復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)研究

蘇敬鋒

廣州市市政集團有限公司工程總承包分公司 廣東 廣州 510000

在過去的幾十年里，隧道施工技術(shù)取得了顯著的進步，但在復雜地形地質(zhì)條件下，仍然面臨許多技術(shù)難題。如何在這些復雜條件下保障隧道施工的質(zhì)量、效率和安全，成為了工程界和學術(shù)界關(guān)注的焦點。同時，隧道工程對周邊環(huán)境和地下資源的影響也引起了越來越多的關(guān)注，如何實現(xiàn)隧道施工的可持續(xù)發(fā)展，也成為了研究的重要課題。針對這些問題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量研究，提出了許多有針對性的解決方案[1]。然而，由于地形地質(zhì)條件的多樣性和不確定性，以及技術(shù)和設(shè)備的局限性，目前尚未形成一套完善的理論體系和實踐方法。因此，在復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)的研究仍具有重要的理論價值和實際意義。本文將對復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，旨在為工程實踐提供理論指導和技術(shù)支持。

1 地質(zhì)條件對隧道施工的影響

1.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

隧道施工過程中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響隧道工程安全與施工難度的重要因素。地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要包括構(gòu)造斷層、巖層厚度、巖層傾角、巖層間的接觸關(guān)系等特征。構(gòu)造斷層是指巖石受到內(nèi)外力作用產(chǎn)生的斷裂帶，斷層兩側(cè)的巖石產(chǎn)生相對位移。在隧道施工過程中，斷層帶容易導致地質(zhì)條件的不穩(wěn)定，增加施工難度和風險。特別是活動斷層，可能引發(fā)地震，對施工和隧道的安全性產(chǎn)生極大影響。巖層厚度是指巖石地層在地球表面上的橫向延伸范圍，巖層厚度的大小直接影響隧道開挖時的圍巖穩(wěn)定性。巖層厚度較小的地層，施工時需特別注意支護設(shè)計和開挖速度，以防止圍巖塌陷。相反，巖層厚度較大的地層，圍巖穩(wěn)定性較好，但需要針對不同巖性進行合理的施工方法選擇。巖層傾角是指巖石地層在地球表面上的傾斜程度。傾角的大小直接影響著隧道施工過程中的圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。一般來說，傾角較小的巖層更容易出現(xiàn)圍巖變形和破碎，對施工造成一定困擾；而傾角較大的巖層，圍巖變形較小，但施工過程中需要注意地下水的滲透風險。巖層間的接觸關(guān)系是指不同巖層之間的接觸面。接觸關(guān)系的不同會影響隧道開挖時的圍巖穩(wěn)定性和施工難度[2]。例如，不整合接觸關(guān)系的巖層，由于構(gòu)造作用產(chǎn)生了巖層的錯動，容易引發(fā)圍巖的破碎和變形；而整合接觸關(guān)系的巖層，巖石之間的接觸較為牢固，圍巖的穩(wěn)定性較好。

1.2 巖性特征

巖性特征是指巖石的物理、化學和力學性質(zhì)，如巖石密度、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、滲透系數(shù)等。巖性特征對隧道施工具有顯著影響，主要體現(xiàn)在開挖難度、圍巖穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工風險等方面。不同巖性的巖石，其開挖難度各異。例如，軟巖（如泥巖、粉砂巖等）的開挖較為容易，但容易發(fā)生圍巖變形和破碎；硬巖（如花崗巖、玄武巖等）的開挖難度較大，需要采用較高強度的爆破或機械鑿巖方式，但圍巖穩(wěn)定性較好。巖性特征還影響隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計。軟巖地層中的圍巖抗壓強度較低，需要采用較為嚴密的支護結(jié)構(gòu)，如鋼筋混凝土襯砌、錨噴支護等；硬巖地層中的圍巖抗壓強度較高，可以采用較為簡單的支護結(jié)構(gòu)，如巖棉板支護、鋼拱架支護等。巖性特征對隧道施工風險的影響主要體現(xiàn)在地下水滲透、突泥災害等方面。一般來說，巖性較差、滲透性強的巖石容易導致地下水滲透，增加隧道施工的風險；同時，地下水亦可能導致突泥災害，影響施工安全和進度。

1.3 地下水

地下水在隧道施工過程中具有重要影響，主要表現(xiàn)在圍巖穩(wěn)定性、施工方法的選擇、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工安全與風險控制等方面。首先，地下水會影響圍巖的穩(wěn)定性。地下水在巖石裂隙中流動，可能導致巖石破碎、顆粒堵塞裂隙，從而引發(fā)圍巖的變形和破碎。此外，地下水還可能改變巖石的力學性質(zhì)，如抗壓強度、抗剪強度等，進一步影響隧道的穩(wěn)定性。其次，地下水對施工方法的選擇具有一定影響。在地下水條件復雜的地區(qū)，常需采用具有良好抗?jié)B能力的施工方法，如盾構(gòu)法、凍結(jié)法等。同時，地下水亦可能對施工速度和效率產(chǎn)生影響，因此需要針對不同地下水條件選擇合適的施工方法[3]。再次，地下水會影響支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在地下水條件較差的地段，需要采用具有較強防水性能的支護結(jié)構(gòu)，如密封式鋼筋混凝土襯砌、預應力錨噴支護等。此外，地下水還可能導致支護結(jié)構(gòu)腐蝕、混凝土碳化等問題，因此需要在設(shè)計中充分考慮地下水的影響。

1.4 地質(zhì)應力

地質(zhì)應力是指地球內(nèi)部的巖石受到的應力作用，包括地殼應力、構(gòu)造應力等。地質(zhì)應力對隧道施工具有顯著影響，主要體現(xiàn)在圍巖穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工方法選擇以及施工安全與風險控制等方面。首先，地質(zhì)應力對圍巖穩(wěn)定性具有重要影響。較高的地質(zhì)應力可能導致巖石的破碎、變形和開裂等現(xiàn)象，從而影響隧道圍巖的穩(wěn)定性。在地質(zhì)應力較大的地區(qū)，需要加強對圍巖的監(jiān)測和控制，以確保隧道施工的安全。其次，地質(zhì)應力會影響支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在地質(zhì)應力較大的地段，需要設(shè)計更為堅固、能承受較高應力的支護結(jié)構(gòu)，如鋼筋混凝土襯砌、預應力錨噴支護等。同時，設(shè)計時還需考慮支護結(jié)構(gòu)在受力后的變形與破壞模式，以便于及時采取應對措施。再次，地質(zhì)應力對施工方法的選擇具有一定影響。在地質(zhì)應力較大的地區(qū)，需要采用能夠適應高應力環(huán)境的施工方法，如新奧斯陸法、盾構(gòu)法等。

2 施工方法與技術(shù)

2.1 盾構(gòu)法

盾構(gòu)法適用于復雜地形地質(zhì)條件下的隧道建設(shè)，該方法采用盾構(gòu)機對隧道圍巖進行開挖，并在開挖過程中同步安裝鋼筋混凝土管片或其他支護結(jié)構(gòu)，以確保隧道圍巖的穩(wěn)定性。盾構(gòu)法具有施工速度快、對地表影響小、環(huán)境污染低等優(yōu)點，適用于城市地下交通、水利水電等領(lǐng)域的隧道建設(shè)。盾構(gòu)法可以分為土壓平衡盾構(gòu)法（EPB）、泥水盾構(gòu)法（SLURRY）、硬巖盾構(gòu)法（HR）等類型。土壓平衡盾構(gòu)法適用于粘性土、砂土等地層，通過維持開挖面的土壓來確保圍巖穩(wěn)定；泥水盾構(gòu)法適用于含水量較高的地層，采用泥漿對圍巖施加壓力，防止地下水滲透和圍巖變形；硬巖盾構(gòu)法適用于硬巖地層，采用刀盤對巖石進行開挖，具有較高的施工效率[4]。

2.2 雙層壁導坑法

雙層壁導坑法是一種適用于復雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工方法，主要用于地下水豐富、軟弱地層或地表建筑物較密集的區(qū)域。該方法通過在隧道開挖范圍內(nèi)先行設(shè)置雙層壁結(jié)構(gòu)，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定性和施工安全。雙層壁導坑法的施工過程如下：首先，沿隧道軸線設(shè)立鉆孔，并在鉆孔內(nèi)設(shè)置鋼筋籠。然后，將混凝土灌注至鉆孔內(nèi)，形成雙層壁結(jié)構(gòu)。雙層壁結(jié)構(gòu)包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層通常為鋼筋混凝土，以保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；外層則為灌注土，以減小內(nèi)層結(jié)構(gòu)受力。最后，在雙層壁結(jié)構(gòu)內(nèi)進行隧道開挖，并根據(jù)實際情況設(shè)置支護結(jié)構(gòu)。雙層壁導坑法能夠有效防止地下水滲透，減小隧道施工對周圍環(huán)境的影響；提高施工安全，降低隧道坍塌的風險；減少地表沉降，保護地表建筑物的安全。然而，雙層壁導坑法的施工難度較大，需要較高的技術(shù)水平和嚴密的施工管理。

圖1 雙層壁導坑法

2.3 新奧斯陸法

新奧斯陸法（New Austrian Tunneling Method，簡稱NATM）是一種適用于復雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工方法。新奧斯陸法充分利用圍巖自身的支承能力，結(jié)合噴錨、支護結(jié)構(gòu)及預應力技術(shù)進行隧道開挖與支護，降低施工成本且環(huán)境影響較小。新奧斯陸法的施工過程如下：首先，按照設(shè)計好的開挖斷面進行分段開挖，開挖過程中需密切監(jiān)測圍巖的變形與應力。其次，隨著開挖的進行，實時噴射混凝土并設(shè)置錨桿支護，以形成初期支護結(jié)構(gòu)。此外，根據(jù)圍巖條件和設(shè)計要求，可以采用預應力錨索、鋼拱架等輔助支護措施。最后，在初期支護結(jié)構(gòu)達到一定強度后，進行隧道襯砌施工。新奧斯陸法具有以下優(yōu)點：充分利用圍巖自身的支承能力，降低支護結(jié)構(gòu)的成本；施工過程中強調(diào)對圍巖的監(jiān)測和應力控制，提高隧道的穩(wěn)定性；適應性強，可根據(jù)實際地質(zhì)條件調(diào)整施工方案。然而，新奧斯陸法對施工技術(shù)要求較高，且施工過程中需密切監(jiān)測圍巖情況，以確保施工安全。

2.4 噴漿支護法

噴漿支護法是一種常用于復雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工方法，特點是將水泥漿液噴射到隧道圍巖表面，形成堅固的支護結(jié)構(gòu)。噴漿支護法具有施工速度快、適應性強、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，廣泛應用于隧道、地下洞室等工程建設(shè)。噴漿支護法的施工過程如下：首先，在隧道開挖過程中，對開挖面實施即時噴漿，形成初期支護結(jié)構(gòu)。噴漿材料通常為水泥漿液，還可加入速凝劑、纖維等材料以提高支護結(jié)構(gòu)的強度和耐久性。其次，根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計要求，設(shè)置錨桿、鋼拱架等輔助支護措施，進一步提高圍巖的穩(wěn)定性[5]。最后，在初期支護結(jié)構(gòu)達到一定強度后，進行隧道襯砌施工。噴漿支護法具有以下優(yōu)點：施工速度快，可實現(xiàn)隧道開挖與支護的同步進行；適應性強，可根據(jù)實際地質(zhì)條件調(diào)整噴漿材料和施工參數(shù)；經(jīng)濟效益好，噴漿材料成本較低，且施工過程中可減少浪費。然而，噴漿支護法對施工技術(shù)要求較高，噴漿過程中需嚴格控制噴射速度、壓力等參數(shù)，以確保支護結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

3 隧道施工安全與風險控制

3.1 風險評估與監(jiān)測

在復雜地形地質(zhì)條件下進行隧道施工，面臨諸多風險，如地下水滲透、地壓突變、圍巖不穩(wěn)定等。為確保施工安全，降低工程風險，必須對這些風險進行評估與監(jiān)測。在施工前應進行全面的風險評估，通過對地質(zhì)勘探資料、歷史地質(zhì)資料等進行分析，評估不同風險因素對隧道施工的影響程度，制定相應的風險防范措施。例如，根據(jù)地下水位和滲透系數(shù)預測地下水滲透風險，選擇合適的支護結(jié)構(gòu)和施工方法。在施工過程中實施持續(xù)監(jiān)測，通過安裝地質(zhì)雷達、應力計、位移計等儀器，實時監(jiān)測圍巖的變形、應力及水文條件的變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)可用于判斷隧道施工過程中潛在的風險，并采取相應措施進行調(diào)整。此外，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行風險預警與響應。對于可能發(fā)生的風險事件，提前設(shè)定預警閾值，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值，立即啟動應急響應措施。例如，當監(jiān)測到地下水位急劇上升時，可采取緊急抽水、加強支護結(jié)構(gòu)等措施，以確保施工安全。

3.2 突泥災害防治

突泥災害是復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工中常見的一種風險，主要表現(xiàn)為突然的泥水噴涌，可能導致隧道施工安全受到嚴重威脅。因此，針對突泥災害，制定有效的防治措施至關(guān)重要。在施工前期應充分了解地質(zhì)條件，預判可能發(fā)生突泥災害的區(qū)域。通過地質(zhì)勘探、鉆孔取樣等方式，獲取地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、地下水條件等信息，為制定防治措施提供依據(jù)。采用適當?shù)氖┕し椒ń档屯荒酁暮︼L險，例如選擇盾構(gòu)法或雙層壁導坑法等適用于軟弱地層和含水量較高地區(qū)的施工方法。同時，對于易發(fā)生突泥的區(qū)域，可采取局部地質(zhì)預報和加強支護結(jié)構(gòu)等措施。此外，加強現(xiàn)場監(jiān)測和預警系統(tǒng)建設(shè)。安裝地下水位觀測井、應力計等監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)控地下水位和圍巖應力變化，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。一旦監(jiān)測到突泥災害的跡象，立即啟動應急響應措施，如緊急抽水、封堵噴涌口等，以確保施工安全。

3.3 地下水泥漿噴射

地下水泥漿噴射法是一種應對復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工中地下水問題的有效方法，通過將水泥漿噴射到圍巖裂隙中，達到堵塞滲透路徑、降低地下水位、提高圍巖強度的目的，從而降低隧道施工中的水害風險。地下水泥漿噴射法的實施步驟如下：根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果和隧道施工設(shè)計，確定可能出現(xiàn)地下水問題的區(qū)域及噴射孔位；在指定位置鉆設(shè)噴射孔，根據(jù)地層特點和裂隙狀況選擇合適的噴射壓力、速度及噴射量；將水泥漿通過噴射設(shè)備噴射至裂隙中，以填充和封堵滲水通道，水泥漿可根據(jù)實際需求加入速凝劑、粘結(jié)劑等材料，以提高噴射效果和固結(jié)強度；對噴射效果進行監(jiān)測和評估。通過監(jiān)測設(shè)備如應力計、水位計等，觀察噴射后地下水位和圍巖應力的變化情況，以判斷噴射效果是否達到預期目標。

4 結(jié)語

本文針對復雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)進行了研究，分析了地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性特征、地下水和地質(zhì)應力等關(guān)鍵因素對隧道施工的影響。根據(jù)這些因素，探討了各種施工方法，如盾構(gòu)法、雙層壁導坑法、新奧斯陸法和噴漿支護法等，以及風險防治措施，如風險評估與監(jiān)測、突泥災害防治和地下水泥漿噴射法等。綜合考慮各種因素和施工方法，選擇適用于復雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)至關(guān)重要。同時，針對不同風險，實施相應的預防和應對措施，以保障施工安全和工程質(zhì)量。未來的研究可進一步深入探討各種施工方法在特定地質(zhì)條件下的優(yōu)劣及適用性，為隧道工程提供更為全面和有效的技術(shù)支持。