復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)

陳學(xué)文

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100043）

0 引言

橫四路隧道位于仁懷市茅臺鎮(zhèn)，與茅臺酒廠老廠區(qū)毗鄰，是茅臺“十二五”項(xiàng)目廠區(qū)路網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)工程。隧道進(jìn)口端凈距為13.5m，出口端凈距為2.09m，屬于小凈距隧道，進(jìn)、出口洞口地質(zhì)條件較差，為淺埋Ⅴ級圍巖，相對埋置深度較淺，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖石破碎，并且隧址區(qū)局部砂巖含少量季節(jié)性裂隙水。該工程隧道進(jìn)、出口段頂板坡積層較厚，基巖為侏羅系香溪組厚層狀砂巖夾薄層泥巖，風(fēng)化厚度較大，巖體破碎，不能自穩(wěn)成洞，隧道開挖時(shí)拱部自穩(wěn)能力差，極易發(fā)生松動形成小型塌方；側(cè)壁局部易變形失穩(wěn)和發(fā)生小坍塌。本文結(jié)合該工程實(shí)際施工做法，對幾種復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)要點(diǎn)及施工管理對策進(jìn)行總結(jié)。

1 隧道施工特點(diǎn)概述

（1）隧道施工不可預(yù)知因素多。隧道施工前，雖然會對現(xiàn)場地質(zhì)地形進(jìn)行勘查作業(yè)，但是仍無法了解掌握全部地質(zhì)狀況，尤其是復(fù)雜地形地質(zhì)環(huán)境下，無法準(zhǔn)確預(yù)測泥石流、瓦斯底層等地質(zhì)情況，可能影響隧道的順利施工。

（2）隧道施工危險(xiǎn)因素眾多。隧道施工時(shí)，會破壞原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如不能提前預(yù)知該區(qū)域地質(zhì)變化狀況，則極易引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，如塌方等，威脅人員生命及財(cái)產(chǎn)安全[1]。

（3）隧道施工具有隱蔽性。隧道施工各個環(huán)節(jié)密切相關(guān)，環(huán)環(huán)相扣，上一道工序完成后下一道工序立馬進(jìn)行，將前序施工環(huán)節(jié)覆蓋，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量瑕疵和安全隱患，最終影響隧道施工質(zhì)量及安全。

2 復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道施工技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

橫四路隧道工程在施工前，由地質(zhì)專業(yè)人員采用地表地質(zhì)調(diào)查和斷層參數(shù)預(yù)測法，進(jìn)一步核實(shí)和確認(rèn)洞身穿越地區(qū)的巖層層位、層序、巖性、巖層組合、褶皺，以及斷層及破碎帶等。如有遺漏或偏差，及時(shí)補(bǔ)充修正。開挖面地質(zhì)素描對開挖面的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、節(jié)理發(fā)育情況、地下水狀況、結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、巖層走向等進(jìn)行調(diào)查描述，分析推測前方的地質(zhì)情況。橫四路隧道工程采用了地震波探測和超前探水孔方法。

2.1.1 地震波探測

地震波探測采用瑞士安伯格公司生產(chǎn)的TSP-203地震波探測系統(tǒng)，探測開挖面前方100m 范圍的不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置和規(guī)模。它是利用地震波的回波原理，在開挖面附近邊墻部位，采用淺孔微量炸藥起爆產(chǎn)生微震波向四周傳播，遇到不同介質(zhì)，震波反射返回被接收傳感器和記錄儀收集，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算，自動生成反映相關(guān)界面的隧道影像點(diǎn)圖，最后由專業(yè)人員解譯提出預(yù)報(bào)意見，便于及時(shí)調(diào)整工藝技術(shù)。

2.1.2 超前探水孔

超前探水孔采用水平地質(zhì)鉆鉆孔，孔徑為89mm，每孔探水段長30m，開挖25m，探水孔搭接5.0m。每25m 施做一環(huán)超前探水孔，每個斷面設(shè)1～5 個探水孔，當(dāng)隧道斷面僅有一個探孔時(shí)，設(shè)置于掌子面中心位置。鉆孔過程中，遇涌水不能鉆孔時(shí)，應(yīng)拔出鉆具，安設(shè)孔口止?jié){塞并關(guān)閉閥門。如有較大涌水時(shí)，立即向有關(guān)方面報(bào)告。

故復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道施工前，認(rèn)真做好地質(zhì)預(yù)報(bào)工作至關(guān)重要。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)涉及多項(xiàng)內(nèi)容，例如，隧道地質(zhì)分析和宏觀預(yù)報(bào)、隧道洞身不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、超前鉆探、地質(zhì)災(zāi)害臨近預(yù)警等功能。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)環(huán)節(jié)，需遵循“全面正規(guī)、長短結(jié)合、貫穿全程、因地制宜”的原則和要求，科學(xué)靈活地應(yīng)用各項(xiàng)技術(shù)。但無論應(yīng)用哪一項(xiàng)技術(shù)，均要嚴(yán)格按照如圖1 所示的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程圖實(shí)施作業(yè)，確保獲得準(zhǔn)確的隧道施工區(qū)域地質(zhì)地形信息。

圖1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程

2.2 淺埋偏壓隧道施工技術(shù)

隧道施工中，淺埋偏壓地質(zhì)較為常見，該地質(zhì)復(fù)雜，會嚴(yán)重影響隧道工程有序建設(shè)，甚至?xí)l(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)，所以要想保證隧道施工安全，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要合理應(yīng)用淺埋偏壓隧道施工技術(shù)。淺埋偏壓隧道和其他類型隧道相比較而言，埋深淺，覆蓋層薄，極易出現(xiàn)地表塌陷[2]。隧道施工中，淺埋偏壓現(xiàn)象多發(fā)于隧道進(jìn)出口位置。

橫四路隧道洞口地質(zhì)條件較差，為淺埋V級圍巖，相對埋置深度較淺，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體以構(gòu)造節(jié)理為主，巖石破碎。為保證成洞面開挖的穩(wěn)定和安全，在進(jìn)出口拱部各設(shè)置一環(huán)Φ108 大管棚（管壁厚6mm），環(huán)向間距0.4m，管內(nèi)注純水泥漿，漿液水灰比0.5∶1～1∶1，長度分別為左線進(jìn)口17m，右線進(jìn)口18.5m；左線出口35m，右線出口16m。

2.2.1 施工導(dǎo)向墻

導(dǎo)向墻采取臺階開挖的方法施工。在開挖時(shí)，先沿拱頂下挖1.5m，做出平臺，然后施工拱部范圍的管棚。混凝土護(hù)拱作為長管棚的導(dǎo)向墻，在開挖廓線以外拱部107°范圍內(nèi)施作，斷面尺寸為3.5×0.6m，護(hù)拱內(nèi)埋設(shè)I20b 工字鋼支撐，工字鋼與管棚孔口管用C18 鋼筋連接成整體。要注意孔口管作為管棚的導(dǎo)向管，它安設(shè)的平面位置、傾角、外插角的準(zhǔn)確度直接影響管棚的質(zhì)量，用全站儀以坐標(biāo)法在工字鋼架上定出其平面位置；用水準(zhǔn)尺配合坡度板設(shè)定孔口管的傾角；用前后差距法設(shè)定孔口管的外插角。孔口管應(yīng)牢固焊接在工字鋼上，防止?jié)仓炷習(xí)r產(chǎn)生位移。然后裝模板、澆筑混凝土。

2.2.2 搭鉆孔平臺安裝鉆機(jī)并進(jìn)行鉆孔

為了便于安裝鋼管，鉆頭直徑采用120mm，鉆機(jī)開鉆時(shí)，應(yīng)低速低壓，待成孔10m 后可根據(jù)地質(zhì)情況逐漸調(diào)整鉆速及風(fēng)壓。鉆進(jìn)過程中確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進(jìn)，并認(rèn)真作好鉆進(jìn)過程的原始記錄。

2.2.3 管棚鋼管加工及安裝

注漿孔孔徑為10～16mm，孔間距15～20cm，呈梅花形布置，頭部留15cm 錐頭，尾部留不小于150cm 不鉆孔的止?jié){段，構(gòu)造如圖2 所示。鋼管頂進(jìn)用鉆機(jī)頂進(jìn)，導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置的鋼筋籠在場地加工好后，待管棚安裝完畢后，一次性安裝入管，最后安裝注漿管。

圖2 超前管棚構(gòu)造

2.2.4 注漿

注漿材料采用水泥砂漿，注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，終壓宜控制在2.0MPa。其配合比、注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

針對洞內(nèi)的處理，常采用的措施包括超前支護(hù)、隧道分部開挖、加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌強(qiáng)度、及早施做二次襯砌等，進(jìn)而最大限度地降低偏壓對于隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，同時(shí)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)控量測工作，確保隧道施工順利進(jìn)行。

針對洞外的處理，常采用的措施包括削坡排水法、地下水?dāng)r截與疏通、地表注漿法、預(yù)應(yīng)力錨桿和混凝土擋墻等，或者可通過地表砂漿錨桿、地表注漿加固和墻式遮擋法，實(shí)現(xiàn)對地層的有效加固。具體應(yīng)用時(shí)，要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況科學(xué)選用。

2.3 軟弱圍巖隧道施工技術(shù)

隧道施工應(yīng)堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、弱爆破、少擾動、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則，軟弱圍巖隧道施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合各項(xiàng)影響隧道施工的因素，對隧道開挖方式、支護(hù)方法予以優(yōu)化、調(diào)整，無論采用何種開挖方法、支護(hù)方式，均要結(jié)合監(jiān)控量測，時(shí)刻注意變形監(jiān)控，降低隧道施工時(shí)軟弱圍巖變形的幾率，防止造成經(jīng)濟(jì)損失。

橫四路隧道進(jìn)出口附近地質(zhì)條件差，且屬于小凈距隧道，根據(jù)現(xiàn)場情況，擬定右洞先行，左洞掘進(jìn)滯后右洞40m，綜合采用了單側(cè)壁和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、兩臺階法的開挖方式。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法主要應(yīng)用于Ⅴ級圍巖淺埋、偏壓及軟弱圍巖地段，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝如圖3 所示。

圖3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工藝

2.3.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工順序?yàn)椋簜?cè)導(dǎo)坑開挖→左側(cè)初期支護(hù)，設(shè)置臨時(shí)壁墻支撐→右側(cè)導(dǎo)坑開挖→右側(cè)初期支護(hù)，設(shè)置臨時(shí)壁墻支撐→拱部及核心土第一次開挖→拱部初期支護(hù)→核心土第二次開挖→仰拱混凝土灌筑及隧底填充→拆除臨時(shí)壁墻。

2.3.2 導(dǎo)坑施工技術(shù)要點(diǎn)

（1）導(dǎo)坑施工是隧道施工中一個重要環(huán)節(jié)，必須十分重視保護(hù)圍巖，盡量減少對圍巖的擾動。

（2）隧道中線左、右兩側(cè)導(dǎo)坑應(yīng)以3～5m 長為一段交替開挖前進(jìn)。

（3）噴射混凝土應(yīng)緊隨開挖掌子面施作，導(dǎo)坑周邊初噴4cm 厚混凝土，架立型鋼鋼架和I20b 臨時(shí)鋼架，并設(shè)鎖腳錨桿（管），安設(shè)I18 鋼橫撐。

（4）每榀鋼架分拱、墻兩次架成，鋼架的拱腳或底腳不得置于虛碴上。

（5）要根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果分析，待初期支護(hù)收斂穩(wěn)定后，拆除I20b 臨時(shí)鋼架及上部臨時(shí)橫撐。

橫四路隧道初期支護(hù)采用超前小導(dǎo)管結(jié)合鋼拱架-鋼筋網(wǎng)噴射混凝土的支護(hù)方式，該技術(shù)利用超前小導(dǎo)管注漿對前方圍巖進(jìn)行加固（施工工藝如圖4 所示），與圍巖的自承能力相結(jié)合，提高圍巖的穩(wěn)定性，開挖后及時(shí)安裝鋼格柵、進(jìn)行錨桿和噴射混凝土施工，以此作為隧道支撐體系，進(jìn)而降低隧道開挖作業(yè)對于圍巖所造成的影響。應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，要加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，保證復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道施工作業(yè)有序進(jìn)行。

圖4 超前小導(dǎo)管施工工藝

在軟弱圍巖隧道施工時(shí)，要結(jié)合各項(xiàng)影響隧道施工的因素，合理選用隧道開挖方式和支護(hù)方法，科學(xué)安排工藝流程，保證圍巖穩(wěn)定性和可靠性。地形地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，可通過鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、錨桿-鋼筋網(wǎng)噴射混凝土、鋼拱架-鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)技術(shù)，落實(shí)隧道支護(hù)工作。開挖作業(yè)時(shí)，應(yīng)最大限度地降低對圍巖所產(chǎn)生的影響，確保隧道開挖輪廓的圓順性。圍巖和初期支護(hù)變形充分穩(wěn)定后，再進(jìn)行二次襯砌作業(yè)。開挖作業(yè)時(shí)應(yīng)預(yù)留變形量，結(jié)合量測結(jié)果及時(shí)調(diào)整，確保襯砌厚度科學(xué)合理，保證襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.4 地表滑坡隧道施工技術(shù)

隧道施工中，滑坡亦是常見不良地質(zhì)，滑坡體受到擾動、地下水的影響后，地層沿滑移面向下滑動，最終導(dǎo)致隧道塌陷。處理隧道滑坡等不良地質(zhì)引發(fā)的病害問題時(shí)，要嚴(yán)格遵循“先治理、后進(jìn)洞、先超支、后開挖”原則，密切監(jiān)測滑坡體穩(wěn)定性，并做好隧道變形監(jiān)控量測工作，確保初期支護(hù)和二次襯砌盡快成環(huán)。施工單位在隧道施工前要做好對滑坡體的整治處理工作，設(shè)置適量的抗滑柱，并將擋護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置在滑坡體前，并加固地表，防止地表徑流滲入隧道內(nèi)部，防止滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

3 復(fù)雜地形地質(zhì)條件下隧道施工管理措施

3.1 防治滲漏水病害

隧道施工中，滲漏水是常見病害問題，嚴(yán)重影響隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性，因此做好防治工作至關(guān)重要。首先，針對水量不大，含泥量低的地段，可通過排水、先排后堵的方式進(jìn)行處理[2]。如地下水和地表水系不連通，則可通過超前地質(zhì)鉆孔的方式將水排干，降低隧道滲漏水幾率。隧道施工中，防水施工是一道重要工序，有水區(qū)域以堵截為主，排引為輔，堵水時(shí)，針對富水地段可沿隧道開挖輪廓線以外進(jìn)行深孔帷幕注漿，形成止水帷幕，同時(shí)對松散巖體進(jìn)行加固處理；針對少水地段可通過淺孔注漿、小導(dǎo)管注漿等方式注漿止水，避免地下水進(jìn)入工作面，提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性。

3.2 隧道開挖質(zhì)量管理

為保證隧道開挖作業(yè)質(zhì)量，在開挖作業(yè)前復(fù)測導(dǎo)線網(wǎng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不符合設(shè)計(jì)的情況，制定針對性處理措施，然后上報(bào)監(jiān)理工程人員進(jìn)行審批。施工單位應(yīng)結(jié)合圍巖地質(zhì)情況，制定科學(xué)的施工方案、合理的支護(hù)手段，密切留意地質(zhì)變化，強(qiáng)化隧道開挖時(shí)的變形收斂量測，結(jié)合數(shù)據(jù)對開挖施工進(jìn)行調(diào)整指導(dǎo)。隧道開挖時(shí)，如應(yīng)用光面、預(yù)裂爆破，則要結(jié)合圍巖狀況優(yōu)選最佳循環(huán)進(jìn)尺、最佳眼孔布置，合理控制好用藥量，達(dá)到理想的爆破效果，確保開挖斷面成型圓順，將超欠挖現(xiàn)象控制在合理范圍內(nèi)。

3.3 隧道初期支護(hù)管理

隧道初期支護(hù)效果，直接影響著隧道施工安全性、可靠性，因此要做好隧道初期支護(hù)管理工作。采用噴錨支護(hù)法時(shí)，應(yīng)做到噴料隨拌隨用，噴射前需對巖面進(jìn)行清潔處理，如厚度過大則需要分層噴射。要對水壓、風(fēng)壓以及噴射距離等予以合理的控制，保證噴射厚度符合要求。鋼架施工作業(yè)時(shí)應(yīng)控制好間距、垂直度以及傾斜度。錨桿設(shè)置深度、間距也應(yīng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。要控制隧道施工材料質(zhì)量，保證材料質(zhì)量達(dá)標(biāo)，提高隧道初期支護(hù)質(zhì)量[3]。要控制工序，確保工序合理。洞口支護(hù)施工時(shí)，要重點(diǎn)做好對邊坡、仰坡、洞口巖堆體的清理工作，避免爆破作業(yè)時(shí)出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象。隧道初期支護(hù)時(shí)，要確保中線、水平、斷面尺寸、凈空大小符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，保證隧道支護(hù)施工效果[4]。

3.4 綜合性施工安全管理

復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的隧道施工作業(yè)，稍有不慎極易引發(fā)災(zāi)難性事故，如坍塌、涌水等，進(jìn)而造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。所以做好施工安全管理工作尤為關(guān)鍵。施工作業(yè)應(yīng)提高安全管理意識，遵循“安全第一、預(yù)防為主”的原則和要求進(jìn)行施工作業(yè)。首先，施工單位要設(shè)立安全生產(chǎn)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，健全完善隧道安全生產(chǎn)制度，明確各個部門、人員的責(zé)任和任務(wù)。要落實(shí)安全專項(xiàng)方案審查機(jī)制，強(qiáng)化施工安全技術(shù)保障措施，將隧道施工安全漏洞消除。要重視對隧道施工安全應(yīng)急預(yù)案的編制，定期落實(shí)演練工作。要對隧道施工特點(diǎn)、安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)展開深入分析，編制《應(yīng)急救援聯(lián)動總預(yù)案》，對安全管理原則、方針、流程、人員責(zé)任等明晰化，提高安全施工及管理意識。尤其是隧道施工中所常見的坍塌、涌水、火災(zāi)等事故，有必要制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，以便于更好地應(yīng)對突發(fā)事故，減輕人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

3.5 強(qiáng)化施工環(huán)保管理

可持續(xù)發(fā)展背景下，隧道施工污染問題引發(fā)了越來越多人的關(guān)注。要強(qiáng)化施工環(huán)保管理工作，成立專門的環(huán)保領(lǐng)導(dǎo)小組，配置完善的環(huán)保設(shè)施，加強(qiáng)和政府環(huán)保部門的交流與合作，實(shí)現(xiàn)對隧道施工的有效管理，防止污水、噪音、粉塵污染，減少水土流失，確保滿足環(huán)保要求。隧道內(nèi)施工應(yīng)定期灑水，減少粉塵數(shù)量，減輕環(huán)境污染。要加強(qiáng)環(huán)保教育、思想教育，編制環(huán)保責(zé)任書，學(xué)習(xí)新型環(huán)保技術(shù)，提升環(huán)保意識。要做好對場地的布置工作，減少對耕地的占用和植被的破壞。尤其要重視對隧道內(nèi)部粉塵的防治和處理工作，隧道實(shí)施爆破作業(yè)后，利用水幕降塵器降塵，并靈活調(diào)整供風(fēng)風(fēng)速，減少粉塵污染。

4 結(jié)束語

綜上所述，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與民生息息相關(guān)，確保其施工質(zhì)量至關(guān)重要。為保證隧道施工安全順利進(jìn)行，要保證施工技術(shù)的規(guī)范應(yīng)用，掌握隧道施工技術(shù)要點(diǎn)，并加強(qiáng)隧道施工管理工作，制定完善的管理方案，提升隧道施工管理水平，提高隧道施工質(zhì)量，降低質(zhì)量、安全問題的發(fā)生幾率，確保公路、鐵路安全投入使用，推動經(jīng)濟(jì)良好發(fā)展。