淺談公路隧道施工過(guò)程中的不良地質(zhì)災(zāi)害和應(yīng)對(duì)策略

趙俊華

（山西新三公路橋梁建設(shè)養(yǎng)護(hù)有限公司，山西 忻州 034000）

公路隧道一般具有斷面大、隧道長(zhǎng)以及地質(zhì)條件多樣等特點(diǎn)，在施工環(huán)節(jié)中容易引發(fā)一系列不良地質(zhì)災(zāi)害，造成施工進(jìn)度受到阻礙，甚至危及施工安全影響施工質(zhì)量。

1 公路隧道施工過(guò)程中不良地質(zhì)災(zāi)害的研究現(xiàn)狀

由于公路隧道施工存在復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性的特點(diǎn)，在隧道施工的過(guò)程中可能引發(fā)許多不良地質(zhì)災(zāi)害危及施工人員人身安全以及工程質(zhì)量。近年來(lái)一些隧道施工安全事故已經(jīng)引起了業(yè)界的高度重視，開(kāi)始了對(duì)隧道施工不良地質(zhì)災(zāi)害的研究，并取得了一定的成果。

世界上最早開(kāi)始隧道地質(zhì)災(zāi)害研究的國(guó)家是德國(guó)、日本以及瑞士等發(fā)達(dá)國(guó)家，在20世紀(jì)90年代提出了垂直地震剖面法（TVSP），在經(jīng)過(guò)許多隧道工程的地質(zhì)災(zāi)害分析預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用后，驗(yàn)證了該方法的可行性。到21世紀(jì)初，瑞士又提出了超前地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)TSP，在公路隧道施工中可以對(duì)施工面前方一定距離的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，為后續(xù)施工奠定基礎(chǔ)[1]。超前地質(zhì)預(yù)測(cè)具有三維立體、遠(yuǎn)距離探測(cè)以及高分辨率等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)隧道前方的巖體、溶洞以及水體等地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)測(cè)分析，在歐洲逐漸開(kāi)始普及并在世界范圍內(nèi)流行開(kāi)來(lái)。

我國(guó)對(duì)公路隧道施工過(guò)程中不良地質(zhì)災(zāi)害研究開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，但是真正在實(shí)際施工中進(jìn)行地質(zhì)預(yù)測(cè)是在20世紀(jì)70年代。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)在西康秦嶺隧道和大瑤山隧道等隧道工程中對(duì)不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了深入研究，取得了不小的成果，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。在經(jīng)過(guò)大量的研究工作后，我國(guó)也提出具有自身特色的不良地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)，并在以后的實(shí)際施工中得到了驗(yàn)證，比如圓梁山隧道、米花嶺隧道等[2]。雖然對(duì)不良地質(zhì)的預(yù)測(cè)成功率顯著提升，但是在實(shí)際施工中還是不斷發(fā)生施工安全事故，諸如涌水涌沙、泥石流以及塌方等安全事故，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，還需根據(jù)實(shí)際不斷加強(qiáng)公路隧道施工過(guò)程中的不良地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)以及制定合理的應(yīng)對(duì)策略，最大程度降低不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，保障施工安全。

2 公路隧道施工過(guò)程中存在不良地質(zhì)災(zāi)害

2.1 巖爆地質(zhì)災(zāi)害

巖爆是公路隧道施工中較為常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害[3]，在施工過(guò)程中，圍巖體受到應(yīng)力超過(guò)了巖體最大承受范圍從而導(dǎo)致巖體突然崩壞爆裂。在巖體爆裂過(guò)程中，巖體內(nèi)部的應(yīng)變能得到釋放。如果應(yīng)變能能量較小，那么只會(huì)引起輕微的巖體剝落；如果應(yīng)變能很大，則會(huì)產(chǎn)生彈射現(xiàn)象，甚至引發(fā)地震。巖爆危害巨大，會(huì)給隧道施工的工作面形成嚴(yán)重?fù)p壞，也會(huì)對(duì)施工人員、施工機(jī)械等造成重大傷害。可查的巖爆最早發(fā)生在20世紀(jì)50年代的美國(guó)紐約，我國(guó)巖爆最早發(fā)生在1993年的勝利煤礦。圖1為泥巴山隧道巖爆災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖1 泥巴山隧道巖爆災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 斷層地質(zhì)災(zāi)害

斷層也是公路隧道施工中較為普遍的一種地質(zhì)災(zāi)害，在隧道施工的工程中，地殼巖層在外部壓力作用下發(fā)生破裂，并且沿隧道破裂面產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)[4]。斷層也普遍存在于地下暗河和溶洞的地質(zhì)環(huán)境下，是引起塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害的原因之一。斷層地質(zhì)災(zāi)害在公路隧道施工中需要特別注意，因?yàn)閿鄬油峭话l(fā)性的，不像其他地質(zhì)災(zāi)害具有一個(gè)漸變過(guò)程，地質(zhì)預(yù)測(cè)很難對(duì)斷層進(jìn)行預(yù)測(cè)；不僅如此，斷層還會(huì)引起其他地質(zhì)災(zāi)害，若不提升斷層地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，則可能給公路隧道施工帶來(lái)巨大危害。圖2為斷層示意圖。

圖2 斷層示意圖

2.3 巖溶不良地質(zhì)災(zāi)害

巖溶地質(zhì)在我國(guó)分布廣泛，類(lèi)型眾多，幾乎匯集了所有類(lèi)型的巖溶地質(zhì)。在公路隧道施工過(guò)程中，如果遭遇巖溶地質(zhì)，則有很大機(jī)率引發(fā)涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。不僅如此，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，巖溶地質(zhì)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重形變，導(dǎo)致隧道發(fā)生落石、塌方和掉塊等問(wèn)題，危害施工人員和設(shè)備的安全。

2.4 黃土洞穴地質(zhì)災(zāi)害

公路隧道施工過(guò)程中遭遇的不良地質(zhì)還包括黃土陷穴和潛蝕洞穴，這兩者也是隧道施工中常見(jiàn)的不良地質(zhì)[5]。如果公路隧道施工經(jīng)過(guò)黃土洞穴的上部，極易引起隧道底部沉降，危機(jī)隧道路面安全；如果公路隧道施工經(jīng)過(guò)黃土洞穴下部，則又可能引起隧道出現(xiàn)冒頂事故；如果公路隧道施工從黃土洞穴旁邊經(jīng)過(guò)，則可能引起隧道兩側(cè)發(fā)生偏壓現(xiàn)象，而且可能發(fā)生涌水現(xiàn)象。總的來(lái)說(shuō)，黃土洞穴極易造成隧道塌方、路基沉降以及襯砌開(kāi)裂等問(wèn)題。

2.5 隧道施工經(jīng)過(guò)既有公路下方

公路隧道施工經(jīng)過(guò)既有公路下方的情況雖然不多，但是也確實(shí)存在。公路隧道施工經(jīng)過(guò)既有公路下方，不僅會(huì)對(duì)隧道施工帶來(lái)影響，也會(huì)危及既有公路的正常使用。一方面，隧道經(jīng)過(guò)既有公路下方，可能引起隧道出現(xiàn)冒頂事故；另一方面，隧道施工會(huì)加快既有公路的路基沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引起既有公路路基出現(xiàn)滑移，嚴(yán)重危及既有公路運(yùn)行安全。

3 公路隧道施工過(guò)程中不良地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)策略

3.1 巖爆應(yīng)對(duì)策略

應(yīng)對(duì)巖爆問(wèn)題，需要根據(jù)巖爆產(chǎn)生的基本原理，加固圍巖巖體，改善圍巖應(yīng)力條件。一般來(lái)說(shuō)，巖爆應(yīng)對(duì)策略可以從兩個(gè)方面進(jìn)行。第一，加固圍巖巖體，加固已經(jīng)開(kāi)挖的圍巖巖體和開(kāi)挖前方的圍巖巖體。加固方法可以采取常用的加固策略，諸如錨桿錨噴加固、鋼纖維噴混凝土加固以及鋼支撐加固等。第二，改善圍巖應(yīng)力條件。合理選擇隧道位置，最大程度保證圍巖主應(yīng)力方向和隧道軸線(xiàn)平行；選擇合理的隧道洞型；采取合理的巖體軟化手段，比如分層開(kāi)挖、高壓注水以及鉆孔泄壓等。此外，還應(yīng)該在施工環(huán)節(jié)設(shè)置一定的安全防護(hù)策略，諸如防護(hù)網(wǎng)和防護(hù)罩等，保證施工人員和設(shè)備的安全。

3.2 斷層應(yīng)對(duì)策略

由于斷層地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性和低預(yù)測(cè)性，目前尚無(wú)可行的應(yīng)對(duì)策略，只能努力提升斷層地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)確定，最大程度減小斷層對(duì)施工安全和進(jìn)度造成的影響。我國(guó)劉志剛教授根據(jù)相關(guān)斷層預(yù)測(cè)理論，提出了用于公路隧道斷層預(yù)測(cè)的LZG斷層預(yù)測(cè)公式，將格爾比爾理論所定義的斷層節(jié)理增加到了三帶或者四帶，根據(jù)每一節(jié)理帶的帶寬，預(yù)測(cè)斷層發(fā)育的位置，對(duì)斷層規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)。應(yīng)對(duì)斷層主要的方法還是在施工中避開(kāi)斷層活躍帶，或是進(jìn)行深挖路塹減小斷層造成的影響。

3.3 巖溶地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)策略

巖溶地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)對(duì)策略較多，根據(jù)溶洞位置及大小可以分為3個(gè)類(lèi)別。第一，回填處理法。這類(lèi)處理方法主要運(yùn)用于較小的溶洞，對(duì)處于隧道開(kāi)挖范圍之外或是隧道拱腰之上的溶洞十分適用。第二，跨越式處理法。這種方法主要是針對(duì)處于隧道下部或是基礎(chǔ)部位的大型溶洞，在選擇跨越結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)溶洞的實(shí)際情況，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。第三，無(wú)填充物處理法。無(wú)填充物主要是在溶洞內(nèi)部沒(méi)有填充物，該種方法主要運(yùn)用在隧道拱腰位置以上具有較大斷面的溶洞。

3.4 黃土洞穴地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)對(duì)策略

黃土洞穴主要會(huì)引起塌方、涌水等地質(zhì)災(zāi)害。處理黃土洞穴時(shí)，首先需要對(duì)地表洞穴進(jìn)行填土夯實(shí)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做好排水和防滲的相關(guān)保護(hù)策略。值得注意的是，在對(duì)黃土洞穴進(jìn)行處理的時(shí)候，需要明確黃土洞穴的位置、尺寸以及走向，對(duì)位置較淺的洞穴進(jìn)行填土夯實(shí)；對(duì)位置較深的洞穴進(jìn)行注漿加固。

3.5 隧道穿越應(yīng)對(duì)策略

對(duì)于隧道穿越這類(lèi)問(wèn)題，首先應(yīng)該對(duì)既有公路進(jìn)行加固處理，主要是對(duì)路基進(jìn)行加固，保證既有公路能夠維持原本的性能。常用的加固方案是大管棚加偏壓擋墻，管棚應(yīng)該嵌入山體之中，最小深度不得低于5 m；在管棚上還應(yīng)該留有直徑6～8 cm的梅花型鉆孔，間距保持在10 cm左右。在施工完成后需要往鋼管中灌注水泥漿，注漿壓力初始值應(yīng)該保持在0.5～1 MPa之間，最大壓力應(yīng)該保持在2～3 MPa之間。在注漿結(jié)束后，還需要把一定直徑的鋼筋籠放入鋼管內(nèi)，再用水泥砂漿填充，大幅提高鋼管的強(qiáng)度和剛度。偏壓擋墻一般是使用C30混凝土澆筑，擋墻應(yīng)該在穩(wěn)固的地基上進(jìn)行設(shè)置。穩(wěn)固的地基承載力應(yīng)該高于400 kPa，此外還需要豎向預(yù)埋砂漿錨桿，按照梅花狀進(jìn)行布置，錨桿入巖深度不得低于3 m，地面長(zhǎng)度不得低于1 m，錨桿直徑根據(jù)實(shí)際情況確定。

4 結(jié)語(yǔ)

公路建設(shè)關(guān)乎我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)整體發(fā)展，更關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)總體發(fā)展。隧道施工是公路工程的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，由于地質(zhì)多樣性給隧道施工帶來(lái)的不良地質(zhì)災(zāi)害不勝枚舉，在實(shí)際施工中，應(yīng)該清楚認(rèn)識(shí)各種不良地質(zhì)災(zāi)害，制定完善的應(yīng)對(duì)策略，確保隧道施工安全和質(zhì)量。