隧道施工常見工程地質(zhì)問題與控制技術(shù)研究

鄭金貴

重慶工商職業(yè)學(xué)院，中國(guó)·重慶 401520

隧道；地質(zhì)問題；控制技術(shù)

1 引言

隧道工程長(zhǎng)距離、大規(guī)模、多數(shù)量、綜合性強(qiáng)、隱蔽性極大，而且施工環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜、控制技術(shù)難、施工條件有限，施工作業(yè)工序循環(huán)程度高，且風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，所以針對(duì)隧道施工常見地質(zhì)問題及控制技術(shù)展開研究非常具有意義[1]。張兵主要對(duì)隧道工程施工技術(shù)中的鉆爆法進(jìn)行研究，通過分析復(fù)雜地質(zhì)問題下導(dǎo)致的安全隱患及超前預(yù)報(bào)技術(shù)，并進(jìn)行的實(shí)證分析。劉海、沈軍輝等針對(duì)某工程實(shí)例研究了施工地質(zhì)問題以及防治措施。鄭玉欣以野三關(guān)隧道為實(shí)際工程例子，闡釋了主要的地質(zhì)問題及施工對(duì)策。通過文獻(xiàn)查閱，論文對(duì)隧道施工中的常見地質(zhì)問題與控制技術(shù)進(jìn)行了研究，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析論證。

2 常見工程地質(zhì)問題

據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)隧道工程中常見的地質(zhì)問題及其典型隧道有：（1）多年凍土，其典型的有昆侖山、風(fēng)火山隧道；（2）軟巖大變形，蘭渝線木寨嶺隧道；（3）巖溶富水、溶腔，圓梁山隧道；（4）活動(dòng)斷層，蘭武二線中部分隧道；（5）巖爆，秦嶺隧道；（6）炭質(zhì)片巖，新蜀河隧道；（7）煤層瓦斯，家竹菁隧道；（8）風(fēng)積砂，杏樹峁隧道；（9）黃土，秦東隧道等。

開挖和支護(hù)過程中可能造成的危害：土石坍塌、隧道支撐嚴(yán)重變形、襯砌結(jié)構(gòu)斷裂。

3 控制技術(shù)

隧道中常見的工程地質(zhì)問題在修建隧道過程中造成種種難點(diǎn)，形成施工過程中的種種安全隱患。如若不采取相應(yīng)的良好的解決控制措施，即使隧道看似竣工建造完成投入使用，在后期使用過程中因?yàn)閻毫拥耐獠凯h(huán)境、強(qiáng)暴雨天氣等因素造成坍塌、滑坡等而無法通行，造成更大的人力、物力、財(cái)力的重大損失，因此針對(duì)不同的工程地質(zhì)問題，采取相應(yīng)的控制技術(shù)顯得尤為重要。以下針對(duì)部分地質(zhì)問題采取的控制技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

3.1 多年凍土

多年凍土隧道工程施工可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，其核心在于盡量減少氣溫升高對(duì)凍土的影響，避免凍土融化壓縮下沉和凍脹力造成施工災(zāi)害和運(yùn)營(yíng)隱患。

凍土的抗壓強(qiáng)度很高，其極限抗壓強(qiáng)度甚至與混凝土相當(dāng)。凍土融化后的抗壓強(qiáng)度急劇降低，所形成的熱融沉陷和下一個(gè)寒季的凍脹作用常常造成工程建筑物失穩(wěn)而難以修復(fù)。

含水的松散巖石和土體，溫度降低到0℃時(shí)，伴隨有冰體的產(chǎn)生，這是凍結(jié)狀態(tài)的主要標(biāo)志。水結(jié)成冰時(shí)，體積增加約9%，使土體發(fā)生凍脹。土凍結(jié)時(shí)不僅原位置的水凍結(jié)成冰，而且在滲透力（抽吸力）作用下，水分將從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面轉(zhuǎn)移并在那里凍結(jié)成冰，使土的凍脹更加強(qiáng)烈。

土在凍結(jié)過程中由于水變冰體積增大，并引起水分遷移、析冰、凍脹、土骨架位移，因而改變土的結(jié)構(gòu)。在融化過程則必然伴隨著土顆粒的位移，充填冰融化排出的空間，產(chǎn)生融化固結(jié)，從而引起局部地面的向下運(yùn)動(dòng)，即熱融沉陷（熱融下沉）。

為避免隧道施工中熱融沉陷，凍土隧道施工的關(guān)鍵工藝是作好保溫措施。

隧道保溫施工工藝主要包括：優(yōu)選寒季施工明洞及洞口工程，開挖施工時(shí)增設(shè)遮陽保溫棚，阻隔太陽輻射能量對(duì)凍土的影響。正洞采用弱爆破及光面爆破技術(shù)減少對(duì)凍土的擾動(dòng)和超欠挖，開挖后清除拱（墻）夾層散碎冰塊，迅速噴混凝土封閉巖面；采用有軌運(yùn)輸減少洞內(nèi)廢氣污染，減少通風(fēng)次數(shù)和風(fēng)量；暖季采用夜間放炮通風(fēng)和冷風(fēng)機(jī)通風(fēng)等措施將洞內(nèi)掌子面溫度控制在5℃以下，盡量縮小洞室開挖斷面外的凍土融化圈。隧道全長(zhǎng)全斷面鋪設(shè)“防水層保溫板防水層”，阻隔隧道竣工后洞內(nèi)溫度變化對(duì)凍土的擾動(dòng)，確保運(yùn)營(yíng)安全。

影響土體凍脹的主要因素是土體類型、含水狀況和凍結(jié)條件。凍土學(xué)家經(jīng)過長(zhǎng)期的試驗(yàn)證明：粗顆粒土凍脹小甚至不凍脹，而細(xì)顆粒土一般凍脹較大。土體含水量大則凍脹嚴(yán)重，當(dāng)土體含水量小于某一值時(shí)，土的凍脹率為零。為防止凍脹對(duì)明洞及洞口工程結(jié)構(gòu)的影響，將明洞及洞口仰坡周邊凍脹影響范圍內(nèi)的富冰凍土、飽冰凍土和含土冰層挖除，用粗顆粒土換填，嚴(yán)格控制粗顆粒土的含水量，換填后作好防排水設(shè)施。

3.2 富水軟巖

富水軟巖是指在各類土質(zhì)、軟巖、極嚴(yán)重風(fēng)化的各種巖層、極軟弱破碎的斷層帶以及堆積、坡積層中，在富含地下水的情況下，巖體強(qiáng)度很低，自穩(wěn)能力極差的圍巖。

4 開挖施工措施

4.1 充分應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有：鉆孔超前探測(cè)；對(duì)超前導(dǎo)坑進(jìn)行地質(zhì)、水文觀測(cè)素描；地震波、聲波、地質(zhì)雷達(dá)等物理探測(cè)。預(yù)測(cè)開挖面前方的地質(zhì)情況，圍巖整體性、斷層、軟弱破碎帶在前方的位置和對(duì)施工的影響，地下水活動(dòng)情況等。

4.2 注漿堵水并加固圍巖

富水軟弱破碎圍巖隧道處理地下水原則一般以堵截為主，排引為輔。采用注漿堵水結(jié)合超前鉆孔限量排水特大涌水采用輔助導(dǎo)坑排水。堵截地下水的辦法主要有兩類：整個(gè)富水段進(jìn)行注漿止水，并加固松散巖體；對(duì)富水地段沿隧道開挖輪廓線以外進(jìn)行環(huán)形注漿，形成止水帳幕，防止或減小地下水進(jìn)入開挖工作面。排水輔助措施有導(dǎo)坑、鉆孔等，目的是排水降壓。當(dāng)?shù)叵滤c地表水連通時(shí)，埋深小于20m 采用地表注漿，埋深大于20m 時(shí)采用洞內(nèi)注漿[2]。

4.3 煤層瓦斯

由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，針對(duì)部分隧道工程施工需進(jìn)行專門的勘察工作，確定巖層是否存在煤層瓦斯，確定其分布位置，并對(duì)其危害程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，采取相應(yīng)的控制技術(shù)措施。瓦斯的燃燒、爆炸性是隧道主要災(zāi)害之一。

施工方法：宜采用全斷面開挖，通風(fēng)效果好；隨掘進(jìn)隨襯砌；施工作業(yè)采用防爆型設(shè)施。

安全方面：制定瓦斯檢查制度。指定專人、定時(shí)、和經(jīng)常進(jìn)行檢查；隨時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)報(bào)告技術(shù)主管負(fù)責(zé)人，采取措施進(jìn)行處理；洞內(nèi)嚴(yán)禁使用明火；進(jìn)洞人員必須經(jīng)過瓦斯知識(shí)和防止瓦斯爆炸的安全教育；搶救人員未經(jīng)專門培訓(xùn)不準(zhǔn)在瓦斯爆炸后進(jìn)洞搶救；瓦斯檢查人員必須經(jīng)過專門培訓(xùn)、考試合格者，方可進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

工程實(shí)例：中國(guó)青藏鐵路風(fēng)火山多年凍土隧道全長(zhǎng)1338m，是世界上海拔最高的凍土隧道，多年凍土上限1～1.8m，凍土層厚達(dá)100～150m。洞身全部位于凍土之中。

5.2 控制技術(shù)

在施工過程中充分把握凍土的工程性質(zhì)，采用注漿管棚、注漿錨桿、洞內(nèi)光面爆破等開挖技術(shù)并綜合運(yùn)用粗顆粒土換填明洞覆蓋層，全長(zhǎng)、全斷面設(shè)置多重保溫層，以及保溫、控溫、供氧、噴射混凝土、信息監(jiān)控等多項(xiàng)技術(shù)，盡量縮小凍土融化圈，使凍土隧道重建新的熱量平衡系統(tǒng)，滿足了安全、優(yōu)質(zhì)、高效的建設(shè)要求。

此外凍土區(qū)防溫措施還有傾填片石通風(fēng)路基施工工藝，高溫細(xì)粒土鋪設(shè)保溫板路基施工技術(shù)，高溫細(xì)粒土熱棒路基施工技術(shù)等，這些措施都可以大大減少路基承載后對(duì)凍土的熱融影響。

6 總結(jié)

論文結(jié)合工程實(shí)例，闡釋了隧道施工常見的地質(zhì)問題及采取的相應(yīng)控制技術(shù)措施，以期對(duì)今后的隧道施工提供借鑒。隧道事故頻頻發(fā)生，大部分都是由于地質(zhì)問題引起的，目前勘察地質(zhì)的技術(shù)手段存在一定的局限性（勘察范圍不夠廣，判識(shí)方法定性差，精確度不高等[2]），導(dǎo)致采取的控制技術(shù)不能足夠降低隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，因此勘察判別地質(zhì)問題的關(guān)鍵技術(shù)還有待進(jìn)一步提高。