復雜地質條件下的隧道連拱施工技術

陳均甫

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530003)

當前我國正處于“十三五”規劃實施的緊要關頭，國民經濟建設突飛猛進，現代化各項事業不斷發展，在各領域都取得了較為顯著的成績。以隧道的施工技術為例，近些年，經過不斷的努力和探索，我國隧道的施工技術和管理體系正朝著標準化、智能化的方向邁進，并逐步與國際接軌，很多施工設備、施工工藝以及管理理念等可比肩歐美等發達國家，國際上通用的部分隧道施工標準和規范由我國制定，可以說在某些隧道施工技術上，我國正引領著世界的發展方向。

隧道連拱施工技術一直以來都是巖土道橋領域所重點突破的工程內容，由于其施工過程中的復雜性和難度，隧道連拱施工技術規范和行業標準也是業內的專家和學者們多年來研究的重點課題，而對于復雜地質條件下的隧道連拱施工技術而言，其中的施工難度以及所遇到的施工瓶頸均超出了以往常規隧道連拱施工的技術框架，即一般的隧道連拱施工技術已不再適用于復雜地質條件下的施工要求。本文以喀斯特巖溶地質環境為例，詳細分析了基于此條件下的隧道連拱施工技術以及在施工過程中需注意的諸多問題，通過對隧道連拱施工模型的搭建，進一步研究巖溶地質條件下隧道連拱施工的穩定性，并進行工程實例認證。本文所研究的技術成果對于國內喀斯特巖溶地質條件下的隧道連拱施工具有一定的參考價值。

1 地質條件對連拱隧道施工的約束性分析

連拱隧道在施工過程中受現場施工環境及地質條件的影響較大，不同的地質條件均可對連拱隧道的施工構成相應的約束和限制。例如在喀斯特巖溶地質結構中，導洞施工會對隧道基巖、圍巖形變造成嚴重影響，而基巖、圍巖的形變又將對連拱隧道的施工形成特定的約束性[1]。假設連拱隧道左、右導洞開挖1 m，錨噴支護則滯后1 m，以梅花形來布置錨桿，將間距固定為1 m，全過程總共約200步，且每步約300時步，將中導洞首先貫通，隨后開挖支護測導洞，當支護測導洞貫通后再進行另一側導洞的開挖，開挖過程對基巖、圍巖構成的形變影響程度如表1數據所示。

表1 開挖過程對圍巖構成的形變影響表

2 巖溶地質條件下連拱隧道施工技術分析

2.1 綜合地質預警技術

巖溶地質條件下的隧道施工應充分注意施工現場的天氣及地質變化情況，及時作出綜合預警響應并采取妥善的應急措施來避免地質災害的發生及對施工人員和隧道本身所造成的影響。綜合地質預警技術能夠對施工現場的地質條件作出精準預測，通過先進的地質勘探、遙感測繪等技術，可預先評估施工現場發生地質變化的程度，有效避免施工事故的發生，對于保證施工現場人員和設備的安全具有重要意義[2]。典型的綜合地質預警流程如圖1所示。

圖1 綜合地質預警流程圖

2.2 地下水處理技術

巖溶地質環境中的地下水含量豐富，且地下水位因地表天氣的影響常出現大范圍的波動，這對于此類環境下的隧道施工來說具有極大的挑戰，施工前所進行的地下水勘探與數據測量在實際的施工過程中卻發生了較大的變化，這種情況經常發生。因此，對施工環境中的地下水勘測多數不具有顯著性的研究意義，應采取相應的措施對地下水進行處理。遵循“堵防結合”的地下水主要處理原則，并進行注漿封堵來使圍巖加固，進而防止突泥突水，保證施工安全[3-4]。

3 基于巖溶地質的連拱隧道施工模型

3.1 穩定性施工模型搭建

為詳細研究巖溶地質條件下的連拱隧道施工技術，在施工前進行隧道穩定性模型的搭建工作，基于Matlab的連拱隧道施工穩定性模型，能夠直觀反映出隧道在實際施工過程中的薄弱環節，例如基巖強度和圍巖厚度等部分，基于Matlab的連拱隧道施工穩定性模型如圖2所示。

圖2 基于Matlab的連拱隧道施工穩定性模型圖

通過計算機程序自動生成的隧道施工穩定性仿真模型，將連拱隧道的施工過程具體細分為多個步驟，并直觀地顯示隧道開挖的程序，真實模擬了連拱隧道實際施工過程中的各個階段，以使連拱隧道施工的穩定性及安全性均達到最高級別[5-6]。但值得注意的問題是，基于Matlab的連拱隧道施工穩定性模型，僅給出了隧道開挖的大體順序，可作為施工前期對現場條件的評估和參考，而具體情況應以工程實際為準。

3.2 施工數值模擬分析

為模擬連拱隧道的入口段在施工全過程中各部分的受力情況，擬采用基于FLAC差分程序的拉格朗日算法對入口段隧道施工情況進行描述，由《巖溶隧道設計規范》中所定義的各級圍巖力學參數、施工現場荷載試驗以及由室內試驗所得到的圍巖力學參數等對入口處隧道圍巖強度進行綜合計算，三維數值計算模型如圖3所示。三維數值計算結果表明，連拱隧道入口段頂部及側方圍巖抗壓值略小于正常值，應在施工中采取適當的加固措施以防止事故發生。而底部基巖的抗壓值符合標準要求，可以進行中導坑及后續的施工[7-8]。

圖3 三維數值計算模型圖

4 巖溶隧道連拱施工實例分析

以廣西梧州3#巖溶隧道為例，將所提出的連拱隧道施工穩定性模型應用到此隧道的主洞施工中。施工前分別選取左、右主洞掌子面錯距，均設定為20 m，通過隧道不同的開挖順序來判斷圍巖穩定性。在主洞施工過程中，應首先開挖淺埋側主洞，并對深埋側主洞支護參數進行跟蹤，及時跟進錨噴支護，可有效防止巖體位移大范圍偏離。不同錯距對隧道巖體的穩定性影響如表2所示。

表2 不同錯距對隧道巖體的穩定性影響表

通過表2可知，先開挖淺埋側主洞相比于深埋側而言具有較大的優勢，將各側的主洞掌子面錯距0.75D(15 m)、D(20 m)、1.25D(25 m)進行比對分析后可知，在支護參數及錯距相同的情況下，施工對周圍巖體的影響程度不大，在不同支護參數及錯距情況下，各部位的巖體形變程度亦不明顯，因此，所提出的基于巖溶地質的連拱隧道穩定性施工模型在圍巖形變及基巖隆起等控制方面均具有一定的效果[9-11]。

5 結語

不同的地質條件對連拱隧道的施工都會構成一定的限制及約束性條件，在施工前應對現場進行充分地勘探和調研，獲取真實、有用的測繪數據進行分析，保證隧道在施工過程中及竣工后的安全性和穩定性。綜合地質預警技術以及地下水處理技術均可在施工前不同程度上降低施工過程中的安全隱患，因此應充分重視施工前的所有準備工作。所搭建的基于巖溶地質條件的連拱隧道施工穩定性數學模型，能夠比較直觀反映隧道巖體較為薄弱的部分，提醒施工技術人員在具體的施工中加以把握。嚴格意義上來講，所搭建的基于Matlab的連拱隧道施工穩定性數學模型包括施工數值模擬計算部分，但本文將三維數值計算模型單獨作為一部分來闡述，目的是為了區分三維數值計算模型與施工穩定性模型的不同作用，且二者所用算法也不盡相同，三維數值計算模型是基于FLAC差分程序的拉格朗日算法，而隧道施工穩定性數學模型是基于Matlab程序。最后通過廣西梧州3#巖溶隧道的工程實例驗證，證明了本文所提出的基于巖溶地質條件的連拱隧道穩定性施工模型的正確性與可行性。

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