復雜地形地質條件下隧道施工技術研究

蘇敬鋒

廣州市市政集團有限公司工程總承包分公司 廣東 廣州 510000

在過去的幾十年里，隧道施工技術取得了顯著的進步，但在復雜地形地質條件下，仍然面臨許多技術難題。如何在這些復雜條件下保障隧道施工的質量、效率和安全，成為了工程界和學術界關注的焦點。同時，隧道工程對周邊環境和地下資源的影響也引起了越來越多的關注，如何實現隧道施工的可持續發展，也成為了研究的重要課題。針對這些問題，國內外學者已經進行了大量研究，提出了許多有針對性的解決方案[1]。然而，由于地形地質條件的多樣性和不確定性，以及技術和設備的局限性，目前尚未形成一套完善的理論體系和實踐方法。因此，在復雜地形地質條件下隧道施工技術的研究仍具有重要的理論價值和實際意義。本文將對復雜地形地質條件下隧道施工技術進行系統的研究，旨在為工程實踐提供理論指導和技術支持。

1 地質條件對隧道施工的影響

1.1 地質結構

隧道施工過程中，地質結構是影響隧道工程安全與施工難度的重要因素。地質結構主要包括構造斷層、巖層厚度、巖層傾角、巖層間的接觸關系等特征。構造斷層是指巖石受到內外力作用產生的斷裂帶，斷層兩側的巖石產生相對位移。在隧道施工過程中，斷層帶容易導致地質條件的不穩定，增加施工難度和風險。特別是活動斷層，可能引發地震，對施工和隧道的安全性產生極大影響。巖層厚度是指巖石地層在地球表面上的橫向延伸范圍，巖層厚度的大小直接影響隧道開挖時的圍巖穩定性。巖層厚度較小的地層，施工時需特別注意支護設計和開挖速度，以防止圍巖塌陷。相反，巖層厚度較大的地層，圍巖穩定性較好，但需要針對不同巖性進行合理的施工方法選擇。巖層傾角是指巖石地層在地球表面上的傾斜程度。傾角的大小直接影響著隧道施工過程中的圍巖變形和支護結構設計。一般來說，傾角較小的巖層更容易出現圍巖變形和破碎，對施工造成一定困擾；而傾角較大的巖層，圍巖變形較小，但施工過程中需要注意地下水的滲透風險。巖層間的接觸關系是指不同巖層之間的接觸面。接觸關系的不同會影響隧道開挖時的圍巖穩定性和施工難度[2]。例如，不整合接觸關系的巖層，由于構造作用產生了巖層的錯動，容易引發圍巖的破碎和變形；而整合接觸關系的巖層，巖石之間的接觸較為牢固，圍巖的穩定性較好。

1.2 巖性特征

巖性特征是指巖石的物理、化學和力學性質，如巖石密度、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度、滲透系數等。巖性特征對隧道施工具有顯著影響，主要體現在開挖難度、圍巖穩定性、支護結構設計和施工風險等方面。不同巖性的巖石，其開挖難度各異。例如，軟巖（如泥巖、粉砂巖等）的開挖較為容易，但容易發生圍巖變形和破碎；硬巖（如花崗巖、玄武巖等）的開挖難度較大，需要采用較高強度的爆破或機械鑿巖方式，但圍巖穩定性較好。巖性特征還影響隧道支護結構的設計。軟巖地層中的圍巖抗壓強度較低，需要采用較為嚴密的支護結構，如鋼筋混凝土襯砌、錨噴支護等；硬巖地層中的圍巖抗壓強度較高，可以采用較為簡單的支護結構，如巖棉板支護、鋼拱架支護等。巖性特征對隧道施工風險的影響主要體現在地下水滲透、突泥災害等方面。一般來說，巖性較差、滲透性強的巖石容易導致地下水滲透，增加隧道施工的風險；同時，地下水亦可能導致突泥災害，影響施工安全和進度。

1.3 地下水

地下水在隧道施工過程中具有重要影響，主要表現在圍巖穩定性、施工方法的選擇、支護結構設計以及施工安全與風險控制等方面。首先，地下水會影響圍巖的穩定性。地下水在巖石裂隙中流動，可能導致巖石破碎、顆粒堵塞裂隙，從而引發圍巖的變形和破碎。此外，地下水還可能改變巖石的力學性質，如抗壓強度、抗剪強度等，進一步影響隧道的穩定性。其次，地下水對施工方法的選擇具有一定影響。在地下水條件復雜的地區，常需采用具有良好抗滲能力的施工方法，如盾構法、凍結法等。同時，地下水亦可能對施工速度和效率產生影響，因此需要針對不同地下水條件選擇合適的施工方法[3]。再次，地下水會影響支護結構的設計。在地下水條件較差的地段，需要采用具有較強防水性能的支護結構，如密封式鋼筋混凝土襯砌、預應力錨噴支護等。此外，地下水還可能導致支護結構腐蝕、混凝土碳化等問題，因此需要在設計中充分考慮地下水的影響。

1.4 地質應力

地質應力是指地球內部的巖石受到的應力作用，包括地殼應力、構造應力等。地質應力對隧道施工具有顯著影響，主要體現在圍巖穩定性、支護結構設計、施工方法選擇以及施工安全與風險控制等方面。首先，地質應力對圍巖穩定性具有重要影響。較高的地質應力可能導致巖石的破碎、變形和開裂等現象，從而影響隧道圍巖的穩定性。在地質應力較大的地區，需要加強對圍巖的監測和控制，以確保隧道施工的安全。其次，地質應力會影響支護結構的設計。在地質應力較大的地段，需要設計更為堅固、能承受較高應力的支護結構，如鋼筋混凝土襯砌、預應力錨噴支護等。同時，設計時還需考慮支護結構在受力后的變形與破壞模式，以便于及時采取應對措施。再次，地質應力對施工方法的選擇具有一定影響。在地質應力較大的地區，需要采用能夠適應高應力環境的施工方法，如新奧斯陸法、盾構法等。

2 施工方法與技術

2.1 盾構法

盾構法適用于復雜地形地質條件下的隧道建設，該方法采用盾構機對隧道圍巖進行開挖，并在開挖過程中同步安裝鋼筋混凝土管片或其他支護結構，以確保隧道圍巖的穩定性。盾構法具有施工速度快、對地表影響小、環境污染低等優點，適用于城市地下交通、水利水電等領域的隧道建設。盾構法可以分為土壓平衡盾構法（EPB）、泥水盾構法（SLURRY）、硬巖盾構法（HR）等類型。土壓平衡盾構法適用于粘性土、砂土等地層，通過維持開挖面的土壓來確保圍巖穩定；泥水盾構法適用于含水量較高的地層，采用泥漿對圍巖施加壓力，防止地下水滲透和圍巖變形；硬巖盾構法適用于硬巖地層，采用刀盤對巖石進行開挖，具有較高的施工效率[4]。

2.2 雙層壁導坑法

雙層壁導坑法是一種適用于復雜地形地質條件下的隧道施工方法，主要用于地下水豐富、軟弱地層或地表建筑物較密集的區域。該方法通過在隧道開挖范圍內先行設置雙層壁結構，以保證隧道圍巖的穩定性和施工安全。雙層壁導坑法的施工過程如下：首先，沿隧道軸線設立鉆孔，并在鉆孔內設置鋼筋籠。然后，將混凝土灌注至鉆孔內，形成雙層壁結構。雙層壁結構包括內層和外層，內層通常為鋼筋混凝土，以保證支護結構的穩定性；外層則為灌注土，以減小內層結構受力。最后，在雙層壁結構內進行隧道開挖，并根據實際情況設置支護結構。雙層壁導坑法能夠有效防止地下水滲透，減小隧道施工對周圍環境的影響；提高施工安全，降低隧道坍塌的風險；減少地表沉降，保護地表建筑物的安全。然而，雙層壁導坑法的施工難度較大，需要較高的技術水平和嚴密的施工管理。

圖1 雙層壁導坑法

2.3 新奧斯陸法

新奧斯陸法（New Austrian Tunneling Method，簡稱NATM）是一種適用于復雜地形地質條件下的隧道施工方法。新奧斯陸法充分利用圍巖自身的支承能力，結合噴錨、支護結構及預應力技術進行隧道開挖與支護，降低施工成本且環境影響較小。新奧斯陸法的施工過程如下：首先，按照設計好的開挖斷面進行分段開挖，開挖過程中需密切監測圍巖的變形與應力。其次，隨著開挖的進行，實時噴射混凝土并設置錨桿支護，以形成初期支護結構。此外，根據圍巖條件和設計要求，可以采用預應力錨索、鋼拱架等輔助支護措施。最后，在初期支護結構達到一定強度后，進行隧道襯砌施工。新奧斯陸法具有以下優點：充分利用圍巖自身的支承能力，降低支護結構的成本；施工過程中強調對圍巖的監測和應力控制，提高隧道的穩定性；適應性強，可根據實際地質條件調整施工方案。然而，新奧斯陸法對施工技術要求較高，且施工過程中需密切監測圍巖情況，以確保施工安全。

2.4 噴漿支護法

噴漿支護法是一種常用于復雜地形地質條件下的隧道施工方法，特點是將水泥漿液噴射到隧道圍巖表面，形成堅固的支護結構。噴漿支護法具有施工速度快、適應性強、經濟效益好等優點，廣泛應用于隧道、地下洞室等工程建設。噴漿支護法的施工過程如下：首先，在隧道開挖過程中，對開挖面實施即時噴漿，形成初期支護結構。噴漿材料通常為水泥漿液，還可加入速凝劑、纖維等材料以提高支護結構的強度和耐久性。其次，根據地質條件和設計要求，設置錨桿、鋼拱架等輔助支護措施，進一步提高圍巖的穩定性[5]。最后，在初期支護結構達到一定強度后，進行隧道襯砌施工。噴漿支護法具有以下優點：施工速度快，可實現隧道開挖與支護的同步進行；適應性強，可根據實際地質條件調整噴漿材料和施工參數；經濟效益好，噴漿材料成本較低，且施工過程中可減少浪費。然而，噴漿支護法對施工技術要求較高，噴漿過程中需嚴格控制噴射速度、壓力等參數，以確保支護結構的質量。

3 隧道施工安全與風險控制

3.1 風險評估與監測

在復雜地形地質條件下進行隧道施工，面臨諸多風險，如地下水滲透、地壓突變、圍巖不穩定等。為確保施工安全，降低工程風險，必須對這些風險進行評估與監測。在施工前應進行全面的風險評估，通過對地質勘探資料、歷史地質資料等進行分析，評估不同風險因素對隧道施工的影響程度，制定相應的風險防范措施。例如，根據地下水位和滲透系數預測地下水滲透風險，選擇合適的支護結構和施工方法。在施工過程中實施持續監測，通過安裝地質雷達、應力計、位移計等儀器，實時監測圍巖的變形、應力及水文條件的變化。監測數據可用于判斷隧道施工過程中潛在的風險，并采取相應措施進行調整。此外，根據監測數據進行風險預警與響應。對于可能發生的風險事件，提前設定預警閾值，一旦監測數據超過閾值，立即啟動應急響應措施。例如，當監測到地下水位急劇上升時，可采取緊急抽水、加強支護結構等措施，以確保施工安全。

3.2 突泥災害防治

突泥災害是復雜地形地質條件下隧道施工中常見的一種風險，主要表現為突然的泥水噴涌，可能導致隧道施工安全受到嚴重威脅。因此，針對突泥災害，制定有效的防治措施至關重要。在施工前期應充分了解地質條件，預判可能發生突泥災害的區域。通過地質勘探、鉆孔取樣等方式，獲取地層結構、巖性特征、地下水條件等信息，為制定防治措施提供依據。采用適當的施工方法降低突泥災害風險，例如選擇盾構法或雙層壁導坑法等適用于軟弱地層和含水量較高地區的施工方法。同時，對于易發生突泥的區域，可采取局部地質預報和加強支護結構等措施。此外，加強現場監測和預警系統建設。安裝地下水位觀測井、應力計等監測設備，實時監控地下水位和圍巖應力變化，及時發現異常情況。一旦監測到突泥災害的跡象，立即啟動應急響應措施，如緊急抽水、封堵噴涌口等，以確保施工安全。

3.3 地下水泥漿噴射

地下水泥漿噴射法是一種應對復雜地形地質條件下隧道施工中地下水問題的有效方法，通過將水泥漿噴射到圍巖裂隙中，達到堵塞滲透路徑、降低地下水位、提高圍巖強度的目的，從而降低隧道施工中的水害風險。地下水泥漿噴射法的實施步驟如下：根據地質勘探結果和隧道施工設計，確定可能出現地下水問題的區域及噴射孔位；在指定位置鉆設噴射孔，根據地層特點和裂隙狀況選擇合適的噴射壓力、速度及噴射量；將水泥漿通過噴射設備噴射至裂隙中，以填充和封堵滲水通道，水泥漿可根據實際需求加入速凝劑、粘結劑等材料，以提高噴射效果和固結強度；對噴射效果進行監測和評估。通過監測設備如應力計、水位計等，觀察噴射后地下水位和圍巖應力的變化情況，以判斷噴射效果是否達到預期目標。

4 結語

本文針對復雜地形地質條件下隧道施工技術進行了研究，分析了地質結構、巖性特征、地下水和地質應力等關鍵因素對隧道施工的影響。根據這些因素，探討了各種施工方法，如盾構法、雙層壁導坑法、新奧斯陸法和噴漿支護法等，以及風險防治措施，如風險評估與監測、突泥災害防治和地下水泥漿噴射法等。綜合考慮各種因素和施工方法，選擇適用于復雜地形地質條件下的隧道施工技術至關重要。同時，針對不同風險，實施相應的預防和應對措施，以保障施工安全和工程質量。未來的研究可進一步深入探討各種施工方法在特定地質條件下的優劣及適用性，為隧道工程提供更為全面和有效的技術支持。