淺談公路隧道施工過程中的不良地質災害和應對策略

趙俊華

（山西新三公路橋梁建設養護有限公司，山西 忻州 034000）

公路隧道一般具有斷面大、隧道長以及地質條件多樣等特點，在施工環節中容易引發一系列不良地質災害，造成施工進度受到阻礙，甚至危及施工安全影響施工質量。

1 公路隧道施工過程中不良地質災害的研究現狀

由于公路隧道施工存在復雜性和不可預見性的特點，在隧道施工的過程中可能引發許多不良地質災害危及施工人員人身安全以及工程質量。近年來一些隧道施工安全事故已經引起了業界的高度重視，開始了對隧道施工不良地質災害的研究，并取得了一定的成果。

世界上最早開始隧道地質災害研究的國家是德國、日本以及瑞士等發達國家，在20世紀90年代提出了垂直地震剖面法（TVSP），在經過許多隧道工程的地質災害分析預測實際應用后，驗證了該方法的可行性。到21世紀初，瑞士又提出了超前地質預測技術TSP，在公路隧道施工中可以對施工面前方一定距離的地質環境進行預測分析，為后續施工奠定基礎[1]。超前地質預測具有三維立體、遠距離探測以及高分辨率等多項優勢，可以對隧道前方的巖體、溶洞以及水體等地質進行超前預測分析，在歐洲逐漸開始普及并在世界范圍內流行開來。

我國對公路隧道施工過程中不良地質災害研究開始于20世紀50年代，但是真正在實際施工中進行地質預測是在20世紀70年代。從20世紀80年代開始，我國在西康秦嶺隧道和大瑤山隧道等隧道工程中對不良地質災害進行了深入研究，取得了不小的成果，積累了豐富經驗。在經過大量的研究工作后，我國也提出具有自身特色的不良地質災害預測技術，并在以后的實際施工中得到了驗證，比如圓梁山隧道、米花嶺隧道等[2]。雖然對不良地質的預測成功率顯著提升，但是在實際施工中還是不斷發生施工安全事故，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濟損失。因此，還需根據實際不斷加強公路隧道施工過程中的不良地質災害預測以及制定合理的應對策略，最大程度降低不良地質災害發生，保障施工安全。

2 公路隧道施工過程中存在不良地質災害

2.1 巖爆地質災害

巖爆是公路隧道施工中較為常見的一種地質災害[3]，在施工過程中，圍巖體受到應力超過了巖體最大承受范圍從而導致巖體突然崩壞爆裂。在巖體爆裂過程中，巖體內部的應變能得到釋放。如果應變能能量較小，那么只會引起輕微的巖體剝落；如果應變能很大，則會產生彈射現象，甚至引發地震。巖爆危害巨大，會給隧道施工的工作面形成嚴重損壞，也會對施工人員、施工機械等造成重大傷害。可查的巖爆最早發生在20世紀50年代的美國紐約，我國巖爆最早發生在1993年的勝利煤礦。圖1為泥巴山隧道巖爆災害現場圖。

圖1 泥巴山隧道巖爆災害現場圖

2.2 斷層地質災害

斷層也是公路隧道施工中較為普遍的一種地質災害，在隧道施工的工程中，地殼巖層在外部壓力作用下發生破裂，并且沿隧道破裂面產生了相對移動[4]。斷層也普遍存在于地下暗河和溶洞的地質環境下，是引起塌方、涌水等地質災害的原因之一。斷層地質災害在公路隧道施工中需要特別注意，因為斷層往往是突發性的，不像其他地質災害具有一個漸變過程，地質預測很難對斷層進行預測；不僅如此，斷層還會引起其他地質災害，若不提升斷層地質災害的預測精準度，則可能給公路隧道施工帶來巨大危害。圖2為斷層示意圖。

圖2 斷層示意圖

2.3 巖溶不良地質災害

巖溶地質在我國分布廣泛，類型眾多，幾乎匯集了所有類型的巖溶地質。在公路隧道施工過程中，如果遭遇巖溶地質，則有很大機率引發涌水、突泥等地質災害。不僅如此，在隧道開挖過程中，巖溶地質會產生嚴重形變，導致隧道發生落石、塌方和掉塊等問題，危害施工人員和設備的安全。

2.4 黃土洞穴地質災害

公路隧道施工過程中遭遇的不良地質還包括黃土陷穴和潛蝕洞穴，這兩者也是隧道施工中常見的不良地質[5]。如果公路隧道施工經過黃土洞穴的上部，極易引起隧道底部沉降，危機隧道路面安全；如果公路隧道施工經過黃土洞穴下部，則又可能引起隧道出現冒頂事故；如果公路隧道施工從黃土洞穴旁邊經過，則可能引起隧道兩側發生偏壓現象，而且可能發生涌水現象。總的來說，黃土洞穴極易造成隧道塌方、路基沉降以及襯砌開裂等問題。

2.5 隧道施工經過既有公路下方

公路隧道施工經過既有公路下方的情況雖然不多，但是也確實存在。公路隧道施工經過既有公路下方，不僅會對隧道施工帶來影響，也會危及既有公路的正常使用。一方面，隧道經過既有公路下方，可能引起隧道出現冒頂事故；另一方面，隧道施工會加快既有公路的路基沉降，嚴重時甚至可能引起既有公路路基出現滑移，嚴重危及既有公路運行安全。

3 公路隧道施工過程中不良地質災害應對策略

3.1 巖爆應對策略

應對巖爆問題，需要根據巖爆產生的基本原理，加固圍巖巖體，改善圍巖應力條件。一般來說，巖爆應對策略可以從兩個方面進行。第一，加固圍巖巖體，加固已經開挖的圍巖巖體和開挖前方的圍巖巖體。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，改善圍巖應力條件。合理選擇隧道位置，最大程度保證圍巖主應力方向和隧道軸線平行；選擇合理的隧道洞型；采取合理的巖體軟化手段，比如分層開挖、高壓注水以及鉆孔泄壓等。此外，還應該在施工環節設置一定的安全防護策略，諸如防護網和防護罩等，保證施工人員和設備的安全。

3.2 斷層應對策略

由于斷層地質災害的突發性和低預測性，目前尚無可行的應對策略，只能努力提升斷層地質災害的預測確定，最大程度減小斷層對施工安全和進度造成的影響。我國劉志剛教授根據相關斷層預測理論，提出了用于公路隧道斷層預測的LZG斷層預測公式，將格爾比爾理論所定義的斷層節理增加到了三帶或者四帶，根據每一節理帶的帶寬，預測斷層發育的位置，對斷層規模進行預測。應對斷層主要的方法還是在施工中避開斷層活躍帶，或是進行深挖路塹減小斷層造成的影響。

3.3 巖溶地質災害應對策略

巖溶地質災害的應對策略較多，根據溶洞位置及大小可以分為3個類別。第一，回填處理法。這類處理方法主要運用于較小的溶洞，對處于隧道開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處于隧道下部或是基礎部位的大型溶洞，在選擇跨越結構時，需要根據溶洞的實際情況，在確保結構穩定性的基礎上進行選擇。第三，無填充物處理法。無填充物主要是在溶洞內部沒有填充物，該種方法主要運用在隧道拱腰位置以上具有較大斷面的溶洞。

3.4 黃土洞穴地質災害應對策略

黃土洞穴主要會引起塌方、涌水等地質災害。處理黃土洞穴時，首先需要對地表洞穴進行填土夯實，在此基礎上進一步做好排水和防滲的相關保護策略。值得注意的是，在對黃土洞穴進行處理的時候，需要明確黃土洞穴的位置、尺寸以及走向，對位置較淺的洞穴進行填土夯實；對位置較深的洞穴進行注漿加固。

3.5 隧道穿越應對策略

對于隧道穿越這類問題，首先應該對既有公路進行加固處理，主要是對路基進行加固，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，管棚應該嵌入山體之中，最小深度不得低于5 m；在管棚上還應該留有直徑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，注漿壓力初始值應該保持在0.5～1 MPa之間，最大壓力應該保持在2～3 MPa之間。在注漿結束后，還需要把一定直徑的鋼筋籠放入鋼管內，再用水泥砂漿填充，大幅提高鋼管的強度和剛度。偏壓擋墻一般是使用C30混凝土澆筑，擋墻應該在穩固的地基上進行設置。穩固的地基承載力應該高于400 kPa，此外還需要豎向預埋砂漿錨桿，按照梅花狀進行布置，錨桿入巖深度不得低于3 m，地面長度不得低于1 m，錨桿直徑根據實際情況確定。

4 結語

公路建設關乎我國交通建設事業整體發展，更關乎國民經濟總體發展。隧道施工是公路工程的重點環節，由于地質多樣性給隧道施工帶來的不良地質災害不勝枚舉，在實際施工中，應該清楚認識各種不良地質災害，制定完善的應對策略，確保隧道施工安全和質量。