《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第二部分隧道工程篇《构造发育软岩富水特长隧道施工关键技术研究》

完成单位：中铁五局集团有限公司、中铁五局集团第一工程有限责任公司、中南大学

主要完成人：李映群、赵建斌、徐迪明、罗世云、傅鹤林、刘云龙、凌涛、杨锡斌、李强、段磊

项目简介

　　（一）项目背景

　　大坪山隧道所面临的环境很是复杂，山体坡度陡，岩层陡倾，进口段为低瓦斯隧道工区，隧道洞身局部段落岩溶发育，节理裂隙发育，且存在大范围的软弱夹层、断裂带等不良地质条件，岩体具有明显的流变特性，施工过程中极易发生涌水、突泥、坍塌掉块现象。

　　（二）技术概况

　　1、本研究提出方法计算构造发育区域涌水量效率高，计算准确，能提前预算隧道开挖后的涌水量大小，保证了隧道安全施工；总结了隧道水害防治方法，针对不同的突涌水害类型，应采取除堵水防止突涌水和超前预加固松散软弱围岩提高围岩稳定性措施外，还应包括超前预支护、变更施工开挖方法防止围岩变形失稳坍塌，根据开挖的实际围岩级别及时调整隧道初期支护和二次衬砌等措施。

　　2、针对大坪山隧道（四川盆地区域）的典型软弱围岩-泥质砂岩，确定了反映其蠕变特性的蠕变模型及参数。

　　3、本技术研究了围岩的蠕变特性，同时考虑高地应力及围岩蠕变的作用，采用位移反分析法测算了大坪山隧道区域的地应力大小，相比国内外未考虑围岩蠕变作用的测算方法，更符合实际开挖情况及围岩受力模式，数值模拟情况与现场实际情况的差距更小。

　　4、本技术相比国内外测算平导与正洞间距的技术，本技术考虑了围岩的蠕变作用、高地应力作用以及工程的经济性，相比其他技术，更符合实际开挖情况，综合考虑的因素更多，测算结果更符合工程要求。

（三）适范用围

　　适用西部山岭重丘地区地质环境复杂，节理裂隙发育，且存在大范围的软弱夹层、断裂带等不良地质条件，岩石内部一般都存在微观缺陷，岩质隧洞在开挖、卸荷过程中洞周一定范围内岩体的应力状态会发生改变，产生应力重分布，岩石中存在的微观裂隙在围岩卸荷蠕变演化中会逐步的孕育、扩展、贯通，使得岩石材料的力学性能逐渐劣化，最终导致岩体由局部破坏发展为整体失稳。

　　（四）获奖情况

　　2021年中国交通运输协会科技进步奖二等奖。

项目创新点

　　1、构建了地应力场特征的快速测定方法和技术，确定了断层区域应力场的方向、大小，实现了构造发育区域隧道围岩的稳定性的快速定量分析；

　　2、构建了反映泥质砂岩流变特征Burgers流变本构模型并获得相应流变参数，结合数值模拟和现场监测，揭示了隧道开挖引起的变形的时间效应，为软岩大变形控制提供了依据；

　　3、构建了构造发育区域的地下水预测模型，预测了不同地段地下水的水量，确定了富水地段隧道防排水的重点部位，开发并实施了"及早封闭成环施做防水二衬并恢复原水位"防排水技术，实现了地下水的有效排放与防治；

　　4、优化了平导与正洞之间的距离；结合流固耦合计算和控制爆破手段、平导和正洞协调作业，组合现场施工机械及配套人员，优化了泥质砂岩段正洞隧道支护参数和开挖工序。

应用案例

　　中铁五局集团第一工程有限责任公司承建大坪山隧道，基于数值计算结果、现场监控数据、现场机械化配套情况，提出了符合大坪山隧道开挖情况下，既能保证施工安全，又能稳定提高施工效率的方案。确保了隧道施工安全顺利地进行，避免了塌方、突涌水等灾害的发生，保障了当地山区的水资源安全以及水环境的生态平衡；研究了软岩地段正洞、平导开挖的群洞效应，利用正洞、平导开挖的围岩卸荷特征及群洞效应，优化了正洞、平导间岩柱的承载体系及安全尺寸，既确保施工安全又高效经济；对多道工序并存施工进行了组织设计与优化，减少了建筑材料的浪费，实现了资源可再生循环利用。该科研项目不仅为大坪山隧道建设提供了技术保障，同时也培养了一批高水平的设计、科研、施工、管理人才，对于我国铁路隧道建设的核心竞争力的提升、隧道的建设及发展具有极其深远的影响。大坪山隧道大变形段于2019年5月顺利通过。

社会效益与经济效益

　　大坪山隧道是成昆铁路的关键控制工程，构造发育软岩富水特长隧道施工关键技术研究成果推广应用，为确成昆铁路改扩建如期通车，将使成都至昆明的时间从12个多小时缩短为8个多小时将直接促进四川和云南的经济合作与发展、经济交流与物质流通。将产生巨大的社会效益。本研究安全可靠，对大变形隧道灾害防治及处理都有极大的借鉴意义，具有广阔的应用前景。

　　优化了作业步距，加快了施工进度，缩短工期4.2月。Ⅲ级围岩仰拱封闭与掌子面距离由原来的90m优化为150m，IV级围岩仰拱封闭与掌子面距离由原来的35m优化为120m，V级围岩仰拱封闭与掌子面距离由原来的35m，优化为90m，减少了隧道钻孔、爆破、撬顶、喷砼、初期支护、防水板安装、二衬施做等工序间干扰，充分发挥了机械化作业效率，开挖效率Ⅲ级围岩开挖效率由原来月进度110m上升为130m，IV级围岩由原来70m上升为85m，V级围岩由原来55m上升为70m，提高了施工进度，缩短开挖工期5.8月，取得经济效益8352万元。