復雜地質條件下隧道設計方法探討

摘要 隧道工程是我國區域經濟發展的重要交通基礎設施，有效推動了我國經濟的繁榮和發展。但由于其施工中存在的不良地質環境較多，技術復雜，建設難度越來越大。鑒于此，文章針對復雜地質條件下隧道設計方法展開全面探究，并借鑒以往研究成果，科學分析了大變形、巖爆、活動斷裂帶等復雜地質條件下的隧道設計原理，總結了針對性的設計方法和防治原則，以期能對我國的隧道工程建設提供幫助。

關鍵詞 隧道工程；不良地質條件；設計方法；防治原則

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0132-03

0 引言

隧道工程途經板塊活躍地帶，通常會遇到諸多復雜地質環境，如高地應力巖爆、大變形、活動斷裂帶等，給施工帶來較大困難。目前，針對地質狀況不良的隧道設計理念及方法研究較多，但隧道施工地質環境復雜多變，亟須探索新的設計理論和方法，以滿足新時期隧道施工需要。因此，該文參考以往隧道工程設計理論和方法，并結合自身隧道工程施工經驗，全方位探究了各種不良地質環境條件下隧道設計的基本原理及方法，總結了大變形、巖爆、活動斷裂帶隧道設計方法和防治原則，旨在提高我國隧道工程施工的科學性、合理性和高效性。

1 隧道工程典型不良地質問題

1.1 高地應力軟巖大變形

某隧道工程施工區域泥質板巖、砂質板巖等硬度較低的巖石分布廣泛。地質勘察數據顯示，此類巖石隧道水平地應力高達44 MPa，經建立相關數據模型，得出其水平地應力達58 MPa。

1.2 高地應力硬巖巖爆

某隧道工程施工區域花崗巖、灰巖等硬質巖石分布廣泛，結合勘察相關信息，推斷該隧道面臨一定的巖爆狀況，經模擬分析其最大水平地應力為75 MPa[1]。

1.3 活動斷裂帶

某隧道工程施工區域為新構造地段，板塊穩定性較差，隧道途經活動斷裂帶，其發展趨勢為走滑平移形式，移動速度快，活躍度高，穩定性差，對隧道施工極為不利。

2 復雜地質條件下隧道設計方法

2.1 大變形隧道設計方法

2.1.1 設計方法

隧道大變形具有圍巖變形量大、速度快、周期長等特點，極易造成初期支護斷裂失效、支護侵限等一系列質量缺陷，嚴重威脅施工安全。結合各國隧道大變形施工案例能夠發現，主動支護構件能有效控制大變形的產生和發展，具有良好的應用前景。經預應力作用，或采取合理的加固措施，能顯著降低巖土劣化速度，控制圍巖變形發展，有效提升支護結構抗變形能力，確保隧道周圍巖體穩定、可靠[2]。

目前，隧道超前支護+掌子面注漿加固設計在大變形設計中應用最為廣泛，其包含的具體方法較多，主要有經驗設計法、數據分析法、動態平衡分析法等。現階段，隨著新意法的逐漸普及，越來越多的專業人士將研究重點集中于掌子面對隧道結構變形的影響，探索出更加科學有效的掌子面超前加固設計原理，構建力學分析模型，如圖1所示，并研究了具體的計算公式，如式（1）所示。

（1）

式中，β1、β2、β3——巖體內摩擦角系數；α1——超前加固時掌子面影響區域垂直變形荷載折減系數；α2——掌子面采取支護處理后巖體內聚力增加系數；Fc——滑移反應面黏聚力合力（kN）；Fq——滑移體豎向變形合力（kN）；Fw——滑移體重力（kN）；P1——掌子面加固作用力（N）；K——掌子面穩定系數。主動加固設計重點為加固體系主動對周圍巖體實施加固的性能分析，但由于加固體系與巖體存在較為復雜的作用力，具體設計仍處于不斷探索階段，但就目前相關研究數據來看，可采用總安全系數法[3]。

（1）總安全系數法。采用此方法進行設計時，隧道拱頂圍巖壓力表征值可通過數值分析法計算得出，其具體計算模型如圖2和圖3所示。

（2）數值分析法。計算圍巖壓力表征值時，主要應用有限元和有限差分法，圍巖本構模型應結合實際狀況選擇非線性彈塑性、理想彈塑性、黏彈塑性等，工況形式為無加固形式。若無加固形式可收斂時，圍巖表征值取隧道施工區域內拱頂塑性巖體重量的1.2倍；如無加固形式不收斂，則通過施加荷載作用使其處于收斂狀態，再取隧道施工區域內拱頂塑性巖體重量的1.2倍作為圍巖壓力表征值，而中間施工的荷載作用主要由圍巖預加固體系承擔[4]。

理論計算：H≥（10～15）D時，滿足摩爾－庫侖理論的巖體，其壓力表征值推導過程如式（2）（3）和（4）所示。

豎向均布荷載：

q=αγ（Rpd?a） （2）

水平均布荷載：

e=βγq （3）

（4）

式中，q——豎向荷載（kPa）；e——水平荷載（kPa）；α、β——依次表示頂部、側面巖石壓力調整系數，通常大于1.2，并結合巖石狀態實施適當調整（如水平巖體，α取值不小于1.0，β取值不大于1.0）；γ——巖體重度（kN/m3）；Rpd——塑性區半徑（m）；a——當量圓圓心距45o區域隧道開挖位置的距離（m）；λ——巖體側邊壓力系數；R0——開挖斷面半徑，若斷面為非圓形，此時取當量圓半徑（m）；P0——巖體最初應力值（kPa）；c——巖體黏聚力（kPa）；φ——巖體內摩擦角[5]。

Hlt;（10～15）D時，通過具體埋深狀況，彈塑性有限元分析法確定無加固狀態下的塑性區位置，并采用拱圈頂部90o區域內的塑性區高度均值作為巖體壓力標準值的等效高度。為最大程度地確保結構安全性，可按照H=（10～15）D時計算公式進行計算[6]。

2.1.2 防治原則

參考具有代表性的軟巖大變形設計方法，并根據其控制方式，提出“調整結構、主動支護、分步控制、加強支護”的防治原則，秉承“快開挖、快加固、快閉合”的理念。

（1）對于一、二級大變形，采取調整隧道結構，主動加固的方式，對隧道內部巖體實施加固處理，科學控制結構變形。

（2）對于三、四級大變形，在調整隧道結構，采取主動加固的基礎上，通過科學方式適當卸載，提高初期支護強度和承載性能，有效控制隧道變形。

2.2 巖爆隧道設計方法

2.2.1 設計方法

針對巖爆隧道設計，世界各國業內專業人士進行了大量探索和實踐，但在具體應用時仍普遍采用類比法。現階段，該研究領域取得了重大突破，提出了巖爆洞身支護體系沖擊荷載確定方式。其計算過程如下：

（5）

（6）

（7）

（8）

式中，q沖擊——沖擊荷載（Pa）；K——動荷因數；m——爆塊質量（kg）；g——重力加速度（m/s2）；a——爆塊邊長（m）；R——隧道當量半徑（m）；E——支護體系彈性模量（GPa）；I——截面抗彎系數；Δ——沖擊位置撓度最大值（m）；Δst——自重作用下的撓度（m）；v——爆塊沖擊速度（m/s）。

通過荷載－結構運算模型驗算巖爆隧道安全系數，其加載方式：先施加巖體荷載作用力，再在拱圈頂部施加一定量的沖擊荷載，荷載影響區域為拱圈頂部左右兩邊爆塊長度的1/2。

2.2.2 防治原則

根據現階段世界各國針對巖爆隧道的研究和分析，其加固措施應結合具體形式及等級確定，科學執行“預警先行、主動控制、多機少人、保證安全”的基本原則，合理進行巖爆隧道設計及施工。

技術措施包括：①設計時嚴格按照地勘報告及相關資料，確定巖爆種類和級別，編制科學有效的處理方案。②實際施工時應實時監測巖爆狀況，科學準確地判定出巖爆發生概率及具體等級，及時進行噴錨加固，強化超前支護，并采取光面爆破實施綜合防治。③資源配置方面，應全面采用機械化施工，提升機械自動化、信息化和智能化水平，并加強機械防護性能，最大程度地減少人工作業，有效保證施工安全。

2.3 活動斷裂帶隧道設計方法

2.3.1 設計方法

現階段，隧道工程中應用較為普遍的抗震計算方式包括靜力法、反應位移法和時程分析法等，如表1所示。各種計算方式具有自身特性及適用范圍，實際應用時，應結合隧道等級、抗震設防種類、抗震要求、隧道結構形式、施工區域地質狀況及地震動輸入指標等共同確定。

（1）橫向地震作用。通過靜力法確定抗震性能，其橫向設計地震動峰值加速度Ah由公式（9）（10）得出：

Ah=Cs AhⅡ （9）

AhⅡ=Ci A （10）

式中，Cs——施工區域地震動峰值加速度優化系數，根據《公路隧道抗震設計規范》（JTG2232—2019）表5.2.1中相關數據分段，線性插值確定，當選擇的指標與施工區域地質狀況相匹配時，Cs=1.0；AhⅡ——Ⅱ類區域橫向設計地震動峰值加速度；Ci——抗震關鍵性系數，根據《公路隧道抗震設計規范》（JTG2232—2019）表3.1.5確定；A——Ⅱ類區域橫向基本地震動峰值加速度，根據《中國地震動參數區劃圖》確定。

通過反應位移法計算時，地表橫向設計地震動峰值位移umax由公式（11）（12）得出：

umax=FuumaxⅡ （11）

umaxⅡ=FuhⅡ AhⅡ （12）

式中，Fu——施工區域地震動峰值位移調整系數，根據《公路隧道抗震設計規范》（JTG2232—2019）表5.2.2中相關數據分段，線性插值確定；umaxⅡ——Ⅱ類區域橫向基本地震動峰值位移（m）；FuhⅡ——經驗系數，此處取1/15 S2。

（2）豎向地震作用。場地豎向設計地震動峰值加速度Av應全面結合橫向設計地震動峰值加速度Ah，根據式（13）計算得到。活動斷裂區域，豎向峰值加速度取橫向峰值加速度值。

Av=Kv Ah （13）

式中，Kv表示豎、橫向地震動峰值加速度之比，根據《公路隧道抗震設計規范》（JTG2232—2019）分段，線性插值確定。

2.3.2 防治原則

根據目前各國相關工程實踐，并按照隧道活動斷裂帶具體狀況，尤其對于發震斷裂，斷裂部位產生較大錯位，導致隧道襯砌徹底破壞，對隧道運營造成極為不利的影響。該區域設計應堅持“預設空間、調整結構、分段設計、實時監測”的設計原則。

采用圓形襯砌形式，各節段連接部位增設變形縫，洞體凈空留設加固處理空間，并通過徑向注漿方式對圍巖實施加固。

3 結論

現階段，我國的隧道施工技術日益完善，其設計理論和方法更加成熟，特別針對復雜地質環境，隧道工程設計和施工經驗極為豐富。該文通過對大變形、巖爆、活動斷裂帶等施工技術難題的綜合分析，提出了針對性的隧道工程設計理念和方法。經隧道工程施工實踐，全面提升了我國不良地質條件下隧道建設能力，促進了我國隧道設計理論、方法的不斷完善和發展。

參考文獻

[1]楊永貴. 復雜地質環境下高速公路隧道施工技術分析[J]. 科技創新與應用， 2022（18）： 154-157.

[2]孫旭東， 李振團. 某復雜地質條件特長隧道勘察技術及主要工程地質問題[J]. 中國水運， 2022（5）： 146-148.

[3]羅鵬. 復雜地質條件下鐵路隧道施工技術研究[J]. 大眾標準化， 2021（19）： 51-53.

[4]崔志波. 談隧道工程在復雜地質條件下的施工技術[J]. 黑龍江交通科技， 2021（5）： 135+137.

[5]項京. 隧道復雜地質環境下的巖土工程勘察與評價研究[J]. 世界有色金屬， 2021（1）： 205-206.

[6]劉國偉， 田飛， 鄒玲， 等. 復雜地質公路隧道施工技術[C]//. 2021年全國工程建設行業施工技術交流會論文集（中冊）， 2021： 187-190.