復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道施工技術(shù)

趙振啟

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

公路隧道施工中，易遇到復(fù)雜、多變、危險(xiǎn)系數(shù)高的地質(zhì)條件，如軟弱破碎帶、巖溶以及特殊巖層等，容易導(dǎo)致變形、坍塌等危險(xiǎn)出現(xiàn)，若施工過(guò)程中不加以重視，將難以保證隧道施工順利進(jìn)行。因此，工作人員必須結(jié)合工程實(shí)際，靈活運(yùn)用相關(guān)技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路隧道進(jìn)行施工，保證公路隧道施工的質(zhì)量與安全。

1 常見復(fù)雜地質(zhì)類型

1.1 膨脹土地質(zhì)

相較于普通地質(zhì)，膨脹土地質(zhì)更容易出現(xiàn)圍巖變形問(wèn)題。在施工過(guò)程中，相關(guān)工作人員應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的勘查，準(zhǔn)確掌握圍巖變形原因、程度以及影響，在此基礎(chǔ)上采用合理的措施對(duì)其進(jìn)行處理與控制。通常，在膨脹土地質(zhì)條件下進(jìn)行公路隧道施工時(shí)，應(yīng)盡量避免采用全斷面開挖的施工方式，根據(jù)區(qū)域具體的水文地質(zhì)特征，靈活采用側(cè)壁導(dǎo)坑法、臺(tái)階法等技術(shù)方法[1]。此外，還需降低流變對(duì)公路隧道施工產(chǎn)生的影響，確保公路隧道結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

1.2 巖溶地質(zhì)

巖溶地質(zhì)條件下的公路隧道施工也具有一定難度，尤其是當(dāng)施工區(qū)域出現(xiàn)流水溶蝕情況時(shí)更會(huì)增加施工難度。相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)表明，在巖溶地質(zhì)條件下極容易出現(xiàn)安全和質(zhì)量問(wèn)題，如果在施工前未對(duì)巖溶地質(zhì)條件做出全面、深入的勘查，未徹底了解地下水運(yùn)行情況，掌握該地區(qū)的不利因素并提前做出針對(duì)性處理，那么隧道施工質(zhì)量以及施工過(guò)程中人員、設(shè)備與財(cái)產(chǎn)物資的安全將得不到保證。巖溶地質(zhì)條件下常用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法進(jìn)行公路隧道施工，對(duì)施工區(qū)域200 m范圍內(nèi)的各項(xiàng)情況進(jìn)行全面勘察，了解施工區(qū)域的安全隱患，并制定相應(yīng)的處理方案，以保障公路隧道施工的順利開展。

1.3 松散破碎地質(zhì)

公路隧道施工中經(jīng)常會(huì)遇到松散破碎地質(zhì)的情況。在施工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)有些區(qū)段的圍巖比較松散，穩(wěn)定性不高，在后續(xù)施工中會(huì)出現(xiàn)坍塌。相關(guān)研究與實(shí)踐表明，當(dāng)某區(qū)段的圍巖比較松散破碎時(shí)，該段的水侵害問(wèn)題也會(huì)相對(duì)更加嚴(yán)重。由于破碎松散巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，空隙較大，導(dǎo)致其含水率較高，施工難度增加。因此，一般采用超前支護(hù)技術(shù)減小松散破碎地質(zhì)條件給隧道工程帶來(lái)的影響，從而保證施工的順利進(jìn)行。超前支護(hù)技術(shù)的主要作用是對(duì)圍巖進(jìn)行保護(hù)，降低圍巖受破壞的程度，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。除超前支護(hù)技術(shù)外，鉆孔排水施工技術(shù)在該類地質(zhì)條件中的應(yīng)用也較為廣泛。

1.4 流沙地質(zhì)

流沙地質(zhì)在公路隧道施工中較為常見。流沙地質(zhì)最突出的問(wèn)題就是穩(wěn)定性不足，在公路隧道施工中極易出現(xiàn)坍塌、變形等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)安全事故。因此應(yīng)該對(duì)該地區(qū)的各類水文地質(zhì)情況進(jìn)行全面的勘查，明確施工區(qū)域內(nèi)的流沙分層情況以及流沙層粒徑、塑性指數(shù)等。在正式施工前先分析該區(qū)域施工的要點(diǎn)、難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上制定科學(xué)的施工方案，從而保障隧道施工的質(zhì)量與安全。通常在流沙區(qū)域施工時(shí)，工作人員需重點(diǎn)關(guān)注土方開挖施工，做到先護(hù)后挖，自上而下挖掘，從而提高隧道結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路隧道施工技術(shù)

2.1 超前注漿改良

對(duì)于施工區(qū)域地質(zhì)條件出現(xiàn)穩(wěn)定性、剛度和強(qiáng)度不足等情況，可在正式施工前先通過(guò)向地質(zhì)注漿的方式對(duì)不良地質(zhì)條件進(jìn)行改良，使其各方面性能達(dá)到工程施工標(biāo)準(zhǔn)[3]。為確保改良效果，工作人員還需嚴(yán)格控制漿液質(zhì)量，合理配比漿液，均勻拌制，確保漿液的均勻性、黏稠度等符合施工要求。

2.2 超前支護(hù)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，超前支護(hù)是公路隧道施工的重要措施。應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)提前對(duì)一些不穩(wěn)定因素進(jìn)行防護(hù)，從而為隧道開挖施工提供更多安全條件。如在圍巖松散破碎的施工區(qū)域，利用超前支護(hù)技術(shù)可提升圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，盡可能減少公路隧道施工與使用過(guò)程中出現(xiàn)變形、坍塌等問(wèn)題，保障公路隧道工程施工質(zhì)量與安全。在實(shí)際施工過(guò)程中，相關(guān)工作人員需根據(jù)地質(zhì)類型、地下水變化規(guī)律選用合適的支護(hù)方式。目前在公路隧道施工中常用的超前支護(hù)技術(shù)有超前小導(dǎo)管支護(hù)、超前鋼插管支護(hù)、超前錨桿支護(hù)等，工作人員可根據(jù)具體的地質(zhì)情況合理選擇與應(yīng)用，有效提升整體施工質(zhì)量與效果。

2.3 隧道洞身開挖

根據(jù)隧道開挖支護(hù)情況，結(jié)合其地質(zhì)條件與施工要求等，可采用三臺(tái)階法進(jìn)行隧道開挖施工。即以三臺(tái)階弧形導(dǎo)坑開挖作為隧道施工的基礎(chǔ)，在對(duì)各臺(tái)階核心土保留的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)開挖斷面的穩(wěn)定提升，同時(shí)采用多個(gè)開挖面開展縱向流水作業(yè)，靈活進(jìn)行作業(yè)工序轉(zhuǎn)換，以確保隧道開挖施工的工作效率。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)預(yù)留臨時(shí)仰拱以促進(jìn)隧道開挖施工的推進(jìn)，在“短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、強(qiáng)支撐、勤測(cè)量”施工原則指導(dǎo)下，避免隧道開挖施工中坍塌的發(fā)生，以確保整個(gè)隧道開挖施工的進(jìn)度和安全。

2.4 鉆孔排水

在對(duì)公路隧道施工時(shí)，若某地段存在松散破碎地質(zhì)和流沙地質(zhì)，含水量較大，地質(zhì)結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，選用鉆孔排水法來(lái)對(duì)該段地質(zhì)進(jìn)行處理，起到良好的排水加固效果。相關(guān)工作人員須結(jié)合實(shí)際情況合理確定孔位和孔數(shù)，保證鉆孔位置適宜，排水孔數(shù)量適當(dāng)。施工過(guò)程中，相關(guān)工作人員可找到洞內(nèi)出水量較大的點(diǎn)，準(zhǔn)確定位后，在進(jìn)行仰拱施工時(shí)預(yù)留出涌水管至洞內(nèi)仰拱面。此外，在一些公路隧道施工中，還可根據(jù)工程實(shí)際情況，組織相關(guān)技術(shù)人員根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙以及公路隧道地下水變化情況，向溝槽內(nèi)填入碎卵石，在橫向溝槽內(nèi)設(shè)置集水井，以此提高工程基礎(chǔ)部位的整體承載力，增強(qiáng)工程施工效果[4]。

3 實(shí)例分析

近年來(lái)，針對(duì)復(fù)雜、多變、危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)的地質(zhì)條件，公路隧道開挖施工難度大，可在施工前采用數(shù)值模擬分析，確定合理的施工技術(shù)。

3.1 隧道模型

某公路隧道主洞的開挖施工方法模型如圖1所示。

圖1 各開挖施工方法模型圖

3.2 參數(shù)分析

圖2與圖3所示為公路隧道全斷面法與正臺(tái)階法開挖的三維建模示意圖。表1為在不同臺(tái)階長(zhǎng)度下開挖的數(shù)據(jù)對(duì)比分析表，圖4為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖。

表1 不同臺(tái)階長(zhǎng)度下開挖數(shù)據(jù)對(duì)比分析表

圖2 全斷面法開挖三維建模

圖3 正臺(tái)階法開挖三維建模

圖4 不同臺(tái)階長(zhǎng)度下開挖數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖

運(yùn)用全斷面法開挖的隧道掌子面拱頂下沉3.12 mm，根據(jù)表1和圖4顯示，正臺(tái)階法相比全斷面法拱頂下沉減少率最大為12.27%，因此，正臺(tái)階法對(duì)隧道掌子面的拱頂下沉影響不大。掌子面水平位移5.23 mm，當(dāng)臺(tái)階長(zhǎng)度為D時(shí)，水平位移減少率最大為26.2%，說(shuō)明正臺(tái)階法對(duì)隧道掌子面的水平位移影響比較大，臺(tái)階長(zhǎng)度越長(zhǎng)影響越大，因此建議將臺(tái)階長(zhǎng)度定為D。

圖5為公路隧道環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖的三維建模示意圖。表2為在不同核心土長(zhǎng)度下開挖的數(shù)據(jù)對(duì)比分析表，圖6為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖。

圖5 環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖三維建模

表2 不同核心土長(zhǎng)度下開挖數(shù)據(jù)對(duì)比分析表

運(yùn)用全斷面法開挖的隧道掌子面拱頂下沉3.12 mm，根據(jù)表2和圖6顯示，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法相比全斷面法拱頂下沉減少率最大為25.2%，因此，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對(duì)隧道掌子面的拱頂下沉影響較大。掌子面水平位移5.23 mm，當(dāng)核心土長(zhǎng)度為D時(shí)，水平位移減少率最大為59.9%，說(shuō)明環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對(duì)隧道掌子面的水平位移影響比較大，但在核心土長(zhǎng)度大于0.75D時(shí)，影響基本保持不變，因此建議將核心土長(zhǎng)度定為0.75D。

圖6 不同核心土長(zhǎng)度下開挖數(shù)據(jù)對(duì)比分析圖

在該復(fù)雜地質(zhì)條件下的公路隧道施工中，相關(guān)技術(shù)人員需根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，將經(jīng)驗(yàn)與數(shù)值模擬的計(jì)算方法結(jié)合起來(lái)，做好復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道開挖施工，從而保障公路隧道施工的質(zhì)量與安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道開挖施工具有一定難度，施工質(zhì)量與安全性難以保障。為此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行公路隧道開挖施工時(shí)，相關(guān)單位與工作人員應(yīng)先做好地質(zhì)勘查工作，通過(guò)勘查全面了解施工區(qū)域的地質(zhì)條件，在此基礎(chǔ)上選用合理的施工技術(shù)，從而保障公路隧道施工的質(zhì)量與安全。