公路隧道施工中不良地質判斷與處理技術

張 寧

（廣西大浦高速公路有限公司，廣西 欽州 535000）

0 引言

對于公路隧道施工而言，穿越不良地質地段是重難點之一，一旦判斷處理不當極易引發變形、塌方、涌水涌泥等地質災害，不僅影響施工作業的順利開展，而且威脅到作業人員的人身安全。對此，必須對隧道地質情況有一個全面的了解，及時發現異常情況，明確掌子面前方不良地質體的位置、產狀，合理選用施工技術與相關輔助措施，做好不良地質地段的處理工作，實現預期施工目標。

1 公路隧道施工中的不良地質及其危害

不良地質是公路隧道施工面臨的關鍵問題之一，主要是由各種地質作用與人類活動所致，包括斷層破碎帶、不穩定邊坡、巖溶、地震區、高地應力等。

隧道工程建設中，若是地質判釋不到位，則在不良地質條件地段極易出現施工災害，如穿越裂隙發育圍巖、斷層破碎帶，易引發隧道塌方；穿越巖溶地段，易出現突水、涌水、巖溶塌陷等災害；穿越大埋深高地應力地段，易導致巖爆、大變形等災害。上述災害的出現，均會阻礙隧道施工的順利進行，甚至會引發人員傷亡、工程失敗等問題，后果不堪設想。

基于此，公路隧道施工中必須認識到不良地質和地質災害預防、處理的重要性，根據相關理論研究成果與施工經驗對不良地質情況進行預判，并據此合理選擇相應的預防與處理技術，切實保證隧道施工安全。

2 公路隧道施工中典型不良地質判斷與處理措施

2.1 不良地質地段綜合處理方案

公路隧道施工中，一旦遭遇不良地質地段，且無任何預防、處理措施，極易引發嚴重的安全事故，要順利通過此類地段，降低施工風險，必須做好綜合處理工作：（1）落實地質勘測工作，查明隧道所處范圍內的地形、地質狀況以及水文條件，明確不良地質情況；（2）采用超前地質預報系統開展超前地質預測，結合地質勘測資料等對掌子面前方地質情況進行綜合分析、判斷；（3）根據超前地質預測結果，合理選擇開挖、支護技術，安全穿越不良地質地段；（4）開挖中實施監控量測，根據量測結果指導后續施工。不良地質地段綜合處理流程如圖1所示。

2.2 典型不良地質判斷

2.2.1 斷層地質

隧道修建過程中，地質災害的發生往往均有斷層的“參與”，因此在施工中必須要對掌子面前方潛伏的斷層及其破碎帶進行準確預報與評價，主要探測技術有淺層地震勘探、電法勘探、地質雷達、井間層析成像等。

2.2.2 巖溶地質

隧道中巖溶地質較為常見，包括多種類型，如洞穴型、裂隙型、管道型、大型巖溶等。應根據既有資料制定預報方案，各級別地段選擇不同預報手段，包括長距離、中長距離以及短距離預報，并對各種信息進行整理，提出最終預報結論與工程措施建議。

圖1 不良地質地段綜合處理流程圖

2.2.3 偏壓地形

偏壓指的是隧道左右兩側承受的荷載不同、結構內力不對稱。影響隧道偏壓的因素較多，包括地質、地形以及人為施工等，這對判斷隧道是否偏壓以及偏壓大小造成了一定的阻礙。

（1）普通地質條件下（無大地應力、特殊巖類），隧道外側至地表垂直距離t值不大于表1數值，可視為地形偏壓隧道。

表1 單線偏壓隧道外側至地表面的垂直距離t值表（m）

（2）現場測量支護結構不同位置承受的荷載，所受壓力明顯不對稱則為偏壓隧道。

（3）計算偏壓率P值，即：取高程相同、水平相對距離為D的一系列節點，計算埋深較大節點與埋深較小節點的豎向應力比值，具體偏壓分級為：P≤1.2，輕微偏壓；1.2＜P≤2.0，一般偏壓；P＞2.0，嚴重偏壓。

2.2.4 涌水災害

涌水災害主要是隧道開挖破壞了含水結構所致。提前做好涌水量預測工作十分關鍵，應根據隧道所在地區水文地質條件、開挖施工方法，選擇涌水量預測計算方法，包括確定性數學模型方法和隨機性數學模型方法。前者有比擬法、徑流模數法、解析法、水均衡法、數值方法等；后者有“黑箱”理論、灰色系統理論、時間序列分析、頻譜分析法等。

2.2.5 塌方災害

隧道塌方災害，從根本上來看主要是對圍巖穩定性、噴錨支護結構作用原理認識不到位所致。為保證施工安全，必須及時發現塌方征兆，根據不同情況合理選擇開挖支護方法與塌方處治措施。常用的預測方法有觀測法、簡易預測法、微地震學測量法、聲學測量法等。

2.3 典型不良地質處理措施

2.3.1 斷層地質的處治措施

斷層地質地段施工，需做到“短進尺、弱爆破、強支護、緊封閉、勤量測”，合理選用施工方法，各工序協調統一、快速通過。

（1）采用快速開挖方法：為加快開挖施工速度，軟弱圍巖及斷層破碎帶施工宜采用預留核心土開挖三臺階分部開挖法或CD法施工，對于部分無法采用此技術的地段，也應根據實際斷層情況，選用半斷面微臺階、上下斷面順序開挖法以及微震爆破技術等。

（2）合理選用支護方式：包括噴錨網聯合支護、鋼架支護以及超前支護（常用的有超前管棚和小導管注漿）等。

2.3.2 巖溶地質的處治措施

巖溶地質地段處理需做到“以疏為主、堵排結合、因地制宜、綜合治理”，不同情況需采取針對性的處治措施：

（1）無充填／半充填小型溶洞：隧道拱部、邊墻溶洞，宜采用C25噴射混凝土回填，或是初期支護后采用水泥砂漿回填密實；隧道基底溶洞，宜采用C25混凝土回填密實。

（2）充填型小型溶洞：隧道拱部、邊墻溶洞，若是填充物已滑落，需將其清除干凈后采用C25混凝土回填密實；若是未滑落，則需采用錨噴防護；隧道基底溶洞，需將填充物清除，采用混凝土回填密實。

（3）隱伏型溶洞：采用地質雷達等進行巖溶檢查，檢查出隧道開挖輪廓線外5m范圍內存在隱伏型溶洞時，采取局部注漿回填措施。

（4）大型干溶洞：拱部、邊墻溶洞采取回填處理方法；基底溶洞需根據不同發育特點選擇針對性的處理方案，包括“托梁＋板跨”方案、鋼管群樁加固方案、樁基托梁方案、充填方案、梁跨方案、跨拱方案等。

2.3.3 偏壓地形的處治措施

偏壓地形處理流程如圖2所示，應嚴格根據前期調查情況制定處理方案，如：Ⅳ級軟質圍巖，宜采用超短臺階法開挖；Ⅴ級軟質圍巖，宜采用短臺階法預留核心土開挖，做好支護工作，解決偏壓問題。

圖2 偏壓地形處理流程圖

2.3.4 涌水災害的處治措施

涌水災害處理方法的選擇，需綜合考慮圍巖條件、涌水量、埋深等因素，以排水法和止水法結合應用為宜，如圖3所示即為涌水處理方法分類情況。

圖3 涌水處理方法分類圖

排水法可降低地下水位、減輕工作面涌水壓力，費用低、工期短，主要包括導坑排水、鉆孔排水、井點排水、深井排水等。止水法用于封堵裂隙、隔離水源、改善施工條件。注漿止水適用于高水壓地段、含水斷層破碎帶；凍結法止水適用于復雜含水地層尤其是深厚沖積層；氣壓法止水適用于軟弱層，主要與盾構法一起使用。

2.3.5 塌方災害處治措施

隧道一旦發生塌方，處理必須快速、及時，詳細觀測塌方范圍、形狀，查明塌方原因與地下水活動情況，制定切實可行的處理方案：

（1）小塌方處理：①穩固塌方體兩端洞身，迅速噴射混凝土封閉塌穴頂部、側部，完成清渣工作；②在確保安全的同時，在塌渣上架設臨時支架，穩定頂部并清渣，完成混凝土襯砌后方可將拆除支架。

（2）大塌方處理：大塌方的處理方法眾多，包括護拱法、鋼纖維噴錨支護、大管棚支護、地表鉆孔注漿技術、小導坑處理技術、超前小管棚處治技術、插筋排架法處治技術、混凝土倒灌法處理技術等。具體根據隧道實際情況合理選擇。

（3）塌方發生時水的處理：塌方往往與地下水活動有關，治塌先治水，具體措施為：地表沉陷、裂縫，均以不透水土壤夯填，開挖截水溝防止地表水滲入塌方體；塌方通頂時，在陷穴口地表四周挖溝排水，設雨棚遮蓋穴頂；塌體內有地下水活動時，應以管槽引至排水溝，防止塌方擴大。

3 實例探析

3.1 工程概況

平田隧道為廣西大塘至浦北高速公路的控制性工程，位于欽州市靈山縣境內，為分離式主線隧道，采用雙洞單向行駛，左線起訖里程樁號為ZK40＋070～ZK45＋180，長5 110m，隧 道 起 點 設 計 標 高 為118.49m，終點標高為83.56m，最大埋深約334.1m；右線起訖里程樁號為YK40＋085～YK45＋190，長5 105m，隧道起點設計標高為118.6m，終點標高為84.4m，最大埋深約333.35m。隧道進口端為削竹式洞門，出口端為端墻式洞門。

3.2 工程、水文地質條件

3.2.1 地形地貌及地質條件

隧道進口段位于山體斜坡段中下部，呈直線坡，山體走向120°，自然坡坡度較緩，坡度15°～25°，隧道軸線山體地形較為對稱；隧道K43＋200～K43＋700m段經過“U”字形溝谷，溝谷最小標高為149.5m，隧道最小埋深為48.91m；出洞口段位于直線型山坡處，自然坡坡度較陡，坡角35°～45°，隧道軸向山體地形不對稱。隧址區山體有盤山簡易道路經過，道路行經路段因開挖多有基巖出露，主要為硅質頁巖、硅質泥巖等，多見褶曲發育，巖層多扭曲，覆蓋層主要為第四系植物層及坡積碎石等，覆蓋層厚度一般～較薄，地表植被較發育，主要為灌木及人工種植桉樹、松樹等。

3.2.2 水文地質條件

3.2.2.1 地表水

隧址區地表水較發育，隧道進口處山體兩側為“V”字形溝谷，地表水為兩側溝溪中分布的常年性溪流；隧道K43＋200～K43＋700位于“U”溝谷地段，兩側山體匯水面積較大，發育有多條常年溪流，并見有沖刷痕跡。隧道沿線及兩側溝谷均發育溪流，多為常年性溪流，水量受季節降雨影響明顯，雨季水量較大，暴雨季節受匯水面積影響會形成規模較大的山洪，旱季水量較小或局部干涸。

3.2.2.2 地下水

地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于淺表層的粉質黏土及全風化巖層中，主要接受大氣降水及地表水補給，受季節變化影響較大，賦存空間有限，水量較少；基巖裂隙水賦存于硅質頁巖、硅質泥巖等風化、節理裂隙中，靠大氣降水、上層滯水、地表水補給，水量受風化裂隙及節理裂隙的發育程度及貫通性控制，在山坡巖層中水量一般不大。

3.2.2.3 地表水、地下水的腐蝕性評價

隧址區未見明顯的污染源，根據本次勘察所取環境水質分析試驗成果，隧址區地下水、地表水對混凝土及鋼筋具有微腐蝕性。

3.3 隧道不良地質情況

3.3.1 不良地質地段

3.3.1.1 隧道局部地段存在洞身偏壓現象

如圖4所示為平田隧道出口洞口平面圖，在洞口區段存在偏壓現象，偏壓地段洞身埋置深度較淺，施工時潛在坍塌、掉塊、大變形等較大風險。

3.3.1.2 平田隧道地質破碎帶

隧址區共發育有3處背斜、1處向斜及1處斷層，分布在K40＋850～K44＋420段，如圖5所示即為平田隧道右線斷層處地質縱斷面圖。此段圍巖總體較差，圍巖等級變化頻繁，構造應力復雜，同時隧道滲水較多，塌方風險較大。

圖4 平田隧道出口洞口平面圖

圖5 平田隧道右線斷層處地質縱斷面圖

3.3.1.3 平田隧道淺埋段

平田隧道左線ZK43＋200～ZK43＋680和右線YK43＋200～YK43＋720段正位于平田村居民區下方，此處隧道埋深約45～75m，為Ⅴ、Ⅳ級中風化硅質頁巖，巖體較為破碎。隧道施工期間的大量滲水可能會導致：（1）地下水水位下降，引發地表沉降、塌陷問題；（2）地下水大量流失，地表干旱缺水，農作物減產；（3）此處隧道覆土較薄，爆破震動洞身上方的居民房影響較大，房屋可能發生開裂。

3.3.1.4 平田隧道采空區

平田隧道區域存在鐵錳礦開采形成的采空區。在此區域施工時，應提前做好超前地質預報，根據地質預報結果進行施工。對于部分地段，要提前采取預加固和預支護的措施，開挖過程中采用短進尺、弱爆破、強支護和勤量測等措施。

3.3.2 各區段事故風險估測結果

經風險評估小組對平田隧道設計圖紙、圍巖地質、氣候及地形條件、施工工藝等進行綜合分析估測顯示，平田隧道施工存在坍塌、洞口失穩、涌水突泥等重大風險源，施工安全總體風險等級為Ⅳ級（極高風險），需采取專項應對措施，施工過程中應針對不良地質地段編制相對應的專項施工方案及應急救援預案，預防次生災害的發生，減輕次生災害造成的損失。

3.4 隧道不良地質處理措施

3.4.1 淺埋段

平田隧道部分段落埋深較淺，屬于淺埋地段，隧道ZK43＋200～ZK43＋680及YK43＋200～YK43＋720段正位于平田村居民區下方，該段埋深較淺且地表水發育，易發生涌水突泥及塌方等事故，并由此可能引發村莊地表塌陷，嚴重危害村民的居住和人身安全。

施工處理方法為：（1）在施工中加強超前地質預報工作，對隧道滲水量進行實時監控；（2）對地表建筑物進行爆破震動監測，并加強地表地質巡邏與地表水文監測；（3）加強淺埋段超前支護，嚴格按照設計圖紙進行施工，必要時，可適當進行加強；（4）根據現場實際情況，優化開挖方法；（5）二次襯砌及仰拱施工緊跟開挖面，確保二次襯砌及早參與結構受力；（6）對地下水采用以堵為主的方法，根據現場開挖地質情況及隧道內涌水量大小在隧道內部分段進行洞身全斷面徑向注漿堵水。平田隧道涌水突泥處理方案包括四種，具體適用情況如下頁表2所示。

3.4.2 斷層帶

斷層破碎帶地質條件差，圍巖級別差且通常地下水較豐富，需采用較強的支護形式并結合完善的輔助施工措施，以保證施工階段及襯砌結構的安全。斷層帶超前支護采用注漿小導管，對掌子面進行預支護。根據現場圍巖的實際情況，采用環形開挖預留核心土法或單側壁導坑法進行開挖。對于地下水水量豐富地段，采取事先預注漿方式進行封閉，防止突泥突水事故發生。

表2 平田隧道涌水突泥處理方案一覽表

施工處理方法為：（1）需首先在隧道開挖至斷層破碎帶距離5～10m左右時，采用超前鉆孔探測斷層的含水情況，初步查明斷層帶地質、水文情況，嚴格按“先治水、短開挖、弱爆破、強支護、勤量測、早襯砌”的原則施工；（2）開挖時控制爆破，優化炮孔布置、裝藥方式、裝藥量、起爆方式等，減少對圍巖的擾動；（3）嚴格按設計施工，開挖后及時封閉裸露圍巖，施作初期支護，減少圍巖暴露時間，同時二次襯砌與仰拱施作緊跟開挖面進行；（4）加大超前地質預報頻率，結合超前地質預報的分析報告，并根據現場實際情況，合理做好超前支護，選擇合適的開挖方式和支護方式。

3.4.3 采空區

平田隧道經過當地開采錳鐵礦形成的采空區，采空區所形成的礦洞4、開采區Ⅹ及開采區Ⅷ對平田隧道的施工存在一定的影響。可能導致該段隧道地下水富集。錳鐵礦Ⅸ距隧道進口距離較近，堆積較大且位于洞口沖溝上游，對隧道影響較大。

施工處理方法為：（1）走訪當地百姓，收集有關采空區的相關信息，結合平田隧道地質報告，選擇合適的超前支護及開挖方法；（2）對該段加大超前地質預報的頻率，根據超前地質預報的成果，結合現場實際情況，選擇最有效的方式進行施工；（3）嚴格按照設計施工，做好初期支護，必要時可適當減小錨桿或超前小導管的縱向與橫向間距；（4）嚴格按照“先治水、短開挖、弱爆破、強支護、勤量測、早襯砌”的指導原則進行施工；（5）在堆積體下游沖溝處設置支擋（擋土墻）等，對堆積體的滑移起到阻擋作用，有效避免泥石流等地質災害的發生；（6）對堆積體進行動態監控，特別是在雨季，增大檢測頻率，一旦發現險情，立即疏散人員。

4 結語

綜上所述，基于我國各地區公路的高速發展，隧道修建數量持續增加，不良地質段施工問題日漸突出。本文從隧道不良地質的判斷與治理兩方面入手，著重分析了幾種典型不良地質的處理，并依托實體工程——平田隧道，結合隧址區的不良地質段的實際施工情況，研究了適合平田隧道的施工方法，通過預防和治理措施的綜合應用，切實保證了隧道工程的圓滿完成。