不良地質(zhì)條件下隧道施工方法探討

鄧?yán)诶?/p>

（北京鐵城建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 100855）

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路作為最重要的交通工具，建設(shè)規(guī)模也在迅速擴(kuò)大，我國(guó)地大物博，天然地形和地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，為了縮短線路距離、改善運(yùn)行條件等，在鐵路建設(shè)時(shí)經(jīng)常會(huì)通過(guò)隧道等方式進(jìn)行，隧道也成為鐵路網(wǎng)施工中的主體結(jié)構(gòu)之一，而在施工過(guò)程中若遇到巖溶地質(zhì)、特殊巖土等不良地質(zhì)條件，不僅影響隧道施工質(zhì)量，還對(duì)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(duì)該隧道在挖掘過(guò)程中遇見(jiàn)的不良地質(zhì)條件采取有效的施工方法，保證施工安全和隧道質(zhì)量。

1 項(xiàng)目概況

隧道工程處于長(zhǎng)江支流二道河與杜家河之間，全長(zhǎng)4 555.25 m，最大埋深約273.4 m，隧道采用CRTSI型雙塊式無(wú)砟軌道，為時(shí)速350 km單洞雙線隧道。隧道洞身主要穿越碳酸鹽巖地區(qū)，基巖總體為緩傾巖層，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶較發(fā)育，存在突水突泥、掉塊等，安全風(fēng)險(xiǎn)高。隧道出口處山體坡度較陡，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，局部發(fā)育陡傾節(jié)理，坡表零星分布松散危石。隧址區(qū)位于黃陵背斜東南翼，巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，基巖總體上為緩傾巖層，傾角大部分小于20°，陡傾節(jié)理較發(fā)育，巖體切割為塊狀，施工開(kāi)挖易掉塊。隧道范圍基本均為可溶巖地層，巖溶水是隧址區(qū)的主要地下水類(lèi)型，也是主要的不良地質(zhì)問(wèn)題。水文地質(zhì)條件主要為小木坪巖溶水系統(tǒng)，小木坪巖溶水文系統(tǒng)發(fā)育有隧址區(qū)面積最大、匯水區(qū)域最廣的2個(gè)巖溶洼地：小木坪洼地和大木坪洼地，為小木坪水文系統(tǒng)的主要補(bǔ)給區(qū)。該處一般情況下地下水直接經(jīng)由下部溶洞排泄至鯰魚(yú)泉；該處隧道軌面標(biāo)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(yù)測(cè)正常涌水量為5萬(wàn)m3/d，最高涌水量為50萬(wàn)m3/d，地下水主要受地表水補(bǔ)給，對(duì)降雨的反應(yīng)比較敏感，流量施工難度大。

2 不良地質(zhì)施工方案

隧道施工地質(zhì)復(fù)雜、不良地質(zhì)較多且安全風(fēng)險(xiǎn)高，如何順利通過(guò)不良地質(zhì)段是本隧道施工重難點(diǎn)。不良地質(zhì)有巖溶、斷裂帶、突水突泥、危巖落石和緩傾巖層等，針對(duì)本隧道的不良地質(zhì)類(lèi)型，采取相應(yīng)的施工方案。

2.1 穿越斷層破碎帶施工方案

隧道穿過(guò)破碎帶時(shí)結(jié)合施工實(shí)際，超前地質(zhì)勘探情況，對(duì)斷層破碎帶加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)，并嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、不爆破（或弱爆破），強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早反饋”的軟弱圍巖施工原則進(jìn)行施工。

2.1.1 查明隧道地質(zhì)異常區(qū)結(jié)構(gòu)及特征

隧道施工通過(guò)斷層及巖層破碎區(qū)域，整體施工難易程度和工程效率與地質(zhì)異常區(qū)結(jié)構(gòu)及特征、波及范圍、波及程度、巖層導(dǎo)水性及隧道整體設(shè)計(jì)走向與斷層構(gòu)造發(fā)育方向之間的空間幾何關(guān)系等密切相關(guān)，所以為了保證隧道高效、安全通過(guò)地質(zhì)異常區(qū)，就必須采用物探、鉆探等多種手段對(duì)斷層及巖層破碎區(qū)域進(jìn)行探查，查明和掌握地質(zhì)異常區(qū)的整體結(jié)構(gòu)及特征?；谒淼朗┕^(qū)域已有工程水文地質(zhì)資料，本次隧道施工超前探測(cè)選用瑞士安伯格測(cè)量公司生產(chǎn)的TSP203型號(hào)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，考慮隧道工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的特殊性，綜合GPR技術(shù)、紅外探水儀等進(jìn)行地質(zhì)異常區(qū)超前預(yù)報(bào)和探測(cè)分析，并針對(duì)可能存在的斷層及破碎異常區(qū)采用超前鉆探驗(yàn)證，及時(shí)準(zhǔn)確查明影響隧道施工的地質(zhì)異常區(qū)范圍及特征，為調(diào)整施工方法、加強(qiáng)超前支護(hù)等提供精確的地質(zhì)指導(dǎo)和地質(zhì)預(yù)報(bào)。

2.1.2 合理施工方法

根據(jù)超前探測(cè)結(jié)果和地質(zhì)水文情況預(yù)報(bào)，可以及時(shí)了解和掌握隧道施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及地質(zhì)水文情況，參照地質(zhì)異常及特征選用超前支護(hù)、破碎帶注漿和導(dǎo)水裂隙注漿加固等多種超前預(yù)防施工方法。經(jīng)檢查注漿效果合格并施工超前支護(hù)后再進(jìn)行開(kāi)挖，采用三臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱開(kāi)挖，開(kāi)挖采用風(fēng)鎬開(kāi)挖。由于斷層及破碎帶等區(qū)域地質(zhì)條件的特殊性及施工難度，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工順序，控制隧道循環(huán)進(jìn)尺，強(qiáng)化噴、錨、網(wǎng)和鋼架支護(hù)，并進(jìn)行有效動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)，保證隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(guò)斷層及破碎帶的地質(zhì)異常區(qū)一致，都必須依據(jù)隧道施工區(qū)域地質(zhì)資料、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)巖溶特征、影響范圍、導(dǎo)水性和巖層結(jié)構(gòu)等探測(cè)查明情況，依據(jù)對(duì)隧道施工整體的影響程度采用引、堵、越、繞等技術(shù)方法進(jìn)行處理，如圖1所示。對(duì)導(dǎo)水性強(qiáng)、對(duì)隧道施工影響程度較大的區(qū)域，針對(duì)性采取不同的注漿封堵加固措施，通過(guò)人為干預(yù)強(qiáng)化巖溶區(qū)域內(nèi)整體巖層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，促使巖溶區(qū)段巖體達(dá)到隧道施工安全保障和穩(wěn)定性的承載能力，以限制排水量，實(shí)現(xiàn)控制排放，并與噴錨支護(hù)一起共同保證施工期間洞室穩(wěn)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(yīng)當(dāng)強(qiáng)化對(duì)巖溶巖層的檢查，嚴(yán)格遵循“敲幫問(wèn)頂”，有效消除危石，而當(dāng)隧道頂板成型較差造成溶洞頂板高情況，應(yīng)當(dāng)及時(shí)防護(hù)。巖溶區(qū)段受隧道施工擾動(dòng)容易發(fā)生巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效等情況，所以應(yīng)當(dāng)盡可能降低施工擾動(dòng)影響，例如在爆破作業(yè)的時(shí)候，采用多打眼、少藥量及短距離等方法來(lái)降低作業(yè)對(duì)巖溶區(qū)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(jù)設(shè)計(jì)文件的地質(zhì)資料顯示隧道洞身穿越多處接觸帶及節(jié)理密集帶，可能形成貫通性輸水管道，施工中應(yīng)結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)防涌水、突水和突泥。前期水文資料預(yù)測(cè)隧道施工區(qū)段正常涌水量為5萬(wàn)m3/d，最高涌水量為50萬(wàn)m3/d，為了有效消除隧道施工過(guò)程中突水、突泥事故發(fā)生造成的較大危害，必須依據(jù)探測(cè)結(jié)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(jù)涌水量大小設(shè)定注漿加固強(qiáng)度和支護(hù)強(qiáng)度，起到有效防護(hù)作用。

施工時(shí)，也應(yīng)當(dāng)針對(duì)突水、突泥區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的施工支護(hù)和方法，采用小導(dǎo)管替換原有支護(hù)錨桿，并根據(jù)施工區(qū)域內(nèi)滲漏水情況施工一定數(shù)量的鉆孔，并連接排水管，用于涌水引流，同時(shí)為了防止隧道內(nèi)涌水積水，必須開(kāi)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(zhì)施工方案

由于隧道施工區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體節(jié)理裂隙和陡傾較發(fā)育，在施工過(guò)程中可能會(huì)遇到危巖、落石或者緩傾巖層。根據(jù)已有地質(zhì)資料，洞口段施工前，先對(duì)坡面松動(dòng)、突兀的危巖危石采取爆破或人工清除方式進(jìn)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(bǔ)；清除松動(dòng)巖塊后，采用GPS2型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)防護(hù)，主動(dòng)網(wǎng)密貼坡面，錨固牢靠，并于洞頂上方適當(dāng)位置設(shè)置2道RXI-150型被動(dòng)攔石網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)網(wǎng)高度7 m，防護(hù)范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整。

隧道內(nèi)巖層傾角大部分小于20°，陡傾節(jié)理較發(fā)育，巖體切割為塊狀，施工中容易發(fā)生掉塊、大變形等工程事故，針對(duì)可能遇到的工程風(fēng)險(xiǎn)制定防坍塌和應(yīng)急救援預(yù)案。如果在隧道施工過(guò)程中，通過(guò)圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果體現(xiàn)出隧道整體圍巖變形速度突然增大且變化較快，現(xiàn)場(chǎng)圍巖由于變形出現(xiàn)巖塊掉落、隧道支護(hù)噴漿表面出現(xiàn)較大裂縫、甚至掉皮掉塊、鋼筋支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)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(jī)械設(shè)備，繼續(xù)跟進(jìn)圍巖量測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)觀察，采取相應(yīng)的加固處理措施，確保圍巖穩(wěn)定后繼續(xù)施工。而在施工過(guò)程中穿過(guò)地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果可能存在較大風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)段，必須提前預(yù)制高強(qiáng)度針對(duì)性的支護(hù)材料，而面臨隧道施工后發(fā)生圍巖變形和支護(hù)強(qiáng)度較弱，應(yīng)當(dāng)根據(jù)變形情況及時(shí)采取更高強(qiáng)度和剛度的支護(hù)材料，并采用輕型鋼管作為臨時(shí)支撐。為確保隧道施工在出現(xiàn)緊急情況下救援工作的順利實(shí)施，根據(jù)設(shè)計(jì)及相關(guān)要求在隧道內(nèi)設(shè)置應(yīng)急管道。

3 不良地質(zhì)段施工要求及施工原則

（1）斷層破碎帶及其影響帶施工時(shí)主要應(yīng)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，控制圍巖松馳、變形，通過(guò)超前加固、注漿加固和及時(shí)封閉等方式來(lái)提高圍巖的自承能力，施工應(yīng)遵循“超前支護(hù)、分步開(kāi)挖、隨挖隨護(hù)、密閉支撐、勤快量測(cè)”的原則。

（2）隧道穿越巖溶段施工，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)先行原則，依據(jù)地質(zhì)及水文地質(zhì)預(yù)報(bào)，分區(qū)段、分影響程度和影響類(lèi)型采取針對(duì)性的防護(hù)措施。重點(diǎn)在于查明巖溶段導(dǎo)水性、水害程度和水源補(bǔ)給，并采取注漿堵水、限量排水及分區(qū)段等方法進(jìn)行施工。查明水害情況后，首先是降壓，隧道施工堅(jiān)持在無(wú)水壓、低水壓狀態(tài)下進(jìn)行，所以必須通過(guò)注漿封堵、鉆孔放水等方法將高水壓區(qū)段降為低水壓，而在施工過(guò)程中，一定要堅(jiān)持降低擾動(dòng)、保證巖溶區(qū)段巖層穩(wěn)定。同時(shí)，要做好巖溶段導(dǎo)水水源監(jiān)測(cè)，主要是為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境免受隧道施工破壞，必要時(shí)對(duì)水源，尤其是地表水體進(jìn)行處理。

（3）超前探測(cè)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)遵循原則。超前地質(zhì)探測(cè)覆蓋整個(gè)隧道施工區(qū)段，按照地質(zhì)類(lèi)型將鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)分為如下：①一般地質(zhì)類(lèi)型區(qū)段施工，鉆孔探測(cè)深度設(shè)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(kuò)大鉆孔探測(cè)范圍，提高探測(cè)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(jù)深度要求在原有立角基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，而在巖層節(jié)理較差區(qū)段，角度也可以適當(dāng)加大；③巖溶不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域超前探測(cè)，鉆孔探測(cè)范圍應(yīng)當(dāng)向隧道開(kāi)挖區(qū)域向外進(jìn)行延伸擴(kuò)大，鉆孔應(yīng)終孔于隧道開(kāi)挖輪廓線以外5~8 m，外插角宜控制在13°~20°；鉆孔的位置、數(shù)量、深度和鉆孔大小必須堅(jiān)持滿(mǎn)足工程需要為前提，必須對(duì)區(qū)域范圍整體地質(zhì)情況、不良地質(zhì)特征及影響范圍等進(jìn)行充分驗(yàn)證和查明。

（4）加深炮孔。是一種超前探測(cè)的方法，是對(duì)地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和鉆孔探測(cè)結(jié)果的一種顯象探測(cè)方法，是利用在隧道施工過(guò)程中，選擇可以代表整體隧道斷面地質(zhì)情況的幾何基礎(chǔ)位置布設(shè)比一般炮孔深大于等于3 m的炮孔，專(zhuān)門(mén)用于地質(zhì)探測(cè)和驗(yàn)證查明，嚴(yán)禁用于炮孔使用。根據(jù)不同的隧道施工方法、地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)等條件，加深炮孔孔數(shù)設(shè)置遵循如下要求，見(jiàn)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(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在地質(zhì)異常，可以加深炮孔深度5 m對(duì)地質(zhì)異常進(jìn)行更深入更明確的探測(cè)；②大跨段加深炮孔數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況酌情增加；③孔數(shù)和孔深以及孔的位置不是固定的，如果出現(xiàn)特殊不良地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特殊情況，可以根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)炮孔參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，適當(dāng)增加孔深數(shù)量和探測(cè)深度。

（5）巖溶注漿施工控制基本原則和要點(diǎn)。為了方便孔口管的埋設(shè)，要求打鉆鉆孔半徑R大于孔口管外徑r，且為了達(dá)到孔口管埋設(shè)的需求和設(shè)計(jì)要求，鉆孔必須按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行打鉆。打鉆過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注鉆孔涌水量變化，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔涌水量增大，應(yīng)停止鉆進(jìn)進(jìn)行涌水量觀測(cè)，而在打鉆過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)涌水量異?，F(xiàn)象，待按照設(shè)計(jì)鉆孔到位后，同樣進(jìn)行涌水量觀測(cè)。鉆孔且涌水量觀測(cè)正常后，關(guān)閉孔口閘閥及安設(shè)水壓表，對(duì)用水壓力進(jìn)行觀測(cè)。待鉆孔到位且孔口管安置完成后，進(jìn)行注漿注水試驗(yàn)，孔口管安上漿液混合器并連接注漿泵，通過(guò)逐步調(diào)節(jié)水量和壓力達(dá)到預(yù)定注漿壓力值，檢查整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，是否出現(xiàn)串水、漏水等情況，檢測(cè)完成后卸壓。

表1 可溶巖段落（臺(tái)階法/全斷面法）加深炮孔孔數(shù)要求表

4 結(jié)束語(yǔ)

不良地質(zhì)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(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)已有地質(zhì)資料，強(qiáng)化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)探查，查明巖溶、斷裂帶和突水突泥等不良地質(zhì)類(lèi)型及特征，并制定超前支護(hù)方案和應(yīng)急預(yù)案。在施工過(guò)程中，嚴(yán)格遵循“先預(yù)報(bào)、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、超前預(yù)警”等施工基本原則，選擇可靠的施工方案和質(zhì)量控制措施，在保證安全通過(guò)不良地質(zhì)段的前提下提高施工質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

[1]馬培雷.復(fù)雜地質(zhì)條件下鐵路隧道施工技術(shù)[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，36（2）：242-243.

[2]李正文.不良地質(zhì)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(zhì)條件下的隧道施工要點(diǎn)及質(zhì)量控制分析[J].設(shè)備管理與維修，2022（2）：148-149.