復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道連拱施工技術(shù)

陳均甫

(廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003)

當(dāng)前我國正處于“十三五”規(guī)劃實施的緊要關(guān)頭，國民經(jīng)濟建設(shè)突飛猛進，現(xiàn)代化各項事業(yè)不斷發(fā)展，在各領(lǐng)域都取得了較為顯著的成績。以隧道的施工技術(shù)為例，近些年，經(jīng)過不斷的努力和探索，我國隧道的施工技術(shù)和管理體系正朝著標(biāo)準(zhǔn)化、智能化的方向邁進，并逐步與國際接軌，很多施工設(shè)備、施工工藝以及管理理念等可比肩歐美等發(fā)達國家，國際上通用的部分隧道施工標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范由我國制定，可以說在某些隧道施工技術(shù)上，我國正引領(lǐng)著世界的發(fā)展方向。

隧道連拱施工技術(shù)一直以來都是巖土道橋領(lǐng)域所重點突破的工程內(nèi)容，由于其施工過程中的復(fù)雜性和難度，隧道連拱施工技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也是業(yè)內(nèi)的專家和學(xué)者們多年來研究的重點課題，而對于復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道連拱施工技術(shù)而言，其中的施工難度以及所遇到的施工瓶頸均超出了以往常規(guī)隧道連拱施工的技術(shù)框架，即一般的隧道連拱施工技術(shù)已不再適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工要求。本文以喀斯特巖溶地質(zhì)環(huán)境為例，詳細(xì)分析了基于此條件下的隧道連拱施工技術(shù)以及在施工過程中需注意的諸多問題，通過對隧道連拱施工模型的搭建，進一步研究巖溶地質(zhì)條件下隧道連拱施工的穩(wěn)定性，并進行工程實例認(rèn)證。本文所研究的技術(shù)成果對于國內(nèi)喀斯特巖溶地質(zhì)條件下的隧道連拱施工具有一定的參考價值。

1 地質(zhì)條件對連拱隧道施工的約束性分析

連拱隧道在施工過程中受現(xiàn)場施工環(huán)境及地質(zhì)條件的影響較大，不同的地質(zhì)條件均可對連拱隧道的施工構(gòu)成相應(yīng)的約束和限制。例如在喀斯特巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)洞施工會對隧道基巖、圍巖形變造成嚴(yán)重影響，而基巖、圍巖的形變又將對連拱隧道的施工形成特定的約束性[1]。假設(shè)連拱隧道左、右導(dǎo)洞開挖1 m，錨噴支護則滯后1 m，以梅花形來布置錨桿，將間距固定為1 m，全過程總共約200步，且每步約300時步，將中導(dǎo)洞首先貫通，隨后開挖支護測導(dǎo)洞，當(dāng)支護測導(dǎo)洞貫通后再進行另一側(cè)導(dǎo)洞的開挖，開挖過程對基巖、圍巖構(gòu)成的形變影響程度如表1數(shù)據(jù)所示。

表1 開挖過程對圍巖構(gòu)成的形變影響表

2 巖溶地質(zhì)條件下連拱隧道施工技術(shù)分析

2.1 綜合地質(zhì)預(yù)警技術(shù)

巖溶地質(zhì)條件下的隧道施工應(yīng)充分注意施工現(xiàn)場的天氣及地質(zhì)變化情況，及時作出綜合預(yù)警響應(yīng)并采取妥善的應(yīng)急措施來避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及對施工人員和隧道本身所造成的影響。綜合地質(zhì)預(yù)警技術(shù)能夠?qū)κ┕がF(xiàn)場的地質(zhì)條件作出精準(zhǔn)預(yù)測，通過先進的地質(zhì)勘探、遙感測繪等技術(shù)，可預(yù)先評估施工現(xiàn)場發(fā)生地質(zhì)變化的程度，有效避免施工事故的發(fā)生，對于保證施工現(xiàn)場人員和設(shè)備的安全具有重要意義[2]。典型的綜合地質(zhì)預(yù)警流程如圖1所示。

圖1 綜合地質(zhì)預(yù)警流程圖

2.2 地下水處理技術(shù)

巖溶地質(zhì)環(huán)境中的地下水含量豐富，且地下水位因地表天氣的影響常出現(xiàn)大范圍的波動，這對于此類環(huán)境下的隧道施工來說具有極大的挑戰(zhàn)，施工前所進行的地下水勘探與數(shù)據(jù)測量在實際的施工過程中卻發(fā)生了較大的變化，這種情況經(jīng)常發(fā)生。因此，對施工環(huán)境中的地下水勘測多數(shù)不具有顯著性的研究意義，應(yīng)采取相應(yīng)的措施對地下水進行處理。遵循“堵防結(jié)合”的地下水主要處理原則，并進行注漿封堵來使圍巖加固，進而防止突泥突水，保證施工安全[3-4]。

3 基于巖溶地質(zhì)的連拱隧道施工模型

3.1 穩(wěn)定性施工模型搭建

為詳細(xì)研究巖溶地質(zhì)條件下的連拱隧道施工技術(shù)，在施工前進行隧道穩(wěn)定性模型的搭建工作，基于Matlab的連拱隧道施工穩(wěn)定性模型，能夠直觀反映出隧道在實際施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，例如基巖強度和圍巖厚度等部分，基于Matlab的連拱隧道施工穩(wěn)定性模型如圖2所示。

圖2 基于Matlab的連拱隧道施工穩(wěn)定性模型圖

通過計算機程序自動生成的隧道施工穩(wěn)定性仿真模型，將連拱隧道的施工過程具體細(xì)分為多個步驟，并直觀地顯示隧道開挖的程序，真實模擬了連拱隧道實際施工過程中的各個階段，以使連拱隧道施工的穩(wěn)定性及安全性均達到最高級別[5-6]。但值得注意的問題是，基于Matlab的連拱隧道施工穩(wěn)定性模型，僅給出了隧道開挖的大體順序，可作為施工前期對現(xiàn)場條件的評估和參考，而具體情況應(yīng)以工程實際為準(zhǔn)。

3.2 施工數(shù)值模擬分析

為模擬連拱隧道的入口段在施工全過程中各部分的受力情況，擬采用基于FLAC差分程序的拉格朗日算法對入口段隧道施工情況進行描述，由《巖溶隧道設(shè)計規(guī)范》中所定義的各級圍巖力學(xué)參數(shù)、施工現(xiàn)場荷載試驗以及由室內(nèi)試驗所得到的圍巖力學(xué)參數(shù)等對入口處隧道圍巖強度進行綜合計算，三維數(shù)值計算模型如圖3所示。三維數(shù)值計算結(jié)果表明，連拱隧道入口段頂部及側(cè)方圍巖抗壓值略小于正常值，應(yīng)在施工中采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧┮苑乐故鹿拾l(fā)生。而底部基巖的抗壓值符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以進行中導(dǎo)坑及后續(xù)的施工[7-8]。

圖3 三維數(shù)值計算模型圖

4 巖溶隧道連拱施工實例分析

以廣西梧州3#巖溶隧道為例，將所提出的連拱隧道施工穩(wěn)定性模型應(yīng)用到此隧道的主洞施工中。施工前分別選取左、右主洞掌子面錯距，均設(shè)定為20 m，通過隧道不同的開挖順序來判斷圍巖穩(wěn)定性。在主洞施工過程中，應(yīng)首先開挖淺埋側(cè)主洞，并對深埋側(cè)主洞支護參數(shù)進行跟蹤，及時跟進錨噴支護，可有效防止巖體位移大范圍偏離。不同錯距對隧道巖體的穩(wěn)定性影響如表2所示。

表2 不同錯距對隧道巖體的穩(wěn)定性影響表

通過表2可知，先開挖淺埋側(cè)主洞相比于深埋側(cè)而言具有較大的優(yōu)勢，將各側(cè)的主洞掌子面錯距0.75D(15 m)、D(20 m)、1.25D(25 m)進行比對分析后可知，在支護參數(shù)及錯距相同的情況下，施工對周圍巖體的影響程度不大，在不同支護參數(shù)及錯距情況下，各部位的巖體形變程度亦不明顯，因此，所提出的基于巖溶地質(zhì)的連拱隧道穩(wěn)定性施工模型在圍巖形變及基巖隆起等控制方面均具有一定的效果[9-11]。

5 結(jié)語

不同的地質(zhì)條件對連拱隧道的施工都會構(gòu)成一定的限制及約束性條件，在施工前應(yīng)對現(xiàn)場進行充分地勘探和調(diào)研，獲取真實、有用的測繪數(shù)據(jù)進行分析，保證隧道在施工過程中及竣工后的安全性和穩(wěn)定性。綜合地質(zhì)預(yù)警技術(shù)以及地下水處理技術(shù)均可在施工前不同程度上降低施工過程中的安全隱患，因此應(yīng)充分重視施工前的所有準(zhǔn)備工作。所搭建的基于巖溶地質(zhì)條件的連拱隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，能夠比較直觀反映隧道巖體較為薄弱的部分，提醒施工技術(shù)人員在具體的施工中加以把握。嚴(yán)格意義上來講，所搭建的基于Matlab的連拱隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型包括施工數(shù)值模擬計算部分，但本文將三維數(shù)值計算模型單獨作為一部分來闡述，目的是為了區(qū)分三維數(shù)值計算模型與施工穩(wěn)定性模型的不同作用，且二者所用算法也不盡相同，三維數(shù)值計算模型是基于FLAC差分程序的拉格朗日算法，而隧道施工穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型是基于Matlab程序。最后通過廣西梧州3#巖溶隧道的工程實例驗證，證明了本文所提出的基于巖溶地質(zhì)條件的連拱隧道穩(wěn)定性施工模型的正確性與可行性。

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