公路隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害及處理措施

陳世樑

摘要：地質(zhì)災(zāi)害是指以地質(zhì)力為主要原因引起的、造成人類生命財(cái)產(chǎn)損失的嚴(yán)重破壞現(xiàn)象。由于公路隧道在掘進(jìn)活動(dòng)等人類地質(zhì)作用下改變了巖體的自然平衡狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生變形，就可能產(chǎn)生突水突泥、塌方等事故。本文重點(diǎn)對(duì)公路隧道施工中一些常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害和預(yù)控方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：公路隧道；巖爆；涌水；塌方

一、巖爆

（一）巖爆特點(diǎn)

巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程洞室開(kāi)挖過(guò)程中，因開(kāi)挖卸荷而引發(fā)周邊脆性圍巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力分異作用，儲(chǔ)存于圍巖中的彈性應(yīng)變能突然釋放，且產(chǎn)生爆裂松脫、剝離、彈射甚至拋擲等破壞現(xiàn)象，是一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。它直接威脅施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，因此，對(duì)可能產(chǎn)生巖爆的地段應(yīng)做好預(yù)測(cè)，確認(rèn)會(huì)發(fā)生巖爆的地段應(yīng)做好防治措施。

（二）防治措施

根據(jù)巖爆產(chǎn)生的條件（即圍巖應(yīng)力必須超過(guò)圍巖強(qiáng)度，圍巖為堅(jiān)硬的脆性巖石），對(duì)其防治應(yīng)從改善圍巖應(yīng)力條件和加固圍巖入手，主要措施有：

1、改善圍巖應(yīng)力。合理布置隧道位置，使其軸線方向盡量與主應(yīng)力方向平行，選用合理的洞形；通過(guò)鉆孔卸壓法、鉆孔水力破裂法（高壓注水法）、分部（層、次）開(kāi)挖及在巖面噴灑水使巖體軟化等。

2、加固圍巖。包括對(duì)已開(kāi)挖洞壁的加固和掌子面前方的超前加固，加固方法主要有錨噴、鋼絲網(wǎng)錨噴、鋼纖維噴混凝土、鋼支撐和錨桿錨固等。

3、防護(hù)措施。在臺(tái)車上安裝鋼絲保護(hù)網(wǎng)以確保工人安全。

（二）工程實(shí)例

某公路隧道主洞全長(zhǎng)4176m，最大埋深760余m，處于深埋高地應(yīng)力環(huán)境條件。施工過(guò)程中，隧道發(fā)生了近百次巖爆活動(dòng)，但大多屬輕微、中等級(jí)別。根據(jù)此公路隧道的巖爆特征，針對(duì)巖爆不同級(jí)別采取不同的防治工程措施，概括說(shuō)來(lái)，對(duì)圍巖的初期支護(hù)主要是采用噴射混凝土、錨固和掛網(wǎng)等工程措施。巖爆地段開(kāi)挖后，必須及時(shí)進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，以達(dá)到以柔克剛的目的；從另一角度講，當(dāng)掛網(wǎng)噴錨支護(hù)作業(yè)完成后，即使再產(chǎn)生巖爆活動(dòng)，也構(gòu)成了第1道防線，不會(huì)因此而直接危及到施工人員和設(shè)備的安全。

二、涌水

隧道掘進(jìn)過(guò)程中必然破壞含水或潛在含水圍巖，揭露部分地下導(dǎo)水通道，使地下水或與之有水力聯(lián)系的其它水體（地表水、地下暗河及溶洞等）突然涌入隧道，發(fā)生涌水突水災(zāi)害。

隧道涌水是由于隧道的掘進(jìn)破壞了含水層結(jié)構(gòu)，使水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生急劇改變，以致地下水體所儲(chǔ)存的能量以流體（有時(shí)有固體物質(zhì)伴隨）高速運(yùn)移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象，當(dāng)涌水中有大量的固體物質(zhì)（尤其是泥質(zhì)物）時(shí)稱為隧道的突泥。隧道涌水突泥是否發(fā)生，需滿足一定的條件，即含水圍巖的能量?jī)?chǔ)存性能、釋放性能、水動(dòng)力性能和圍巖穩(wěn)定性能等。

隧道涌水可采用注漿堵水措施：注漿鉆孔過(guò)程中，遇涌水或巖層破碎造成卡鉆，應(yīng)停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿，掃孔后再行鉆進(jìn)。注漿過(guò)程中，若壓力突然升高，應(yīng)停止注漿，檢查后，再行注漿。注漿過(guò)程中，注意觀察止?jié){巖盤的變形情況，準(zhǔn)備好加固措施。注漿后應(yīng)對(duì)注漿效果評(píng)判，若預(yù)測(cè)開(kāi)挖后不會(huì)發(fā)生突水、突泥等施工災(zāi)害時(shí)，則進(jìn)行開(kāi)挖，否則進(jìn)行超前補(bǔ)注漿。本階段設(shè)計(jì)注漿數(shù)量為根據(jù)地質(zhì)資料、巖溶（或斷層）發(fā)育規(guī)律及有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的預(yù)計(jì)數(shù)量，注漿措施的實(shí)施應(yīng)建立在充分的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際探測(cè)的隧道巖溶、斷層的地質(zhì)、地下水情況，對(duì)注漿堵水段落，注漿方式，注漿孔布置、注漿孔數(shù)量、長(zhǎng)度、孔口管數(shù)量、注漿數(shù)量、材料等進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保施工安全。

某隧道施工中某天下行線K256+262樁號(hào)處整個(gè)掌子面右上部一個(gè)鉆孔內(nèi)噴出的水距掌子面達(dá)14～15m，流量達(dá)到32L/s，整個(gè)掌子面涌水達(dá)76L/s。由于水量和水壓都很大，威脅人身安全，施工被迫停止兩天。因?yàn)樗枯^大，有的地段在初期支護(hù)后，噴射砼表面仍出現(xiàn)大量滲水，滲漏水大多呈線狀，局部呈股狀。

從地質(zhì)條件來(lái)考慮，水流富集部位受巖層層面或貫穿性節(jié)理面控制。A端開(kāi)挖面前進(jìn)方向?yàn)镹E50°，隧道中巖層走向?yàn)镹W5°～10°，隧道開(kāi)挖中總是右側(cè)首先出現(xiàn)新的地層，而隧道中涌水也大多數(shù)出現(xiàn)在右側(cè)和頂部。在巖性變化時(shí)涌水量有一定變化。涌水的發(fā)生也與巖性有關(guān)，砂巖中一般是線狀流水，板巖中一般為多處同時(shí)滲水，灰?guī)r中則一般為線狀或股狀水流。由于巖性界面往往是富水部位，因而在巖性發(fā)生變化的部位也是涌水易出現(xiàn)的位置。雖然初期支護(hù)已將大部分水流引走了，但是鑒于本工程隧道A端地下水豐富的特點(diǎn)，在涌水量較大的部位，特別初期支護(hù)滲水仍然嚴(yán)重的地方，在澆筑二次襯砌混凝土的時(shí)候需要考慮幾方面的要求：一方面由于噴射鋼纖維混凝土表面不可能是很平整的一個(gè)面，盡管在鋪設(shè)防水板時(shí)對(duì)凹陷處放松馳一些，但由于混凝土澆筑時(shí)是由一端向另一端澆筑，擔(dān)心防水板極可能被混凝土撕裂；另一方面擔(dān)心防水板被噴射鋼纖維混凝土外露的鋼纖維劃破；再則鋪設(shè)防水板的搭接頭處，由于是人工現(xiàn)場(chǎng)粘結(jié)，在初期支護(hù)滲水嚴(yán)重處，不能完全保證膠水遇水后其接頭粘結(jié)的牢靠性。因此，在涌水量大且初期支護(hù)滲水嚴(yán)重部位在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增設(shè)了一層防水層，從實(shí)施效果來(lái)看，取得了很好的防、排水效果。

三、塌方

工程地質(zhì)條件變化是造成隧道塌方的主要原因。一般對(duì)隧道設(shè)計(jì)的地質(zhì)勘探，僅有的幾個(gè)勘探鉆孔很難準(zhǔn)確的掌握隧道巖體的巖性、斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況，巖石的類型雖易判斷清楚，但斷層節(jié)理發(fā)育情況卻千差萬(wàn)別。因此在隧道施工中，局部地段地質(zhì)構(gòu)造變化、斷層破碎帶、軟弱夾層等工程地質(zhì)條件變化，如果施工預(yù)防措施不當(dāng)、不及時(shí)，極易造成隧道坍塌方事故。

在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)認(rèn)真調(diào)查不良地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，根據(jù)實(shí)際情況做好合理支護(hù)，選擇安全合理的施工方法，選擇可靠的開(kāi)挖方法，嚴(yán)格控制好爆破，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)盡量采用人工開(kāi)挖或弱爆破。施工單位應(yīng)制定健全的勞動(dòng)操作規(guī)程，編制有針對(duì)性的和可操作性的施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)施工方案，落實(shí)“先排水、短開(kāi)挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的施工原則，加強(qiáng)對(duì)圍巖的監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)征兆應(yīng)高度重視，及時(shí)采取有力措施。

對(duì)松散、破碎圍巖體隧道的塌方，可采用提高圍巖的整體強(qiáng)度和自穩(wěn)性的措施加以處理，如施工中常用的超前長(zhǎng)管棚、超前錨桿及加固注漿、超前小導(dǎo)管注漿等施工措施預(yù)防隧道塌方。如杭州一金華一

衢州高速公路新嶺隧道采用長(zhǎng)度為45m的0108mm×6mm超前長(zhǎng)管棚+注漿預(yù)支護(hù)措施，避免了因公路淺埋隧道跨度大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、施工難度大、圍巖松散破碎、自穩(wěn)能力差的特點(diǎn)而易發(fā)生的塌方事故。對(duì)于開(kāi)挖斷面較大的隧道，通過(guò)軟弱圍巖區(qū)域可采取分步開(kāi)挖，為了減少圍巖的暴露時(shí)間，開(kāi)挖后應(yīng)立即支護(hù)，從而可提高隧道圍巖體的自穩(wěn)性。南昆鐵路某2469m長(zhǎng)的隧道在施工中多次發(fā)生嚴(yán)重的塌方事故，使隧道施工受阻7個(gè)多月，最終確定采用大管棚雙液深孔預(yù)注漿固結(jié)巖體，結(jié)合小管棚補(bǔ)強(qiáng)的微臺(tái)階大斷面開(kāi)挖、全斷面襯砌的施工技術(shù)，順利通過(guò)塌方體。

四、巖溶

巖溶的主要形態(tài)有溶洞、溶溝、溶槽、裂隙、暗河、石芽、漏斗及鐘乳石等，是可溶性巖受水的化學(xué)和物理作用的結(jié)果。巖溶不良地質(zhì)常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、塌陷和涌水突泥等地質(zhì)破壞。當(dāng)隧道施工遇到巖溶危害時(shí)，可按巖溶對(duì)隧道不同的影響情況及施工條件，采取跨越、加固溶洞，引排、截流巖溶水，清除充填物或注漿對(duì)軟弱地基加固，回填夯實(shí)、封閉地表塌陷、疏排地表水等工程綜合治理措施。如某隧道在整個(gè)洞身開(kāi)挖過(guò)程中，遇到了很多的小溶洞，間隔小到1至2米，大到20至30米，甚至于同一樁號(hào)洞身周圍有2至3個(gè)小溶洞，溶洞體積小則1到2方，大則15到17方，洞內(nèi)有黃泥沙石填充物，并伴有少量流水。在施工過(guò)程中，首先將溶洞了填充物清除，在噴射混凝土過(guò)程中用C20混凝土填充并找平，對(duì)于較大的溶洞，先在其四周施做約1.2×1.2m間距的φ22藥卷錨桿，鎖住裂隙，然后加設(shè)鋼筋網(wǎng)以利于填充混凝土。在流水較大溶洞周圍加密環(huán)向排水盲管，以利于更好的將水引至縱向排水管，并最終由中心水溝排出隧道，方便日后二次襯砌施工

五、流砂

流砂地層的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，施工中極易發(fā)生坍塌。隧道通過(guò)流砂地段，在開(kāi)挖、支護(hù)和襯砌過(guò)程中都可能發(fā)生大量坍塌，坑道受壓變形，破壞襯砌結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、安全和質(zhì)量，因此，施工中必須做好地質(zhì)調(diào)查與預(yù)報(bào)工作，做到先排水、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)，快襯砌、勤檢查的防治措施。施工方法是：先護(hù)后挖，密閉支撐，邊挖邊封閉的辦法。隧道開(kāi)挖前，采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿法，使松散地層固結(jié)為整體，然后進(jìn)行開(kāi)挖和襯砌施工。

某隧道進(jìn)口端右線上臺(tái)階開(kāi)挖至YK197+441，出渣完成后不久，正準(zhǔn)備進(jìn)行初期支護(hù)時(shí)，掌子面左拱腰處出現(xiàn)涌水、不斷掉塊現(xiàn)象，迅速發(fā)展成為坍塌。該段地質(zhì)資料顯示，圍巖為強(qiáng)-弱風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，表層覆蓋第四系殘坡積亞粘土，設(shè)計(jì)按Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)。實(shí)際左側(cè)為松散砂層，右側(cè)為弱風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，地下裂隙水比較豐富，左側(cè)松散砂層遇地下涌水后形成流沙層，迅速失穩(wěn)、坍塌，是造成拱頂坍塌的主要原因之一。

塌方發(fā)生后，業(yè)主、設(shè)計(jì)代表、監(jiān)理及施工人員及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘察，摸清了現(xiàn)場(chǎng)情況并研究探討。處理方案主要有兩方面的內(nèi)容，一是對(duì)洞內(nèi)掌子面加固處理；二是對(duì)空洞進(jìn)行回填注漿處理。經(jīng)過(guò)一系列的加固措施，隧道流沙層塌方得到了有效的控制，特別是通過(guò)鋼管向巖層注漿施工，提高了巖層的粘聚力和巖層的內(nèi)摩擦角，使隧道地質(zhì)圍巖穩(wěn)定，對(duì)接下來(lái)的繼續(xù)開(kāi)挖施工增加了安全的系數(shù)。在后續(xù)開(kāi)挖施工中，采用了三臺(tái)階開(kāi)挖法施工，即“短開(kāi)挖，早支護(hù)”。目前，該段的明洞和二次襯砌已經(jīng)完成，結(jié)構(gòu)已經(jīng)最終穩(wěn)定。

結(jié)束語(yǔ)

隧道地質(zhì)災(zāi)害是在巖性變化條件下（這是內(nèi)因）地下水和應(yīng)力變化共同作用下，加之施工因素影響才發(fā)生的。因此在隧道工程中要在對(duì)這些影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上對(duì)塌方、涌水、變形進(jìn)行預(yù)測(cè)和治理，做到有的放矢。

參考文獻(xiàn)：

[1]李榮華.淺談公路隧道施工中的地質(zhì)災(zāi)害及措施[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012年14期.

[2]周小飛，武科，馬明月.淺談公路巖溶隧道施工技術(shù)管理[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010年3期.