不良地質條件下隧道施工方法探討

鄧磊磊

（北京鐵城建設監理有限責任公司，北京 100855）

隨著我國交通事業的快速發展，鐵路作為最重要的交通工具，建設規模也在迅速擴大，我國地大物博，天然地形和地質環境較為復雜，為了縮短線路距離、改善運行條件等，在鐵路建設時經常會通過隧道等方式進行，隧道也成為鐵路網施工中的主體結構之一，而在施工過程中若遇到巖溶地質、特殊巖土等不良地質條件，不僅影響隧道施工質量，還對施工安全和人身安全造成一定的威脅[1-3]。所以，本文以某隧道為例，針對該隧道在挖掘過程中遇見的不良地質條件采取有效的施工方法，保證施工安全和隧道質量。

1 項目概況

隧道工程處于長江支流二道河與杜家河之間，全長4 555.25 m，最大埋深約273.4 m，隧道采用CRTSI型雙塊式無砟軌道，為時速350 km單洞雙線隧道。隧道洞身主要穿越碳酸鹽巖地區，基巖總體為緩傾巖層，地質條件復雜，巖溶較發育，存在突水突泥、掉塊等，安全風險高。隧道出口處山體坡度較陡，巖體節理裂隙較發育，巖體較破碎，局部發育陡傾節理，坡表零星分布松散危石。隧址區位于黃陵背斜東南翼，巖性主要為白云巖、白云質灰巖，基巖總體上為緩傾巖層，傾角大部分小于20°，陡傾節理較發育，巖體切割為塊狀，施工開挖易掉塊。隧道范圍基本均為可溶巖地層，巖溶水是隧址區的主要地下水類型，也是主要的不良地質問題。水文地質條件主要為小木坪巖溶水系統，小木坪巖溶水文系統發育有隧址區面積最大、匯水區域最廣的2個巖溶洼地：小木坪洼地和大木坪洼地，為小木坪水文系統的主要補給區。該處一般情況下地下水直接經由下部溶洞排泄至鯰魚泉；該處隧道軌面標高為225.4 m，巖溶水管道位于軌面以上，隧道洞頂距離管道底部高約15 m，預測正常涌水量為5萬m3/d，最高涌水量為50萬m3/d，地下水主要受地表水補給，對降雨的反應比較敏感，流量施工難度大。

2 不良地質施工方案

隧道施工地質復雜、不良地質較多且安全風險高，如何順利通過不良地質段是本隧道施工重難點。不良地質有巖溶、斷裂帶、突水突泥、危巖落石和緩傾巖層等，針對本隧道的不良地質類型，采取相應的施工方案。

2.1 穿越斷層破碎帶施工方案

隧道穿過破碎帶時結合施工實際，超前地質勘探情況，對斷層破碎帶加強超前預支護，并嚴格遵循“短進尺、不爆破（或弱爆破），強支護、勤量測、早反饋”的軟弱圍巖施工原則進行施工。

2.1.1 查明隧道地質異常區結構及特征

隧道施工通過斷層及巖層破碎區域，整體施工難易程度和工程效率與地質異常區結構及特征、波及范圍、波及程度、巖層導水性及隧道整體設計走向與斷層構造發育方向之間的空間幾何關系等密切相關，所以為了保證隧道高效、安全通過地質異常區，就必須采用物探、鉆探等多種手段對斷層及巖層破碎區域進行探查，查明和掌握地質異常區的整體結構及特征?；谒淼朗┕^域已有工程水文地質資料，本次隧道施工超前探測選用瑞士安伯格測量公司生產的TSP203型號超前地質預報系統，考慮隧道工程地質條件和水文地質條件的特殊性，綜合GPR技術、紅外探水儀等進行地質異常區超前預報和探測分析，并針對可能存在的斷層及破碎異常區采用超前鉆探驗證，及時準確查明影響隧道施工的地質異常區范圍及特征，為調整施工方法、加強超前支護等提供精確的地質指導和地質預報。

2.1.2 合理施工方法

根據超前探測結果和地質水文情況預報，可以及時了解和掌握隧道施工現場地質條件及地質水文情況，參照地質異常及特征選用超前支護、破碎帶注漿和導水裂隙注漿加固等多種超前預防施工方法。經檢查注漿效果合格并施工超前支護后再進行開挖，采用三臺階法+臨時仰拱開挖，開挖采用風鎬開挖。由于斷層及破碎帶等區域地質條件的特殊性及施工難度，應當嚴格按照施工順序，控制隧道循環進尺，強化噴、錨、網和鋼架支護，并進行有效動態變形監測，保證隧道整體結構的穩定性和施工安全性。

2.2 隧道穿越巖溶段施工方案

和上述隧道過斷層及破碎帶的地質異常區一致，都必須依據隧道施工區域地質資料、超前地質預報和現場巖溶特征、影響范圍、導水性和巖層結構等探測查明情況，依據對隧道施工整體的影響程度采用引、堵、越、繞等技術方法進行處理，如圖1所示。對導水性強、對隧道施工影響程度較大的區域，針對性采取不同的注漿封堵加固措施，通過人為干預強化巖溶區域內整體巖層結構強度和穩定性，促使巖溶區段巖體達到隧道施工安全保障和穩定性的承載能力，以限制排水量，實現控制排放，并與噴錨支護一起共同保證施工期間洞室穩定及安全。

圖1 巖溶施工處理措施

但為了保證隧道施工人員安全，應當強化對巖溶巖層的檢查，嚴格遵循“敲幫問頂”，有效消除危石，而當隧道頂板成型較差造成溶洞頂板高情況，應當及時防護。巖溶區段受隧道施工擾動容易發生巖體結構強度失效等情況，所以應當盡可能降低施工擾動影響，例如在爆破作業的時候，采用多打眼、少藥量及短距離等方法來降低作業對巖溶區域的影響，保證施工安全。

2.3 穿越突水、突泥地段施工方案

根據設計文件的地質資料顯示隧道洞身穿越多處接觸帶及節理密集帶，可能形成貫通性輸水管道，施工中應結合超前地質預報防涌水、突水和突泥。前期水文資料預測隧道施工區段正常涌水量為5萬m3/d，最高涌水量為50萬m3/d，為了有效消除隧道施工過程中突水、突泥事故發生造成的較大危害，必須依據探測結果采取封堵防水、疏放排水等方法提前做好突水防治。封堵防水主要是利用注漿加固方式，依據涌水量大小設定注漿加固強度和支護強度，起到有效防護作用。

施工時，也應當針對突水、突泥區域進行針對性的施工支護和方法，采用小導管替換原有支護錨桿，并根據施工區域內滲漏水情況施工一定數量的鉆孔，并連接排水管，用于涌水引流，同時為了防止隧道內涌水積水，必須開挖一定的排水溝或引流渠，將排水管引水引流至隧道外。

2.4 其他不良地質施工方案

由于隧道施工區域地質條件復雜，巖體節理裂隙和陡傾較發育，在施工過程中可能會遇到危巖、落石或者緩傾巖層。根據已有地質資料，洞口段施工前，先對坡面松動、突兀的危巖危石采取爆破或人工清除方式進行清理（從上往下），局部難以清理的危巖體采用C25混凝土支頂、嵌補；清除松動巖塊后，采用GPS2型主動防護網防護，主動網密貼坡面，錨固牢靠，并于洞頂上方適當位置設置2道RXI-150型被動攔石網進行防護，防護網高度7 m，防護范圍根據現場情況適當調整。

隧道內巖層傾角大部分小于20°，陡傾節理較發育，巖體切割為塊狀，施工中容易發生掉塊、大變形等工程事故，針對可能遇到的工程風險制定防坍塌和應急救援預案。如果在隧道施工過程中，通過圍巖變形監測結果體現出隧道整體圍巖變形速度突然增大且變化較快，現場圍巖由于變形出現巖塊掉落、隧道支護噴漿表面出現較大裂縫、甚至掉皮掉塊、鋼筋支護結構發生嚴重曲變，以及涌水量明顯增大或裂隙范圍滲水量增大，立即組織指揮撤出工作面施工人員和機械設備，繼續跟進圍巖量測和現場觀察，采取相應的加固處理措施，確保圍巖穩定后繼續施工。而在施工過程中穿過地質預測結果可能存在較大風險的區段，必須提前預制高強度針對性的支護材料，而面臨隧道施工后發生圍巖變形和支護強度較弱，應當根據變形情況及時采取更高強度和剛度的支護材料，并采用輕型鋼管作為臨時支撐。為確保隧道施工在出現緊急情況下救援工作的順利實施，根據設計及相關要求在隧道內設置應急管道。

3 不良地質段施工要求及施工原則

（1）斷層破碎帶及其影響帶施工時主要應減少對圍巖的擾動，控制圍巖松馳、變形，通過超前加固、注漿加固和及時封閉等方式來提高圍巖的自承能力，施工應遵循“超前支護、分步開挖、隨挖隨護、密閉支撐、勤快量測”的原則。

（2）隧道穿越巖溶段施工，應當堅持預測預報先行原則，依據地質及水文地質預報，分區段、分影響程度和影響類型采取針對性的防護措施。重點在于查明巖溶段導水性、水害程度和水源補給，并采取注漿堵水、限量排水及分區段等方法進行施工。查明水害情況后，首先是降壓，隧道施工堅持在無水壓、低水壓狀態下進行，所以必須通過注漿封堵、鉆孔放水等方法將高水壓區段降為低水壓，而在施工過程中，一定要堅持降低擾動、保證巖溶區段巖層穩定。同時，要做好巖溶段導水水源監測，主要是為了保護生態環境免受隧道施工破壞，必要時對水源，尤其是地表水體進行處理。

（3）超前探測鉆孔設計參數遵循原則。超前地質探測覆蓋整個隧道施工區段，按照地質類型將鉆孔參數設計分為如下：①一般地質類型區段施工，鉆孔探測深度設定為30 m，隨隧道施工走向及傾角向上抬1°~3°；②如果需要擴大鉆孔探測范圍，提高探測深度，就必須考慮鉆桿及鉆桿連接處自重下垂量及偏移量，依據深度要求在原有立角基礎上進行相應調整，而在巖層節理較差區段，角度也可以適當加大；③巖溶不良地質構造區域超前探測，鉆孔探測范圍應當向隧道開挖區域向外進行延伸擴大，鉆孔應終孔于隧道開挖輪廓線以外5~8 m，外插角宜控制在13°~20°；鉆孔的位置、數量、深度和鉆孔大小必須堅持滿足工程需要為前提，必須對區域范圍整體地質情況、不良地質特征及影響范圍等進行充分驗證和查明。

（4）加深炮孔。是一種超前探測的方法，是對地質預測預報和鉆孔探測結果的一種顯象探測方法，是利用在隧道施工過程中，選擇可以代表整體隧道斷面地質情況的幾何基礎位置布設比一般炮孔深大于等于3 m的炮孔，專門用于地質探測和驗證查明，嚴禁用于炮孔使用。根據不同的隧道施工方法、地質條件和隧道設計等條件，加深炮孔孔數設置遵循如下要求，見表1：①加深深孔宜在隧道斷面輪廓線上均勻布置，可溶巖中，鉆孔深度不小于6 m，沿隧道走向向外夾角控制在小于等于21°，如果探測結果發現存在地質異常，可以加深炮孔深度5 m對地質異常進行更深入更明確的探測；②大跨段加深炮孔數量應根據現場情況酌情增加；③孔數和孔深以及孔的位置不是固定的，如果出現特殊不良地質構造、水文地質條件復雜等特殊情況，可以根據探測結果對炮孔參數進行相應的調整，適當增加孔深數量和探測深度。

（5）巖溶注漿施工控制基本原則和要點。為了方便孔口管的埋設，要求打鉆鉆孔半徑R大于孔口管外徑r，且為了達到孔口管埋設的需求和設計要求，鉆孔必須按照設計參數進行打鉆。打鉆過程中要時刻關注鉆孔涌水量變化，如果發現鉆孔涌水量增大，應停止鉆進進行涌水量觀測，而在打鉆過程中未發現涌水量異?，F象，待按照設計鉆孔到位后，同樣進行涌水量觀測。鉆孔且涌水量觀測正常后，關閉孔口閘閥及安設水壓表，對用水壓力進行觀測。待鉆孔到位且孔口管安置完成后，進行注漿注水試驗，孔口管安上漿液混合器并連接注漿泵，通過逐步調節水量和壓力達到預定注漿壓力值，檢查整個系統運轉是否穩定，是否出現串水、漏水等情況，檢測完成后卸壓。

表1 可溶巖段落（臺階法/全斷面法）加深炮孔孔數要求表

4 結束語

不良地質條件下隧道施工難度較大，為了保證隧道施工安全和工程穩定性，應當根據已有地質資料，強化超前地質預報和現場探查，查明巖溶、斷裂帶和突水突泥等不良地質類型及特征，并制定超前支護方案和應急預案。在施工過程中，嚴格遵循“先預報、短進尺、強支護、勤量測、超前預警”等施工基本原則，選擇可靠的施工方案和質量控制措施，在保證安全通過不良地質段的前提下提高施工質量。參考文獻：

[1]馬培雷.復雜地質條件下鐵路隧道施工技術[J].佳木斯職業學院學報，2020，36（2）：242-243.

[2]李正文.不良地質條件下隧道施工方法研究[J].交通世界，2020（20）：120-121.

[3]楊榮程.不良地質條件下的隧道施工要點及質量控制分析[J].設備管理與維修，2022（2）：148-149.