復雜地質條件下的隧道設計理論與實踐方法

曾凡杰 蔣玉兵 黃劍鵬 李 坤

中機中聯工程有限公司 重慶 400039

軌道交通中部分隧道工程地質條件比較復雜，再加上較大的施工規模，所以在設計復雜、大規模的隧道施工方案時，應當與隧道的實際工程條件與項目建設需求結合，綜合考慮制定科學合理的復雜地質條件隧道工程設計方案[1]。有研究對隧道施工中有效防控巖爆，通過工程類比法從作用機理、發生規律、預測防護等方面分析，缺乏對實踐經驗的總結[2]。因此將以某復雜地質條件隧道工程為例，對該工程項目隧道設計理論與實踐方法進行總結分析，旨在能夠為類似隧道工程建設提供參考思路。

1 隧道工程概況

以某軌道交通的隧道段工程項目為例，此工程左右洞長分別為8695m、8599m，計劃隧道段的行車速度約85km/ h，分別在左右線縱坡設計1.5%單向坡。此隧道的工程項目規劃設計，需要與隧道工程項目的所在區域地形地貌、地質水文等各方面條件綜合考慮，并對隧道項目工程豎井與斜井技術分析確定技術方案。此隧道左右洞具體可以劃分為三段，均通過縱向分段送排式通風，隧道工程中需要設計各類機電系統，包括通風、照明與消防系統等[3]。

通過大量搜集整理此工程項目復雜地質條件，洞身穿過大約總長47%的花崗巖、灰巖硬質巖，前期初步勘察預計此段隧道工程面臨多處不同程度巖爆問題，最大水平地應力基本在35MPa。依據初步勘察相關資料，全線大約有50 多個對線路有一定影響的高溫熱泉，水溫浮動在40～100℃，最高可達210℃。并且在多條線路穿越活動段共計7 條斷裂，主要斷裂活動走勢集中在平移現象，較大活動速率與極強活動性，一旦發震極有可能導致隧道錯斷、震裂，對隧道工程的施工安全性造成極大損害[4]。

2 復雜地質條件下隧道設計原則

在設計復雜地質條件下的隧道工程項目，需要堅持原則如下：

（1）需要將柱式、臺階式、端墻式洞口結構，設計于隧道洞口，結合隧道洞口的施工規定、所處地質條件，選擇合適洞口；

（2）假若隧道工程在隧道洞口和中線根據地形，可以形成高等線斜角，可以設計斜交式隧道洞門，此外還要保證線路中線和端墻形成45°以上夾角[5]；

（3）對于隧道工程的內部輪廓設計，應當嚴格遵循隧道的施工標準規范，確保洞口內各類設備的完整性，對隧道工程排水、通風、照明、檢修等設備合理布設；

（4）假若隧道工程在周邊設有車站、風景區、城鎮等，應當注意隧道洞門設計美觀性，適應于城市的建設總規劃思路；

（5）設計復雜地質隧道工程，一定要注意各施工區域的量測管理，提前做好地質超前預報。

3 復雜地質條件隧道設計

3.1 加強隧道地質勘測工作

對于隧道工程地質勘測時，可以運用綜合物探、遙感測繪、鉆探等先進技術，還要注意在勘察設計階段，施工區域的巖溶水動力和水系統具體分布情況全面查明掌握，從而科學評估巖溶涌水量和具體狀態，另外還要對隱伏巖溶分布狀態做足前期勘察工作，搜集一手資料為隧道工程設計提供參考。在隧道項目的實際施工中，做好超前地質預報，可以應用超前鉆孔、TSP、紅外線技術，詳細了解隧道工程在開挖前方15～200m 距離內的具體地質狀況，以掌握的隧道地質條件建立適用的施工方案[6]。

3.2 科學選擇隧道軸線

在選擇隧道工程軸線時，需要對隧道施工區域的所處海拔高與接線方案綜合考慮，多個方案對比優選，分別確定高、中、低三個不同軸線方案。首先，確定隧道高線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達到5811m、5825m高度，設計1.8%的縱坡角度。其次，確定隧道的中線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達到8675m、8670m 高度，設計1.505%的縱坡角度。最后，確定隧道的低線軸線施工方案，隧道工程的左右洞分別達到9975m、9825m 高度，設計1.0%的縱坡角度[7]。

根據全面勘察隧道工程的地質條件情況，對于隧道兩側的具接線位，需要考慮到復雜的地質條件，所以高軸線方案并不能夠保證絕對使用。對比中軸線與低軸線，由于低軸線所需完成的施工規模較大，所需投資金額較大，低軸線的通風管理工作并不理想，面對較差的行車條件，最終確定中軸線施工方案，能夠更貼合本次隧道交通設計需要。規劃設計該隧道的工程施工圖見圖1，需要對地質、水文的勘察結果多因素綜合考慮，對巖溶復雜地質的不良影響因素做到全面規避，還要與隧道施工中的豎井、斜井施工相協調，確保隧道的通風效果與安全行車[8]。

圖1 隧道路線施工圖

3.3 制定隧道通風方案

在對復雜地質條件下隧道工程設計方案時，對于不同設計階段需要對比兩段式、三段式方案。如果應用三段式通風，為了滿足隧道施工需求應當加設斜井、豎井，在正式投入運營中所需費用不高，還可以有效保證隧道的不同路段達到良好通風，改善隧道的行車環境，并且此方案還建立了有力隧道工程防災能力。通過多次對比優選通風方案后，將雙斜井、雙豎井方案用于隧道A、B 兩端，在對隧道規劃設計過程中，考慮到此隧道的復雜地質條件，面對較大的施工段長，通風方案要保證利于正洞施工[9]。可以將各2 個斜井與豎井，分別設計于隧道兩端，保證兩套提升系統的獨立運行方便隧道便捷施工，同時還能夠縮減隧道主洞的工期，極大的提高了施工效率，增強通風減小空氣污染。

3.4 設計隧道施工消防救災系統

對本次隧道工程的防火防災設計，需要在立項階段重點考量，那么在設計中需要注意隧道施工結構安全性，一定要注意在施工中使用耐火材料，還要同步設置警報裝置與相關設施，設計避難場所與緊急疏散通道，確保在隧道施工中的完善警報與防火防煙系統，加強對隧道工程的全面監管。

3.5 隧道施工動態實時反饋

隧道工程面臨較大的施工規模與復雜的地質條件，在施工中對于斷層、涌水、突泥、巖爆、軟巖變形等危險因素，規劃設計該隧道工程方案前期應當注意，全面勘察隧道施工區域的復雜地質條件，注意采用物探聯合鉆探勘查技術，對此隧道工程的巖溶水文條件密切調查，還要注意進行地應力測試，掌握此隧道項目的實際地質情況，盡可能避免隧道支護設計過程中發生由于復雜地質影響的安全事故。

4 復雜地質條件隧道施工實踐

4.1 支護施工

在隧道主動支護施工階段，目前廣泛用于隧道工程中的支護設計，主要為超前支護、掌子面加固支護、洞身支護這三類。前兩種支護設計，被廣泛應用于工程項目中，有經驗設計、數值解析、力學平衡等方法。隨著在隧道工程中普遍應用巖石控制變形分析法，已經有諸多學者對掌子面控制隧道洞身穩定性加大重視，提出掌子面超前支護設計，建立穩定力學模型公式（式1）。

式中：β1、β2、β3——有關隧道圍巖內摩擦角相關系數；

α1——在隧道管棚支護設計掌子面所受隧道豎向荷載力的變形壓力折減系數；

Fc——隧道支護面滑移聚合力。在設計隧道工程主動支護方案時，要明確方案設計的重點，要分析隧道支護構件的主動加固圍巖支護能力，要考慮圍巖和隧道支護結構之間的作用復雜性，在隧道工程前期設計階段就確定可行性方案。

4.2 巖爆施工

目前在有關隧道巖爆設計研究中，國內外諸多專家對此進行理論與實踐研究，工程類比法被廣泛用于隧道巖爆工程設計中，沖擊荷載作用力的計算公式見式（2）。

式中：q沖擊——沖擊荷載作用力；

K——動荷因數；

m——爆塊質量；

g——重力加速度；

α——爆塊的邊長。

根據《鐵路隧道設計規范》中有關巖爆隧道安全系數，使用荷載- 結構計算模型對圍巖所受重建荷載作用力計算后，確定荷載作用力具體位置，并與國內外目前在巖爆隧道相關理論分析與調研結果相結合，在工程前期制定巖爆預防措施，對可能發生的巖爆事故安全等級與具體類型嚴格遵循主控控制這一原則，保證隧道施工的安全性。

在實際工程施工中，需要重視前期設計階段，就要與地質勘察相關資料結合，重視對巖爆級別的劃分，制定針對性防治工作預案。在施工過程中還要加強對隧道巖爆情況的及時預測，重視巖爆可能性與預測方案可行性，加強超前支護也可以輔助應用光面爆破等防治措施。

5 結語

總而言之，通過在本文結合復雜地質條件實際工程項目，分析該項目的地質條件，遵循隧道設計施工原則，對隧道從規劃設計至實踐施工展開探索，對復雜地質條件下隧道項目的各類風險合理規避，保證隧道設計理論方案的實踐可行性。