基于山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)分析

覃可寬

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展以及現(xiàn)代化各項事業(yè)的不斷推進，需要越來越多的交通設(shè)施來作為基礎(chǔ)支撐。以山區(qū)隧道為例，雖然前期施工周期較長、難度較大，但隧道貫通后可大大縮短交通里程，增加了交通運力并提高了生產(chǎn)效率，因此，隧道工程的作用在實際的生產(chǎn)和應(yīng)用中效果顯著。目前，國內(nèi)隧道工程的施工技術(shù)已逐漸成熟，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)專利的隧道施工技術(shù)大量涌現(xiàn)，尤其是在山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工中積累了相當豐富的技術(shù)經(jīng)驗。

本文旨在通過對山區(qū)復雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點的分析來總結(jié)影響隧道施工過程的主要因素，搭建穩(wěn)定性數(shù)學模型對復雜隧道施工過程中發(fā)生的地質(zhì)形變加以控制并進行科學、合理的計算、評估，同時結(jié)合工程實例進行驗證[1]。

1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點以及對隧道施工的影響

山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)大多十分復雜，具體可表現(xiàn)為各類微觀構(gòu)造組成的不連續(xù)性地層、層理斷面所引起的各種異向地形、地表缺陷所引起的地質(zhì)差異、水量分布不均引起的富水性等。地質(zhì)條件的復雜性及特異性決定了山區(qū)地層的穩(wěn)定性通常較差、地層種類較多，部分山區(qū)地質(zhì)條件較為松散，給隧道施工造成了較大的困難[2]。

1.1 地層連續(xù)形變

對于山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的地層連續(xù)形變而言，一般都具有較為相對的均勻性以及可預測性。通過連續(xù)地層介質(zhì)下的力學彈塑性理論可進行預測，其中的形變程度與材料力學的參數(shù)、工程范圍以及實際的隧道施工方法相關(guān)，與此同時還與地層預處理過程以及預支護的具體措施相關(guān)。通常，采取數(shù)值的計算方法可涵蓋隧道施工理論的嚴謹性以及實際工程施工中的諸多優(yōu)勢，效果比較理想，目前被業(yè)內(nèi)工程界及學術(shù)界廣泛采用[3]。值得注意的是，此方法僅對較為完整以及均勻的地質(zhì)有效，且計算結(jié)果僅代表地層擾動下作為連續(xù)地層介質(zhì)所權(quán)衡的部分形變，而非地質(zhì)的全部形變，例如形變地層上方垮塌的范圍λ與碎脹系數(shù)k的關(guān)系如圖1所示。微觀結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)會造成地層不同程度的破壞及塌落，且松散狀態(tài)的土質(zhì)參數(shù)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

圖1 垮塌范圍λ與碎脹系數(shù)k的關(guān)系示意圖

1.2 地質(zhì)成分復雜不均

多數(shù)山區(qū)地形錯綜復雜，地質(zhì)成分各異，如大型卵石、巖溶地質(zhì)以及其他濕陷性、淤泥質(zhì)黏土成分等。此類復雜、特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)無疑給隧道工程的施工帶來極大的難度和挑戰(zhàn)。對于較陡區(qū)域以及其他易出現(xiàn)山體滑坡和泥石流的區(qū)域，在隧道施工過程中應(yīng)盡量避免對圍巖的擾動，并采取支護措施。在隧道開挖前需對隧道附近的復雜施工區(qū)域進行實地勘探，比較常見的做法是采用直接法和間接法進行探測，做到對隧道埋深、巖土類型以及地下水和其他不良地質(zhì)體的構(gòu)造、參數(shù)都有充分的掌握[4]。

1.3 復雜地質(zhì)對山區(qū)隧道施工的影響

復雜地質(zhì)的結(jié)構(gòu)性在地層形變的過程中具有非常重要的作用，對隧道施工的影響很大。對于地層微觀缺陷而言，所影響的方式主要是單獨缺陷的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、多缺陷地層間作用以及缺陷構(gòu)造的協(xié)調(diào)形變。在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和洞體擴散方面，地層微觀缺陷中的失穩(wěn)經(jīng)常會觸發(fā)大范圍的地質(zhì)破壞，隨之而來的是地質(zhì)構(gòu)造的形變，并延伸到地表進而形成沉降槽，最終致使地質(zhì)整體形變增加。當因隧道施工而受到擾動后，地層微觀結(jié)構(gòu)便以特定的方式向周邊擴散，且范圍將逐漸擴大，形成大范圍的松軟地層，某種程度上來說使地層剛度降低，直接導致地層形變的增加[5]。

2 復雜地質(zhì)條件下隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)

對于山區(qū)中復雜地質(zhì)條件下的各類缺陷、結(jié)構(gòu)斷面、軟弱夾層、松軟土質(zhì)和地下沉積物來說，進行隧道施工的難度顯著增加。如果對此類特殊而復雜的地質(zhì)構(gòu)造處置不當或所采取的隧道施工技術(shù)達不到標準，那么將會使施工過程中的地層進一步發(fā)生形變。

2.1 搭建隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學模型

對于隧道施工過程中的梁式結(jié)構(gòu)來說，松軟夾層等地層缺陷在此過程中呈現(xiàn)梁式擾動形式，具備特定的力學特性，可將該種缺陷體定性為梁結(jié)構(gòu)模型[6]。假設(shè)梁截面高度為h，寬度為單位長度，長度取缺陷結(jié)構(gòu)跨度l，地層側(cè)壓系數(shù)設(shè)為λ，縱向載荷為q，橫向側(cè)壓p=λq，在縱向力q作用下，結(jié)構(gòu)橫截面邊緣拉應(yīng)力σ1=ql2/2t2，在橫向側(cè)壓p的作用下，梁截面正應(yīng)力σ2=-λq，可知梁支座處最大拉應(yīng)力為σt=σ1-σ2=ql2/2t。2+λq，當梁結(jié)構(gòu)端側(cè)受損后在中間處發(fā)生開裂現(xiàn)象時，便會形成三鉸拱的形式。通常這種三鉸拱具有暫態(tài)的穩(wěn)定性，且在特定的情況下如果引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)便會影響更深處的地層，因此，地層呈現(xiàn)出分組沉降形式。通過拱軸線定義可得AOB全部截面彎矩M及其剪應(yīng)力Q的值都為0，其穩(wěn)定性數(shù)學模型如圖2所示。

假設(shè)拱結(jié)構(gòu)跨距為l，拱高為h，拱頂載荷設(shè)置為q，地層側(cè)壓系數(shù)仍為λ，由整體受力可知，A、B支座的縱向反作用力為YA=YB=0.5ql，若取半拱結(jié)構(gòu)AO并對拱點O測距可得如下穩(wěn)定性公式：

0.5YA-XAh-0.5λqh2-0.125ql2=0

2.2 微觀地質(zhì)結(jié)構(gòu)強度分析

對于山區(qū)復雜地質(zhì)中的各類微觀構(gòu)造，不論以何種方式引發(fā)破壞或失穩(wěn)，對地層所引起的形變均可表現(xiàn)為特定的微觀構(gòu)造效應(yīng)。從這個層面來講，它們的影響趨于一致，但各種地質(zhì)類型的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性對地層的破壞程度和范圍卻可產(chǎn)生不同程度的影響，即其決定了地質(zhì)的形變程度[7，8]。對于具體的山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工而言，常存在多種類型的微觀地質(zhì)構(gòu)造，且各類型地質(zhì)間的互相作用與影響致使地質(zhì)形變效應(yīng)更加復雜化。例如相鄰地質(zhì)構(gòu)造間彼此互為失穩(wěn)誘因，因此，如何防止它們之間形變的階梯傳遞效應(yīng)是隧道施工過程中的控制重點。而結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)及失穩(wěn)后的相互連通對于形變來說則表現(xiàn)為共同作用的結(jié)果，此因素所引起的非線性形變量的增加需得到充分重視。

2.3 地質(zhì)預期形變評估

地質(zhì)結(jié)構(gòu)、隧道施工以及地表沉降間的相互作用表現(xiàn)為一定的動態(tài)過程，三者間的協(xié)調(diào)形變也是一個彼此耦合的過程。某種程度上來說，這種多類型結(jié)構(gòu)的動態(tài)約束和影響給隧道施工帶來了一定的技術(shù)難度，尤其是在山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工中，其特殊的時空變化階段為隧道施工區(qū)域地質(zhì)的勘探和安全風險的預控帶來了一定難度。從目前已有的文獻和實際成功的隧道施工案例來看，地質(zhì)預期的形變主要分為：施工材料層面的彈塑性形變、微觀構(gòu)造層面的復合性形變以及環(huán)境因素所引起的固結(jié)性形變。在對上述幾種情況分別進行分析、計算的同時應(yīng)考慮地層加固、隧道支護以及時效性的影響，通過專業(yè)的取值、分析后便可對山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工所引起的各類形變做出預期評估[9，10]。

3 試驗驗證及結(jié)果分析

表1 隧道區(qū)域地下水特質(zhì)明細表

根據(jù)所提出的隧道施工穩(wěn)定性預控模型，應(yīng)用到麗水下河塔隧道的施工方案中，通過對該區(qū)域復雜地質(zhì)的實地勘探，結(jié)果獲取到三層地下水，例如其中的上層滯水以大氣降水、江河水以及生活排水、管道滲漏為主，得出具體數(shù)據(jù)如表1所示。

在下河塔隧道的實際施工方案中，最先施工的4號線僅采用朝前灌漿以及逐步開挖的方法，而對于地層中的缺陷并未做任何處理，發(fā)生了過渡沉降的現(xiàn)象，因此，在后續(xù)的10號線施工中采用雷達探測的方法，以準確把握地層中所有孔洞的數(shù)量和分布，但需在開挖隧道之前對地層缺陷作填充處理。為驗證所提出的隧道施工穩(wěn)定性模型，分別對下河塔隧道施工區(qū)域的地表沉降范圍進行全程監(jiān)測，得出4號、10號線各斷面的沉降值，如圖3所示。

圖3 下河塔4號、10號線地表最大沉降值示意圖

由圖3斷面數(shù)據(jù)可知，4號、10號線在施工的過程中，所有時段的地表沉降值均在合理、可控的范圍內(nèi)，證明了所提出的基于山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工穩(wěn)定性控制模型的正確性。

4 結(jié)語

山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)一直以來都是學者們研究的重點問題，本文在分析了一系列影響隧道施工的重要因素之后，對施工過程中的穩(wěn)定性進行了全面評估，并提出了保障隧道施工穩(wěn)定性的數(shù)學模型，通過工程實例進行試驗驗證，為其在山區(qū)復雜地質(zhì)條件下的隧道施工領(lǐng)域中應(yīng)用提供借鑒和參考。

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