復雜地質環境下的隧道施工技術研究

馬強

【摘要】在新時代的隧道工程建設活動中，施工人員必須克服自然環境影響，設計較為完善的穿山建設計劃，解決影響正常施工的技術問題，在淺埋偏壓、圍巖破碎地段進行高質量的隧道開挖施工，在降低施工危險性的同時，縮減原材料用量，間接促進我國現代交通事業的發展，完善隧道建造工藝與基本修建流程，合理運用先進生產設備與技術，保證施工進度與隧道建造質量。本文主要分析了在復雜地質環境中合理運用隧道施工技術的現實意義與必要性，并指出了新時代隧道施工活動面臨的主要問題，總結了可提升隧道施工活動安全性的核心施工技術應用路徑。

【關鍵詞】特殊環境;隧道施工;工程建設;建造質量

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.068

引言：

隨著我國國民經濟的快速發展與建造技術的不斷進步，復雜地質環境下的隧道建造模式獲得了更新發展，針對長度較大、分布范圍較廣的工程隧道，可采用先進的安全施工模式，根據圍巖的硬度、承載力、強度選擇較為合理的施工方式，在了解施工方案中技術要求的前提下，消除導致安全事故的不可控風險因素，組織不間斷的動態監測活動，針對施工過程中出現的特殊地質現象進行及時處理，保證施工活動的安全性。

1、在復雜地質環境下合理利用隧道施工技術的必要性

在現代道路工程建設中，施工地點經常會選在地質環境復雜、受到環境因素影響的特殊地段，部分隧道工程所處地點地質環境缺乏穩定性，可能會出現巖層垮塌、滲漏、下陷等問題，嚴重影響建設隊伍正常施工。在開挖隧道、推進工程建設進程中，施工隊伍可隨時評估隧道周邊巖層與地基的穩固性，在板塊運動活躍地帶，巖石脆弱層的覆蓋面積較廣，雨水可沿著巖層中的裂縫流入隧道中侵蝕各類機械設備與材料，在特殊情況下還會導致較為嚴重的次生災害與安全問題，使得隧道工程施工效率與速度不斷下降，損害參建技術人員的生命安全。在現代隧道工程建設中，各類無法提前探測的特殊地質環境會給施工帶來負面影響，阻礙機械設備的運輸與正常使用，施工單位必須臨時調整隧道建造計劃，臨時調配技術人員清理意外發現的地下洞穴、溶洞、巖石滲水層，并預測隧道開挖路徑是否和周邊城鎮地下燃氣管道、排水管道網絡重復，盡可能地繞開地基開挖較深的地面建筑物，合理應用常用的隧道施工技術與探測設備，應對不同類型的地質災害與突發情況，提升對施工質量、建造速度的要求，使得施工隊伍快速適應高溫、高壓、路況復雜的工程建設環境，降低瓦斯爆炸、巖層垮塌、地基下陷等特殊工程事故的發生幾率，全面提升隧道建設工程的綜合效益。隧道施工是新時代公路、鐵路等交通工程建設活動中常見的建造項目，通過批量建造長度較短、連接多個交通路線的大型隧道，可起到縮短公路、鐵路線路間距，提升交通網絡貨運效率的作用，縮小施工活動的原材料、資金消耗量，推動交通運輸業的發展。

2、復雜地質環境下隧道施工技術的應用要點與原則研究

2.1基于具體情況調整建造計劃

步入新世紀以來，我國隧道建設技術逐步趨于成熟，應用范圍不斷擴大，然而我國國土面積廣闊，交通工程多選擇在環境復雜的山區、河谷區建造連接多條公路的山體隧道與地下隧道，在不穩定的地質環境下開展大型隧道建設活動的難度較高，蘊含著一定危險性，例如部分山區的土質松軟，容易在暴雨天氣下受到山洪沖刷流入已建成的隧道中，堵塞排污管道、導水渠，使得隧道中的積水無法及時排出，影響正常施工，一部分隧道施工地點屬于典型的喀斯特地貌，巖溶洞數量較多，巖層受到地下水侵蝕，無法承受過大壓力，發生山體垮塌、地基瓦解等問題的幾率較高。針對以上情況，施工人員必須組織開展地質環境檢測，勘測隧道施工地點周邊巖層的承載力與牢固性，使用重量較輕、便于轉運的簡易機械設備與工具，降低建設難度，基于實際情況不斷調整施工技術應用路徑，消除不確定因素，在組織施工時考慮到多個方面的問題，如人為因素、地理因素、管理因素等，吸納其他施工隊伍在復雜地質環境下積累的施工經驗，有效推行施工計劃，定期對下一階段的隧道施工方案進行修改，評估隧道內部結構的受力情況，保證不同高度、各個層次工程材料受力的均勻性，避免因材料受力不均勻而形成較大規模的裂縫。

2.2保證巖層穩定，評估地質環境變化趨勢

大規模隧道施工會嚴重影響巖層穩定性，容易導致山體滑坡、巖層沉降等問題，改變地質環境，因此為降低隧道施工復雜性，施工隊伍應當提前做好工程設計，選擇建造速度快、不會對周邊地質環境造成不可修復損害的建造方法，每隔一周到半個月組織一次地質環境檢測，評估隧道內部圍巖的強度與地下水水位，例如在處于斷層帶、溶洞等特殊地質環境下的隧道中，安全事故發生幾率較高，施工隊伍應基于調查研究結果撰寫工程質量報告，評估水文條件、地質條件變化的整體趨向與走勢，針對可能發生的地質問題制定預案，在發生事故時第一時間加以解決，預測大規模巖石變動，提升隧道整體結構的穩定性，保證在限期內完成施工。

3、復雜地質條件下隧道施工技術應用模式的缺陷分析

3.1施工技術應用缺乏精確性、合理性

特殊地質條件下的大規模隧道施工活動對施工質量、建造工藝提出了嚴格要求，傳統建造方法逐步被淘汰，新技術、新方法開始被引進交通建筑業中，然而部分施工隊伍依然慣于使用上個時代的落后建造技術，施工理念未能獲得更新，導致工程建造項目進度落后，誘發不同類型的安全事故。例如個別施工單位習慣于讓一線技術工人使用老舊掘進設備與手工工具進行施工，過度重視施工效率與速度，在未經勘探的復雜地質環境中大量使用炸藥清除阻礙施工的巖溶洞、鐘乳石，不同環節的施工未能做好無縫銜接。一部分施工單位為盡可能地壓低工程建造成本，不重視職業培訓與施工技術普及活動，并未組織針對施工現場周邊地質環境的勘測與調查，在工程設備、技術人員儲備等不同方面的準備嚴重缺乏[1]。

3.2施工人員未能合理運用相關技術

由于復雜地質環境中各類地理條件的變化速度較快，環境勘測頻率較低，因此對施工人員對隧道施工技術的熟悉度、專業建造能力提出了較高要求。負責隧道施工建造工作的技術人員必須掌握高層次理論知識與實踐技能，能夠快速識別體現地質條件變化的各類因素，如溶洞滲水、圍巖產生縫隙等，將環境特征與地質條件變化趨勢對應起來，主動結合施工計劃，人為地干預環境變化進程，優化調整施工方案。部分參與隧道建設的技術人員未能掌握相關領域的地質知識，無法在實踐中認識到地質環境的變化，未能及時根據具體情況選擇可用的施工技術，造成施工技術不匹配建造環境的復雜問題，對地質環境條件變化導致的突發性事故缺乏應急反應能力，難以調控客觀存在的不可控因素，使得意外事故阻礙了隧道建設工程的正常開展[2]。施工人員可淘汰傳統的爆破施工法，引入較為先進、副作用較小的挖掘機施工法，并主動使用高科技設備進行輔助勘測作業，完善具體操作流程，基于實際情況篩選出與隧道建設活動相關的地質環境指標，如地下水水位、巖層密度等，明確施工要點與環境控制關鍵點，使得一線施工人員獲得必要的技術指導與建議，進一步落實施工計劃。

4、復雜地質環境下常用隧道建造技術的主要類型、應用方式

4.1淺埋偏壓地段施工技術

淺埋偏壓地段巖層密度較低，土質較為松軟，容易發生滲水、漏漿等問題，地質環境的變化性較大，每隔三到六個月會發生一次巖層下陷，在這一地質條件下，時間跨度較大的隧道施工活動必須進行周密計劃，預測從開工建造后一年內地質環境的變化趨勢，根據具體施工情況，制定在淺埋偏壓地段施工的整體方案，在已建成隧道尚未因巖層下陷而發生垮塌事故之前，強化巖層與土壤的支撐力，削弱結構應力與重力，保障隧道內施工人員的人身安全，改善周邊自然環境。在施工過程中，建設人員必須全面評估此類復雜地質環境給建造活動帶來的負面影響，采取措施重點強化隧道入口、出口出圍巖的承載力與結構硬度，避免不穩定因素干擾正常施工建設，消除影響范圍較大的質量問題，進行超前支護，合理運用超大管棚支護技術，為后期的注漿、填埋集料等活動提供一個穩定環境。在完成初步的爆破清障作業后，一線施工人員可使用鋼筋架、錨桿、鋼絲護欄等設備拼裝一個簡易支護護欄，并通過不斷調整支護與集料填埋點的距離，為正常施工提供便利。技術人員還可使用鋼制基底強化支護設施的穩定性，為其添加可調式鋼制鎖腳設備，構建較為穩定、安全的受力體系。施工人員必須掌握每一種特殊地質環境中自然因素的變化情況，使用科學、合理的施工技術，對施工地段的巖層進行全面加固，并使用小型振搗設備壓實疏松、容易發生滲漏的土層，提升土質的堅實度，為隧道內部施工活動提供安全、寬松的環境，避免出現返工、施工中斷等問題[3]。例如在長期開采地下礦產的礦區進行隧道施工時，這一地段具備典型的淺埋偏壓特征，技術人員必須提前組織環境勘測活動，檢測破碎巖層的承載力、砂石密度，采取合理建設措施，使用機械設備夯實地基，使用鋼結構錨桿支撐隧道內壁容易脫落、下陷的巖層，提升這一地段頂部巖石結構的穩固性，保證施工安全。

4.2地質預報技術與勘測科技

部分隧道施工地點的地質環境具備復雜性、變動性，容易受到天氣、板塊運動、人類活動的影響，出現無法預料的意外狀況，如山體滑坡、巖層下陷、基巖侵蝕等，為提升施工效率，規避潛在風險，施工單位可合理運用遠期地質預報科技，在施工現場采集地質環境數據，使用多種類型的技術設備，如紅外線探測器、激光測距儀、衛星定位設備、地質雷達等，對不同位置的巖層進行探測處理，評估圍巖與隧道內壁巖層、底部地基的穩固性。技術人員還可使用鉆探深度較大的小型地質鉆機采集巖層樣本或氣體樣本，在隧道中段對地質環境進行檢測，發現潛藏在巖層之間的瓦斯與各類有害氣體，針對可能出現的瓦斯泄露、隧道滲水、巖石脫落破碎等事故進行預警，做出精確、可靠的預報，將意外事故造成的經濟損失、人力損失控制在較低水平。在開挖隧道48小時后，每隔一到兩周進行一次全面地質檢測，并在計算機中建立立體化數字模型，使用水平儀、水準尺對拱頂的沉降距離、地基傾斜度進行測量，并將鋼結構的觀測柱邁入已建成隧道的表面，定期上報其所獲取的各類數據，保證隧道圍巖厚度超過4厘米，在巖層發生移動、破碎、沉降時及時發出預警，提升隧道施工的安全性。

4.3隧道內壁變形調控技術

由于部分隧道選址地點附近存在覆蓋范圍較大的軟性砂巖與泥巖，因此容易出現隧道內壁軟化現象，導致巖層因穩固性不足、支撐力下降而塌陷，隧道內部結構受到地質環境影響而失去穩固性。施工單位可采取合理措施，強化存在形變趨勢的隧道的穩固性，定期組織檢測活動，找出承載力不足、容易發生下陷或崩解的地段，讓參與施工的一線技術人員以目測形式觀察隧道內壁是否存在變形或凸起、下陷等狀況，并及時采取措施進行補救[4]。例如在發現隧道內壁產生形變時，可使用便于回收、結構強度較高的鋼制錨桿在隧道中架設鋼筋網，并在變形地點表層涂抹大量混凝土，以此抑制變形趨勢，阻礙巖層塌方，并組織每天4到5次的觀測，及時發現巖層向下滑動的征兆，適當地調整施工計劃，減少爆破活動中所用炸藥的數量，采用較為合理的隔孔填藥機制，預防可能出現的巖層塌方問題[5]。在開挖隧道過程中，施工單位可使用鉆巖車等機械化設備，減少人力資源用量，控制在特殊地段施工的安全操作風險，通過及時調整各項操作規范，依據現有的隧道工程要點確定影響要素，以期降低地質災害對施工的不利影響。

4.4軟弱圍巖施工技術

新時代的隧道工程建造人員必須把握基本地質工程學原理，在修建承載力較弱、容易發生意外事故的圍巖隧道時，克服自然因素的影響，選擇副作用較小的隧道開發方法，預測在開挖過程中巖層的形變程度與移動范圍，淘汰傳統的全面開挖法，采用影響范圍較小、可靈活調節的分階段開挖法，在挖掘隧道時不斷評估周邊基巖與圍巖所承受壓力的大小，在保證內部結構穩定性的同時，預防可能出現的巖層沉降問題發生，并根據巖層密度、重量、體積等因素，調整開挖方向，在左右方向同時進行從表層到中心的挖掘活動，做好配套的測量與核查工作，減少施工活動對圍巖造成的負面影響，挖掘出具備規則性、空間面積適當的隧道，基于相關技術標準調整襯砌的整體厚度與覆蓋面積。在軟弱圍巖隧道施工活動中，經常會發現隧道內壁產生大量裂縫，圍巖強度不高，受到施工活動震動影響，表層巖石容易發生松動并產生較長的裂縫，嚴重影響正常施工活動的開展。施工單位必須把握圍巖裂縫與落石產生的根本原因，采取措施調整隧道內部空間的溫度、濕度，使用具備更強支撐力的鋼筋材料，有效預防軟弱基巖裂縫問題的發生，保證施工原材料滿足具體情況，避免隧道變形、沉降等問題產生[6]。施工人員應當組織小規模的混凝土配比調制實驗活動，評估隧道內壁混凝土材料在封閉空間中存在的收縮性變量大小，預防可能出現的裂縫、墻體脫落等問題，控制未干混凝土的濕度、溫度，并在隧道內部安裝多個輕質防水板，針對裂縫滲漏的地下水與雨水進行整治，解決隧道工程中局部存在的滲流問題。施工單位應當明確目標地段圍巖隧道的最大荷載量，避免出現實際荷載量超過結構承受能力的意外情況，并基于實際情況調整隧道襯砌結構種類與尺寸，突出施工活動的合理性，由此規范隧道襯砌結構的勞動定額與消耗標準。

結語：

現代隧道施工工程的建造質量、施工速度決定了交通事業能否獲得快速發展，步入新時期以來，我國隧道建造工程的規模不斷增加，大量交通線延伸到西南、西北邊遠地區，一部分隧道建設地點的地質環境較為復雜，容易受到外部自然因素影響，發生大量危害性較大的地質災害。為提升隧道施工質量水平，施工單位必須組織好超前地質環境勘測活動，搜集相關數據與同行業施工技術資料，在把握具體情況的基礎上調整施工方案，明確地質環境的變化趨勢，嚴格控制不同環節施工的實際質量，快速完成隧道建造與后期維護工作。

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