特长隧道一般途径水路情况较多，外界存在诸多的不可控条件，因此高速铁路的能否顺利完成整个工期大部分是由特长铁路隧道这一段的工程情况决定的。所以在实际操作过程中，应结合特长轨道地质及周围环境特点，采取有针对性的施工技术，在保证工程质量及安全的情况下实现预计工期内的作业流程。
这个环节首先应加强施工的管理，各个程序进行明确分工管理，落实实名责任制度。各个施工程序负责人员在确定完自身工作范围后，进施工情况进行合理统计规划，并通过整体的地质监测来确定特长隧道中不同部分应采取的施工技术。本文以新建西安至成都铁路客运专线XCZQ-1标小安隧道作为案例进行施工技术讲解，从而为相关施工工程提供实践案例。
2.工程简介
小安隧道全长13430m，进口里程D5K353+398，出口里程D5K366+828。隧道位于省界～广元区间，双线隧道，线间距4.6m，隧道地表为构造侵蚀低中山峡谷地貌，地面高程550～1626m，自然坡度20°～55°，山势险峻，局部形成悬崖峭壁，冲沟多为V字型，植被发育一般，隧道洞身最大埋深约808m。隧区上覆第四系全新统坡洪积粉质黏土，坡崩积块石土，坡残积粉质黏土；下伏飞仙关组四段泥岩、页岩、灰岩夹泥灰岩，三段灰岩、泥质灰岩夹泥岩，一二段页岩、泥质灰岩、泥灰岩夹灰岩，二叠系上统灰岩夹页岩、炭质灰岩、煤层（线），下统灰岩、白云质灰岩夹炭质灰岩、煤层（线），志留系中上统页岩夹灰岩。属于扬子准地台西北边缘地带，位于近东西向的米仓山台穹西缘，处于北东向与东西向两构造的结合部位， 即龙门山褶皱带和大巴山褶皱带的交接地带，发育褶皱3条，即明月峡背斜、五里村背斜、王家湾向斜，其两翼多发育次级褶皱及小挠曲；断层4条，即魏家坪逆断层、孙家沟逆断层、牛峰包逆断层及板凳垭逆断层。隧道正常涌水量约6.2×104m3/d，雨季最大涌水量约为7.1×104m3/d。
3.超前地质预报技术
3.1超前地质预报的必要性
上述工程介绍的隧道地带处峡谷地貌，断层及褶皱发育较多，因此为提高施工安全性，应对其实施超前地质预报，以便预防各类突发性地质灾害，降低地质事故的发生机率，有效规避风险，保证隧道施工人员及设备安全，实现铁路工程保证质量、安全、工期、环境和投资控制等的目标。
3.2小安隧道超前地质预报的主要方法
超前地质预报具能够适应多种地质特点隧道的施工，前面提到的小安隧道根据实际地质勘测得出结果可知，应采用物探+钻探相结合的方式，物探采用TSP长距离预报，地质雷达短距离预报和红外探水；钻探采用加深炮孔短钻探和超前水平钻孔长钻探验证等方式；也可靠根据实际需求将多种预报方式综合利用，从而提升预报的准确率。下面主要介绍TSP探测系统。
TSP探测系统在实际应用过程中具有一定的优势，例如较为明显的特点就是能够进行远距离探测、实现高分辨成像，而且能够较强的抵制外界干扰，可以有效避免突发状况对施工的影响。其主要预报流程如下：
3.2.1振源布置
该程序首先应进行小安隧道施工地区及周围的地质勘测，主要是对已揭露部分及主体构造特征进行数据分析，得出第一个隧道爆破孔的位置，经计算为距离开采工作面10m的地方，并且爆破孔的相关数据也应一并算出，分别为直径40mm、深度1.5m、到隧道底部距离为1.0m，而且要保证爆破孔角度与纵轴具有一定的倾斜角（向下倾斜10°～20°），每个爆破孔之间的距离为10.5m，总爆破数量为20个。在所有爆破孔的相关数据计算完毕后，要在施工处标记出来，待准备进行爆破时，要提前将每个孔内注入40g的乳化炸药，并将瞬发电雷管准备好，等待爆破指令。
3.2.2接收传感器的布置
主要数据计算得出接收传感器布置要与施工工作面相距50m，另一头要测量的位置是与最后一个爆破孔距离20m处，并在改位置的侧壁两侧分别放置1个传感器，相关数据分别为孔深2.4m、孔径40mm，距隧道底部距离同上述一样，为1.0m，倾斜角度为向洞口方向的15°。相关计算测量工作完成后，实施钻孔操作，并在此环节后将钻孔用锚固剂填满，以便能够牢固插入接收传感器的管套，进而保证准确接收振波的信息情况。
3.2.3现场测试及结果分析
将基本工程数据和测量参数（接收器孔和爆破孔坐标）输入电脑，把接收传感器插入传感器套管，并连接好信号传输电缆，接好其他电线电缆，启动记录仪电脑进行噪声检查和线路检测。根据电脑生成的隧道影像点图（见图1）和平剖面图（见图2）结合现场已揭露的围岩情况及地质力学理论，解译工作面前方可能存在的不良地质体的性质、位置和规模。施工方结合设计文件向作业队技术交底，与设计不符时，可以提出变更设计申请。
图1 地震波反射法探测工作图
图2 地震波反射法工作与分析图
4.交叉口施工
4.1小安隧道横洞概况
为了满足施工总工期的要求，并结合隧道长度、地形、工程地质及水文地质等条件，隧道设置1座双车道斜井，长度1450m；1座单车道横洞，长度2587m；1座双车道横洞，长度1316m；1座洞身平导，长度2192m，安排6个施工区共8个作业面展开施工。
4.2辅助坑道交叉口施工方法
该施工方法不同于一般的隧道施工流程，主要是从辅助坑道进入施工场地，该技术在运用过程中会改变原有的施工断面及支护方案。为了保证支护工程的安全性，要在辅道与正洞的交点处进行顶拱纵向托梁的设置。改托梁主要是采用I 20b型钢进行电焊加固处理，并且在辅道与托梁之间还采取纵向Φ22钢筋进行进一步的固定工作。其施工作业面的演示如下图3。 图3 交叉口施工示意图
辅助坑道在正洞交界处的施工程序如下：
4.2.1正洞及辅道交点及拱深计算
在确定辅道及正洞时间的交角及与东顶的垂直距离时，应先将辅道起点到终点的距离进行计算，在此过程中，应加强各段施工场地的支护工作，而且要保证拱顶的向上倾斜角度在40%左右，在各个隧道路段还应预留支护位置，为后期施工奠定基础。
4.2.2辅道小洞施工
在辅道掘进过程中，应注意施工设备的安排，不能一味盲目进行挖进，特别是在靠近正洞时要改换人工挖进，洞的大小也要根据实际情况适当减小，并且要注意周围变化，及时采取支护措施。
4.2.3正洞及辅道的同步支护
这个阶段支架的架设要跟随正洞的施工步骤，并且实现两段的牢固连接。在此期间，支护的施工队伍要与两侧的施工队伍及时进行沟通，保证能够第一手获得围岩的测量数据，以便及时掌握支护情况。量测在这个环节中起到了重要作用，各个支护点必须严格按照量测及计算结果进行，这就要求有专业的施工人员进行实地施工。
5.软弱围岩浅埋段施工
5.1施工方法比选
小安隧道DK365+500～DK365+600段下穿水田且浅埋，埋深在5m～15m之间，施工前，采用φ75钢管桩进行地表注浆加固。设计采用CRD法施工，但考虑到工期任务紧，CRD施工法运用不成熟，经过方案比选，最终找设计变更为大拱脚台阶法，CRD法与大拱脚台阶法比较如下：
5.1.1CRD法施工特点
该技术不适用与地势情况复杂的特长隧道施工，主要是由于其施工步骤是从上而下进行的支护，每一个环节进行下来都需要进行一次封闭工作，并且每个机构之间成环的时间都较短，从而会影响整个工期的施工进程，并且由于施工面繁多复杂，会对其平衡及安全性造成影响，因此不利于机械化的作业情况。
5.1.2大拱脚台阶法的施工特点及工序
该施工技术主要是将隧道挖进过程分为上、中、下三个台阶及仰拱四个层面，有利于进行工程的同时开挖，但需要技术工作人员熟练掌握支护技术，达到整体支护的效果。以下主要介绍大拱脚预留核心土台阶法的施工技术特点。
第一，实施该作业法可利用特长隧道的空间特点，运通机械设备同时进行多层次施工操作，有效地缩短了施工期限，并且针对不同地段的施工特点，能够降低对隧道围岩波动。
第二，可以将地质情况比较复杂的隧道进行分层处理，并且针对每一层的岩石或者软土特点进行机械设备及开挖措施的灵活调整，有助于实现工程的安全高效进行。
第三，混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合，改变洞内作业及运输环境。
第四，全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。
大拱脚台阶法的施工工序主要参考下图4及图5。
5.2大拱脚台阶法施工的注意事项
根据对小安隧道进行的地质调查可知，其周围分布的泥砂及岩层具有一定的弱膨胀性，在遇雨水天气时可能会发生软化崩解的现象，严重影响了工程了安全性及稳定性。而且会导致断层围岩的变形，从而引起塌方等较为严重的工程事故。根据铁道部《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》要求，施工中应注意以下事项：
5.2.1加固软土围岩的稳定性
在遇到上述不利情况时，应根据地质监测结果隧道的挖进距离，在进行上导开挖时应保证每次的循环距离小于或等于1m，而且应在仰拱挖进前配备好锁脚锚杆，并保证在3m内开展循环挖进施工。
第二，此分层作业的正确操作流程应该是先进行上导的挖进，并且挖进过程中应在适合地点安装临时性的横撑，保证其稳定性，但需要注意的是应在进行下导挖进时将其卸除。
第三，按照新奥法基本原理以及软岩隧道“管超前、短开挖、弱爆破，强支护、快封闭、勤量测”的基本方针，严格执行超前地质预报制度和隧道监控量测。
第四，严格控制施工过程，并按照相关标准仔细进行数据统计及计算，例如在安全步距设置时，应保证仰拱到掌子面的距离小于35m，二衬字到掌子面的距离应小于70m。
6.结束语
特长高速隧道对施工质量及安全的要求不同于一般铁路施工，在复杂地质情况的影响下，如不严格按照施工标准进行，则很容易出现安全事故，从而影响整个工程的质量及效率。
第一，在施工前及工程进行时，将超前地质预报系统应用到隧道挖进工程中，并结合不同的地质情况采取不同的预报方案，严格统计预报结果，从而实现数据的精准性。
第二，特长高速隧道在掘进过程中应用了辅道的设计方案，能够提升安全效果，但增加了施工难度，需要进行支护及正洞与辅道交点计算，并且要实现正洞与辅道的同步支护。
第三，特长高速隧道施工采取了大拱脚台阶法施工，在实现分层作业的同时，做到了有针对性的隧道掘进，并且很据标准精确计算安全步距，减少施工中的安全隐患。
（作者单位：西成铁路客运专线四川有限公司）
作者简介
张沈阳（1985-），男，汉族，山东潍坊人，工程师，2009年7月毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁工程专业，主要从事桥梁、隧道、路基工程技术及现场建设管理工作。
阐述特长高速铁路隧道施工技术，以新建西安至成都铁路客运专线XCZQ-1标小安隧道为工程背景，高速铁路长大隧道超前地质预报、辅助坑道进入正洞交叉口和软弱围岩浅埋段大拱脚台阶法等施工技术，研究总结技术的先进性和科学性，为以后类似工程提供借鉴。
铁路隧道是一个空间有限的构筑物，在通常情况下只有两个单独的作业面施工掘进，与桥梁工程、路基工程比较，铁路隧道作业面受限，尤其当前铁路工程工期短，质量要求高，工作量大，再加上特长隧道一般途径水路情况较多，外界存在诸多的不可控条件，因此高速铁路的能否顺利完成整个工期大部分是由特长铁路隧道这一段的工程情况决定的。所以在实际操作过程中，应结合特长轨道地质及周围环境特点，采取有针对性的施工技术，在保证工程质量及安全的情况下实现预计工期内的作业流程。
这个环节首先应加强施工的管理，各个程序进行明确分工管理，落实实名责任制度。各个施工程序负责人员在确定完自身工作范围后，进施工情况进行合理统计规划，并通过整体的地质监测来确定特长隧道中不同部分应采取的施工技术。本文以新建西安至成都铁路客运专线XCZQ-1标小安隧道作为案例进行施工技术讲解，从而为相关施工工程提供实践案例。
2.工程简介
小安隧道全长13430m，进口里程D5K353+398，出口里程D5K366+828。隧道位于省界～广元区间，双线隧道，线间距4.6m，隧道地表为构造侵蚀低中山峡谷地貌，地面高程550～1626m，自然坡度20°～55°，山势险峻，局部形成悬崖峭壁，冲沟多为V字型，植被发育一般，隧道洞身最大埋深约808m。隧区上覆第四系全新统坡洪积粉质黏土，坡崩积块石土，坡残积粉质黏土；下伏飞仙关组四段泥岩、页岩、灰岩夹泥灰岩，三段灰岩、泥质灰岩夹泥岩，一二段页岩、泥质灰岩、泥灰岩夹灰岩，二叠系上统灰岩夹页岩、炭质灰岩、煤层（线），下统灰岩、白云质灰岩夹炭质灰岩、煤层（线），志留系中上统页岩夹灰岩。属于扬子准地台西北边缘地带，位于近东西向的米仓山台穹西缘，处于北东向与东西向两构造的结合部位， 即龙门山褶皱带和大巴山褶皱带的交接地带，发育褶皱3条，即明月峡背斜、五里村背斜、王家湾向斜，其两翼多发育次级褶皱及小挠曲；断层4条，即魏家坪逆断层、孙家沟逆断层、牛峰包逆断层及板凳垭逆断层。隧道正常涌水量约6.2×104m3/d，雨季最大涌水量约为7.1×104m3/d。
3.超前地质预报技术
3.1超前地质预报的必要性
上述工程介绍的隧道地带处峡谷地貌，断层及褶皱发育较多，因此为提高施工安全性，应对其实施超前地质预报，以便预防各类突发性地质灾害，降低地质事故的发生机率，有效规避风险，保证隧道施工人员及设备安全，实现铁路工程保证质量、安全、工期、环境和投资控制等的目标。
3.2小安隧道超前地质预报的主要方法
超前地质预报具能够适应多种地质特点隧道的施工，前面提到的小安隧道根据实际地质勘测得出结果可知，应采用物探+钻探相结合的方式，物探采用TSP长距离预报，地质雷达短距离预报和红外探水；钻探采用加深炮孔短钻探和超前水平钻孔长钻探验证等方式；也可靠根据实际需求将多种预报方式综合利用，从而提升预报的准确率。下面主要介绍TSP探测系统。
TSP探测系统在实际应用过程中具有一定的优势，例如较为明显的特点就是能够进行远距离探测、实现高分辨成像，而且能够较强的抵制外界干扰，可以有效避免突发状况对施工的影响。其主要预报流程如下：
3.2.1振源布置
该程序首先应进行小安隧道施工地区及周围的地质勘测，主要是对已揭露部分及主体构造特征进行数据分析，得出第一个隧道爆破孔的位置，经计算为距离开采工作面10m的地方，并且爆破孔的相关数据也应一并算出，分别为直径40mm、深度1.5m、到隧道底部距离为1.0m，而且要保证爆破孔角度与纵轴具有一定的倾斜角（向下倾斜10°～20°），每个爆破孔之间的距离为10.5m，总爆破数量为20个。在所有爆破孔的相关数据计算完毕后，要在施工处标记出来，待准备进行爆破时，要提前将每个孔内注入40g的乳化炸药，并将瞬发电雷管准备好，等待爆破指令。
3.2.2接收传感器的布置
主要数据计算得出接收传感器布置要与施工工作面相距50m，另一头要测量的位置是与最后一个爆破孔距离20m处，并在改位置的侧壁两侧分别放置1个传感器，相关数据分别为孔深2.4m、孔径40mm，距隧道底部距离同上述一样，为1.0m，倾斜角度为向洞口方向的15°。相关计算测量工作完成后，实施钻孔操作，并在此环节后将钻孔用锚固剂填满，以便能够牢固插入接收传感器的管套，进而保证准确接收振波的信息情况。
3.2.3现场测试及结果分析
将基本工程数据和测量参数（接收器孔和爆破孔坐标）输入电脑，把接收传感器插入传感器套管，并连接好信号传输电缆，接好其他电线电缆，启动记录仪电脑进行噪声检查和线路检测。根据电脑生成的隧道影像点图（见图1）和平剖面图（见图2）结合现场已揭露的围岩情况及地质力学理论，解译工作面前方可能存在的不良地质体的性质、位置和规模。施工方结合设计文件向作业队技术交底，与设计不符时，可以提出变更设计申请。
图1 地震波反射法探测工作图
图2 地震波反射法工作与分析图
4.交叉口施工
4.1小安隧道横洞概况
为了满足施工总工期的要求，并结合隧道长度、地形、工程地质及水文地质等条件，隧道设置1座双车道斜井，长度1450m；1座单车道横洞，长度2587m；1座双车道横洞，长度1316m；1座洞身平导，长度2192m，安排6个施工区共8个作业面展开施工。
4.2辅助坑道交叉口施工方法
该施工方法不同于一般的隧道施工流程，主要是从辅助坑道进入施工场地，该技术在运用过程中会改变原有的施工断面及支护方案。为了保证支护工程的安全性，要在辅道与正洞的交点处进行顶拱纵向托梁的设置。改托梁主要是采用I 20b型钢进行电焊加固处理，并且在辅道与托梁之间还采取纵向Φ22钢筋进行进一步的固定工作。其施工作业面的演示如下图3。 图3 交叉口施工示意图
辅助坑道在正洞交界处的施工程序如下：
4.2.1正洞及辅道交点及拱深计算
在确定辅道及正洞时间的交角及与东顶的垂直距离时，应先将辅道起点到终点的距离进行计算，在此过程中，应加强各段施工场地的支护工作，而且要保证拱顶的向上倾斜角度在40%左右，在各个隧道路段还应预留支护位置，为后期施工奠定基础。
4.2.2辅道小洞施工
在辅道掘进过程中，应注意施工设备的安排，不能一味盲目进行挖进，特别是在靠近正洞时要改换人工挖进，洞的大小也要根据实际情况适当减小，并且要注意周围变化，及时采取支护措施。
4.2.3正洞及辅道的同步支护
这个阶段支架的架设要跟随正洞的施工步骤，并且实现两段的牢固连接。在此期间，支护的施工队伍要与两侧的施工队伍及时进行沟通，保证能够第一手获得围岩的测量数据，以便及时掌握支护情况。量测在这个环节中起到了重要作用，各个支护点必须严格按照量测及计算结果进行，这就要求有专业的施工人员进行实地施工。
5.软弱围岩浅埋段施工
5.1施工方法比选
小安隧道DK365+500～DK365+600段下穿水田且浅埋，埋深在5m～15m之间，施工前，采用φ75钢管桩进行地表注浆加固。设计采用CRD法施工，但考虑到工期任务紧，CRD施工法运用不成熟，经过方案比选，最终找设计变更为大拱脚台阶法，CRD法与大拱脚台阶法比较如下：
5.1.1CRD法施工特点
该技术不适用与地势情况复杂的特长隧道施工，主要是由于其施工步骤是从上而下进行的支护，每一个环节进行下来都需要进行一次封闭工作，并且每个机构之间成环的时间都较短，从而会影响整个工期的施工进程，并且由于施工面繁多复杂，会对其平衡及安全性造成影响，因此不利于机械化的作业情况。
5.1.2大拱脚台阶法的施工特点及工序
该施工技术主要是将隧道挖进过程分为上、中、下三个台阶及仰拱四个层面，有利于进行工程的同时开挖，但需要技术工作人员熟练掌握支护技术，达到整体支护的效果。以下主要介绍大拱脚预留核心土台阶法的施工技术特点。
第一，实施该作业法可利用特长隧道的空间特点，运通机械设备同时进行多层次施工操作，有效地缩短了施工期限，并且针对不同地段的施工特点，能够降低对隧道围岩波动。
第二，可以将地质情况比较复杂的隧道进行分层处理，并且针对每一层的岩石或者软土特点进行机械设备及开挖措施的灵活调整，有助于实现工程的安全高效进行。
第三，混凝土仰拱超前施作，便于初期支护及时闭合，改变洞内作业及运输环境。
第四，全断面一次施作防水层和灌筑混凝土衬砌，确保混凝土衬砌施工质量。
大拱脚台阶法的施工工序主要参考下图4及图5。
5.2大拱脚台阶法施工的注意事项
根据对小安隧道进行的地质调查可知，其周围分布的泥砂及岩层具有一定的弱膨胀性，在遇雨水天气时可能会发生软化崩解的现象，严重影响了工程了安全性及稳定性。而且会导致断层围岩的变形，从而引起塌方等较为严重的工程事故。根据铁道部《关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知》要求，施工中应注意以下事项：
5.2.1加固软土围岩的稳定性
在遇到上述不利情况时，应根据地质监测结果隧道的挖进距离，在进行上导开挖时应保证每次的循环距离小于或等于1m，而且应在仰拱挖进前配备好锁脚锚杆，并保证在3m内开展循环挖进施工。
第二，此分层作业的正确操作流程应该是先进行上导的挖进，并且挖进过程中应在适合地点安装临时性的横撑，保证其稳定性，但需要注意的是应在进行下导挖进时将其卸除。
第三，按照新奥法基本原理以及软岩隧道“管超前、短开挖、弱爆破，强支护、快封闭、勤量测”的基本方针，严格执行超前地质预报制度和隧道监控量测。
第四，严格控制施工过程，并按照相关标准仔细进行数据统计及计算，例如在安全步距设置时，应保证仰拱到掌子面的距离小于35m，二衬字到掌子面的距离应小于70m。
6.结束语
特长高速隧道对施工质量及安全的要求不同于一般铁路施工，在复杂地质情况的影响下，如不严格按照施工标准进行，则很容易出现安全事故，从而影响整个工程的质量及效率。
第一，在施工前及工程进行时，将超前地质预报系统应用到隧道挖进工程中，并结合不同的地质情况采取不同的预报方案，严格统计预报结果，从而实现数据的精准性。
第二，特长高速隧道在掘进过程中应用了辅道的设计方案，能够提升安全效果，但增加了施工难度，需要进行支护及正洞与辅道交点计算，并且要实现正洞与辅道的同步支护。
第三，特长高速隧道施工采取了大拱脚台阶法施工，在实现分层作业的同时，做到了有针对性的隧道掘进，并且很据标准精确计算安全步距，减少施工中的安全隐患。
（作者单位：西成铁路客运专线四川有限公司）
作者简介
张沈阳（1985-），男，汉族，山东潍坊人，工程师，2009年7月毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁工程专业，主要从事桥梁、隧道、路基工程技术及现场建设管理工作。