復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道施工技術(shù)研究

文／馬強 中鐵隧道集團一處有限公司 重慶 401123

引言：

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展與建造技術(shù)的不斷進步，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的隧道建造模式獲得了更新發(fā)展，針對長度較大、分布范圍較廣的工程隧道，可采用先進的安全施工模式，根據(jù)圍巖的硬度、承載力、強度選擇較為合理的施工方式，在了解施工方案中技術(shù)要求的前提下，消除導(dǎo)致安全事故的不可控風(fēng)險因素，組織不間斷的動態(tài)監(jiān)測活動，針對施工過程中出現(xiàn)的特殊地質(zhì)現(xiàn)象進行及時處理，保證施工活動的安全性。

1、在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下合理利用隧道施工技術(shù)的必要性

在現(xiàn)代道路工程建設(shè)中，施工地點經(jīng)常會選在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、受到環(huán)境因素影響的特殊地段，部分隧道工程所處地點地質(zhì)環(huán)境缺乏穩(wěn)定性，可能會出現(xiàn)巖層垮塌、滲漏、下陷等問題，嚴重影響建設(shè)隊伍正常施工。在開挖隧道、推進工程建設(shè)進程中，施工隊伍可隨時評估隧道周邊巖層與地基的穩(wěn)固性，在板塊運動活躍地帶，巖石脆弱層的覆蓋面積較廣，雨水可沿著巖層中的裂縫流入隧道中侵蝕各類機械設(shè)備與材料，在特殊情況下還會導(dǎo)致較為嚴重的次生災(zāi)害與安全問題，使得隧道工程施工效率與速度不斷下降，損害參建技術(shù)人員的生命安全。在現(xiàn)代隧道工程建設(shè)中，各類無法提前探測的特殊地質(zhì)環(huán)境會給施工帶來負面影響，阻礙機械設(shè)備的運輸與正常使用，施工單位必須臨時調(diào)整隧道建造計劃，臨時調(diào)配技術(shù)人員清理意外發(fā)現(xiàn)的地下洞穴、溶洞、巖石滲水層，并預(yù)測隧道開挖路徑是否和周邊城鎮(zhèn)地下燃氣管道、排水管道網(wǎng)絡(luò)重復(fù)，盡可能地繞開地基開挖較深的地面建筑物，合理應(yīng)用常用的隧道施工技術(shù)與探測設(shè)備，應(yīng)對不同類型的地質(zhì)災(zāi)害與突發(fā)情況，提升對施工質(zhì)量、建造速度的要求，使得施工隊伍快速適應(yīng)高溫、高壓、路況復(fù)雜的工程建設(shè)環(huán)境，降低瓦斯爆炸、巖層垮塌、地基下陷等特殊工程事故的發(fā)生幾率，全面提升隧道建設(shè)工程的綜合效益。隧道施工是新時代公路、鐵路等交通工程建設(shè)活動中常見的建造項目，通過批量建造長度較短、連接多個交通路線的大型隧道，可起到縮短公路、鐵路線路間距，提升交通網(wǎng)絡(luò)貨運效率的作用，縮小施工活動的原材料、資金消耗量，推動交通運輸業(yè)的發(fā)展。

2、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工技術(shù)的應(yīng)用要點與原則研究

2.1 基于具體情況調(diào)整建造計劃

步入新世紀以來，我國隧道建設(shè)技術(shù)逐步趨于成熟，應(yīng)用范圍不斷擴大，然而我國國土面積廣闊，交通工程多選擇在環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)、河谷區(qū)建造連接多條公路的山體隧道與地下隧道，在不穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境下開展大型隧道建設(shè)活動的難度較高，蘊含著一定危險性，例如部分山區(qū)的土質(zhì)松軟，容易在暴雨天氣下受到山洪沖刷流入已建成的隧道中，堵塞排污管道、導(dǎo)水渠，使得隧道中的積水無法及時排出，影響正常施工，一部分隧道施工地點屬于典型的喀斯特地貌，巖溶洞數(shù)量較多，巖層受到地下水侵蝕，無法承受過大壓力，發(fā)生山體垮塌、地基瓦解等問題的幾率較高。針對以上情況，施工人員必須組織開展地質(zhì)環(huán)境檢測，勘測隧道施工地點周邊巖層的承載力與牢固性，使用重量較輕、便于轉(zhuǎn)運的簡易機械設(shè)備與工具，降低建設(shè)難度，基于實際情況不斷調(diào)整施工技術(shù)應(yīng)用路徑，消除不確定因素，在組織施工時考慮到多個方面的問題，如人為因素、地理因素、管理因素等，吸納其他施工隊伍在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下積累的施工經(jīng)驗，有效推行施工計劃，定期對下一階段的隧道施工方案進行修改，評估隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力情況，保證不同高度、各個層次工程材料受力的均勻性，避免因材料受力不均勻而形成較大規(guī)模的裂縫。

2.2 保證巖層穩(wěn)定，評估地質(zhì)環(huán)境變化趨勢

大規(guī)模隧道施工會嚴重影響巖層穩(wěn)定性，容易導(dǎo)致山體滑坡、巖層沉降等問題，改變地質(zhì)環(huán)境，因此為降低隧道施工復(fù)雜性，施工隊伍應(yīng)當(dāng)提前做好工程設(shè)計，選擇建造速度快、不會對周邊地質(zhì)環(huán)境造成不可修復(fù)損害的建造方法，每隔一周到半個月組織一次地質(zhì)環(huán)境檢測，評估隧道內(nèi)部圍巖的強度與地下水水位，例如在處于斷層帶、溶洞等特殊地質(zhì)環(huán)境下的隧道中，安全事故發(fā)生幾率較高，施工隊伍應(yīng)基于調(diào)查研究結(jié)果撰寫工程質(zhì)量報告，評估水文條件、地質(zhì)條件變化的整體趨向與走勢，針對可能發(fā)生的地質(zhì)問題制定預(yù)案，在發(fā)生事故時第一時間加以解決，預(yù)測大規(guī)模巖石變動，提升隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證在限期內(nèi)完成施工。

3、復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)應(yīng)用模式的缺陷分析

3.1 施工技術(shù)應(yīng)用缺乏精確性、合理性

特殊地質(zhì)條件下的大規(guī)模隧道施工活動對施工質(zhì)量、建造工藝提出了嚴格要求，傳統(tǒng)建造方法逐步被淘汰，新技術(shù)、新方法開始被引進交通建筑業(yè)中，然而部分施工隊伍依然慣于使用上個時代的落后建造技術(shù)，施工理念未能獲得更新，導(dǎo)致工程建造項目進度落后，誘發(fā)不同類型的安全事故。例如個別施工單位習(xí)慣于讓一線技術(shù)工人使用老舊掘進設(shè)備與手工工具進行施工，過度重視施工效率與速度，在未經(jīng)勘探的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中大量使用炸藥清除阻礙施工的巖溶洞、鐘乳石，不同環(huán)節(jié)的施工未能做好無縫銜接。一部分施工單位為盡可能地壓低工程建造成本，不重視職業(yè)培訓(xùn)與施工技術(shù)普及活動，并未組織針對施工現(xiàn)場周邊地質(zhì)環(huán)境的勘測與調(diào)查，在工程設(shè)備、技術(shù)人員儲備等不同方面的準備嚴重缺乏[1]。

3.2 施工人員未能合理運用相關(guān)技術(shù)

由于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中各類地理條件的變化速度較快，環(huán)境勘測頻率較低，因此對施工人員對隧道施工技術(shù)的熟悉度、專業(yè)建造能力提出了較高要求。負責(zé)隧道施工建造工作的技術(shù)人員必須掌握高層次理論知識與實踐技能，能夠快速識別體現(xiàn)地質(zhì)條件變化的各類因素，如溶洞滲水、圍巖產(chǎn)生縫隙等，將環(huán)境特征與地質(zhì)條件變化趨勢對應(yīng)起來，主動結(jié)合施工計劃，人為地干預(yù)環(huán)境變化進程，優(yōu)化調(diào)整施工方案。部分參與隧道建設(shè)的技術(shù)人員未能掌握相關(guān)領(lǐng)域的地質(zhì)知識，無法在實踐中認識到地質(zhì)環(huán)境的變化，未能及時根據(jù)具體情況選擇可用的施工技術(shù)，造成施工技術(shù)不匹配建造環(huán)境的復(fù)雜問題，對地質(zhì)環(huán)境條件變化導(dǎo)致的突發(fā)性事故缺乏應(yīng)急反應(yīng)能力，難以調(diào)控客觀存在的不可控因素，使得意外事故阻礙了隧道建設(shè)工程的正常開展[2]。施工人員可淘汰傳統(tǒng)的爆破施工法，引入較為先進、副作用較小的挖掘機施工法，并主動使用高科技設(shè)備進行輔助勘測作業(yè)，完善具體操作流程，基于實際情況篩選出與隧道建設(shè)活動相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)，如地下水水位、巖層密度等，明確施工要點與環(huán)境控制關(guān)鍵點，使得一線施工人員獲得必要的技術(shù)指導(dǎo)與建議，進一步落實施工計劃。

4、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下常用隧道建造技術(shù)的主要類型、應(yīng)用方式

4.1 淺埋偏壓地段施工技術(shù)

淺埋偏壓地段巖層密度較低，土質(zhì)較為松軟，容易發(fā)生滲水、漏漿等問題，地質(zhì)環(huán)境的變化性較大，每隔三到六個月會發(fā)生一次巖層下陷，在這一地質(zhì)條件下，時間跨度較大的隧道施工活動必須進行周密計劃，預(yù)測從開工建造后一年內(nèi)地質(zhì)環(huán)境的變化趨勢，根據(jù)具體施工情況，制定在淺埋偏壓地段施工的整體方案，在已建成隧道尚未因巖層下陷而發(fā)生垮塌事故之前，強化巖層與土壤的支撐力，削弱結(jié)構(gòu)應(yīng)力與重力，保障隧道內(nèi)施工人員的人身安全，改善周邊自然環(huán)境。在施工過程中，建設(shè)人員必須全面評估此類復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境給建造活動帶來的負面影響，采取措施重點強化隧道入口、出口出圍巖的承載力與結(jié)構(gòu)硬度，避免不穩(wěn)定因素干擾正常施工建設(shè)，消除影響范圍較大的質(zhì)量問題，進行超前支護，合理運用超大管棚支護技術(shù)，為后期的注漿、填埋集料等活動提供一個穩(wěn)定環(huán)境。在完成初步的爆破清障作業(yè)后，一線施工人員可使用鋼筋架、錨桿、鋼絲護欄等設(shè)備拼裝一個簡易支護護欄，并通過不斷調(diào)整支護與集料填埋點的距離，為正常施工提供便利。技術(shù)人員還可使用鋼制基底強化支護設(shè)施的穩(wěn)定性，為其添加可調(diào)式鋼制鎖腳設(shè)備，構(gòu)建較為穩(wěn)定、安全的受力體系。施工人員必須掌握每一種特殊地質(zhì)環(huán)境中自然因素的變化情況，使用科學(xué)、合理的施工技術(shù)，對施工地段的巖層進行全面加固，并使用小型振搗設(shè)備壓實疏松、容易發(fā)生滲漏的土層，提升土質(zhì)的堅實度，為隧道內(nèi)部施工活動提供安全、寬松的環(huán)境，避免出現(xiàn)返工、施工中斷等問題[3]。例如在長期開采地下礦產(chǎn)的礦區(qū)進行隧道施工時，這一地段具備典型的淺埋偏壓特征，技術(shù)人員必須提前組織環(huán)境勘測活動，檢測破碎巖層的承載力、砂石密度，采取合理建設(shè)措施，使用機械設(shè)備夯實地基，使用鋼結(jié)構(gòu)錨桿支撐隧道內(nèi)壁容易脫落、下陷的巖層，提升這一地段頂部巖石結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，保證施工安全。

4.2 地質(zhì)預(yù)報技術(shù)與勘測科技

部分隧道施工地點的地質(zhì)環(huán)境具備復(fù)雜性、變動性，容易受到天氣、板塊運動、人類活動的影響，出現(xiàn)無法預(yù)料的意外狀況，如山體滑坡、巖層下陷、基巖侵蝕等，為提升施工效率，規(guī)避潛在風(fēng)險，施工單位可合理運用遠期地質(zhì)預(yù)報科技，在施工現(xiàn)場采集地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)，使用多種類型的技術(shù)設(shè)備，如紅外線探測器、激光測距儀、衛(wèi)星定位設(shè)備、地質(zhì)雷達等，對不同位置的巖層進行探測處理，評估圍巖與隧道內(nèi)壁巖層、底部地基的穩(wěn)固性。技術(shù)人員還可使用鉆探深度較大的小型地質(zhì)鉆機采集巖層樣本或氣體樣本，在隧道中段對地質(zhì)環(huán)境進行檢測，發(fā)現(xiàn)潛藏在巖層之間的瓦斯與各類有害氣體，針對可能出現(xiàn)的瓦斯泄露、隧道滲水、巖石脫落破碎等事故進行預(yù)警，做出精確、可靠的預(yù)報，將意外事故造成的經(jīng)濟損失、人力損失控制在較低水平。在開挖隧道48小時后，每隔一到兩周進行一次全面地質(zhì)檢測，并在計算機中建立立體化數(shù)字模型，使用水平儀、水準尺對拱頂?shù)某两稻嚯x、地基傾斜度進行測量，并將鋼結(jié)構(gòu)的觀測柱邁入已建成隧道的表面，定期上報其所獲取的各類數(shù)據(jù)，保證隧道圍巖厚度超過4厘米，在巖層發(fā)生移動、破碎、沉降時及時發(fā)出預(yù)警，提升隧道施工的安全性。

4.3 隧道內(nèi)壁變形調(diào)控技術(shù)

由于部分隧道選址地點附近存在覆蓋范圍較大的軟性砂巖與泥巖，因此容易出現(xiàn)隧道內(nèi)壁軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致巖層因穩(wěn)固性不足、支撐力下降而塌陷，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到地質(zhì)環(huán)境影響而失去穩(wěn)固性。施工單位可采取合理措施，強化存在形變趨勢的隧道的穩(wěn)固性，定期組織檢測活動，找出承載力不足、容易發(fā)生下陷或崩解的地段，讓參與施工的一線技術(shù)人員以目測形式觀察隧道內(nèi)壁是否存在變形或凸起、下陷等狀況，并及時采取措施進行補救[4]。例如在發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)壁產(chǎn)生形變時，可使用便于回收、結(jié)構(gòu)強度較高的鋼制錨桿在隧道中架設(shè)鋼筋網(wǎng)，并在變形地點表層涂抹大量混凝土，以此抑制變形趨勢，阻礙巖層塌方，并組織每天4到5次的觀測，及時發(fā)現(xiàn)巖層向下滑動的征兆，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整施工計劃，減少爆破活動中所用炸藥的數(shù)量，采用較為合理的隔孔填藥機制，預(yù)防可能出現(xiàn)的巖層塌方問題[5]。在開挖隧道過程中，施工單位可使用鉆巖車等機械化設(shè)備，減少人力資源用量，控制在特殊地段施工的安全操作風(fēng)險，通過及時調(diào)整各項操作規(guī)范，依據(jù)現(xiàn)有的隧道工程要點確定影響要素，以期降低地質(zhì)災(zāi)害對施工的不利影響。

4.4 軟弱圍巖施工技術(shù)

新時代的隧道工程建造人員必須把握基本地質(zhì)工程學(xué)原理，在修建承載力較弱、容易發(fā)生意外事故的圍巖隧道時，克服自然因素的影響，選擇副作用較小的隧道開發(fā)方法，預(yù)測在開挖過程中巖層的形變程度與移動范圍，淘汰傳統(tǒng)的全面開挖法，采用影響范圍較小、可靈活調(diào)節(jié)的分階段開挖法，在挖掘隧道時不斷評估周邊基巖與圍巖所承受壓力的大小，在保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，預(yù)防可能出現(xiàn)的巖層沉降問題發(fā)生，并根據(jù)巖層密度、重量、體積等因素，調(diào)整開挖方向，在左右方向同時進行從表層到中心的挖掘活動，做好配套的測量與核查工作，減少施工活動對圍巖造成的負面影響，挖掘出具備規(guī)則性、空間面積適當(dāng)?shù)乃淼?，基于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準調(diào)整襯砌的整體厚度與覆蓋面積。在軟弱圍巖隧道施工活動中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)壁產(chǎn)生大量裂縫，圍巖強度不高，受到施工活動震動影響，表層巖石容易發(fā)生松動并產(chǎn)生較長的裂縫，嚴重影響正常施工活動的開展。施工單位必須把握圍巖裂縫與落石產(chǎn)生的根本原因，采取措施調(diào)整隧道內(nèi)部空間的溫度、濕度，使用具備更強支撐力的鋼筋材料，有效預(yù)防軟弱基巖裂縫問題的發(fā)生，保證施工原材料滿足具體情況，避免隧道變形、沉降等問題產(chǎn)生[6]。施工人員應(yīng)當(dāng)組織小規(guī)模的混凝土配比調(diào)制實驗活動，評估隧道內(nèi)壁混凝土材料在封閉空間中存在的收縮性變量大小，預(yù)防可能出現(xiàn)的裂縫、墻體脫落等問題，控制未干混凝土的濕度、溫度，并在隧道內(nèi)部安裝多個輕質(zhì)防水板，針對裂縫滲漏的地下水與雨水進行整治，解決隧道工程中局部存在的滲流問題。施工單位應(yīng)當(dāng)明確目標(biāo)地段圍巖隧道的最大荷載量，避免出現(xiàn)實際荷載量超過結(jié)構(gòu)承受能力的意外情況，并基于實際情況調(diào)整隧道襯砌結(jié)構(gòu)種類與尺寸，突出施工活動的合理性，由此規(guī)范隧道襯砌結(jié)構(gòu)的勞動定額與消耗標(biāo)準。

結(jié)語：

現(xiàn)代隧道施工工程的建造質(zhì)量、施工速度決定了交通事業(yè)能否獲得快速發(fā)展，步入新時期以來，我國隧道建造工程的規(guī)模不斷增加，大量交通線延伸到西南、西北邊遠地區(qū)，一部分隧道建設(shè)地點的地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，容易受到外部自然因素影響，發(fā)生大量危害性較大的地質(zhì)災(zāi)害。為提升隧道施工質(zhì)量水平，施工單位必須組織好超前地質(zhì)環(huán)境勘測活動，搜集相關(guān)數(shù)據(jù)與同行業(yè)施工技術(shù)資料，在把握具體情況的基礎(chǔ)上調(diào)整施工方案，明確地質(zhì)環(huán)境的變化趨勢，嚴格控制不同環(huán)節(jié)施工的實際質(zhì)量，快速完成隧道建造與后期維護工作。