喀斯特地貌區(qū)軟巖大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 為探討喀斯特地貌環(huán)境下的軟巖大斷面隧道施工技術(shù)，該文結(jié)合川東南喀斯特地貌下的某高速公路隧道工程實(shí)例，制定了基于鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿的復(fù)合型支護(hù)施工技術(shù)，以保證隧道在開(kāi)挖時(shí)能夠有效提升安全性，減少變形。研究結(jié)果顯示：案例工程如期完工，其間未發(fā)生安全事故，隧道滿足驗(yàn)收合格標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)，對(duì)于喀斯特這類復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，需要結(jié)合圍巖的變形問(wèn)題，制定可以有效抵抗變形的綜合支護(hù)體系，從而保證隧道施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：喀斯特地貌；巖溶發(fā)育區(qū)；大斷面隧道；薄層軟巖；施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）15-0138-03

0 引言

喀斯特地貌環(huán)境的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，此類地質(zhì)下的隧道工程對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求很高，必須具備足夠的承載能力，從而應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)所帶來(lái)的影響。單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)難以滿足此類工程的需求，需要結(jié)合工程的變形特征，制定復(fù)合型支護(hù)體系。該文結(jié)合川東南喀斯特地區(qū)隧道工程實(shí)例，著重探討了此類地質(zhì)環(huán)境下的軟巖大斷面隧道施工技術(shù)。

1 喀斯特地貌隧道施工概述

1.1 喀斯特地貌概念

喀斯特地貌是一種特殊的地貌類型，主要分布在全球的碳酸鹽巖地區(qū)?？λ固氐孛驳男纬珊桶l(fā)展受到多種自然因素的共同影響，包括氣候、水文、生物和地質(zhì)等因素。

1.2 喀斯特地貌隧道施工特點(diǎn)

喀斯特地貌隧道施工特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面[1-2]：

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜：喀斯特地貌中，石灰?guī)r的溶蝕程度不同，使得地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧道穿越區(qū)域可能涉及溶洞、暗河、裂隙等多種地質(zhì)構(gòu)造，給施工帶來(lái)極大的不確定性。

（2）地下水豐富：由于喀斯特地貌的溶蝕作用，地下水位通常較高，且水流活躍。在隧道施工過(guò)程中，地下水不僅可能對(duì)施工安全構(gòu)成威脅，還可能影響施工進(jìn)度和質(zhì)量。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)要求高：由于地質(zhì)條件復(fù)雜和地下水的影響，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工難度加大。支護(hù)結(jié)構(gòu)需要具備足夠的承載力和穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)各種不利因素。

2 喀斯特地貌區(qū)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 項(xiàng)目概況

某高速公路項(xiàng)目隧道隧址區(qū)為川東南喀斯特地貌區(qū)，隧道斷面大（最大斷面209.24 m2），跨度大（最大跨度20.67 m），地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶溶洞發(fā)育，地下水會(huì)在可溶巖段涌出，單點(diǎn)涌水量較大，易于產(chǎn)生高壓集中涌、突水災(zāi)害，涌突水風(fēng)險(xiǎn)高，隧址區(qū)總體上隧址區(qū)巖體屬軟巖，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈較破碎～較完整狀，洞內(nèi)拱頂易出現(xiàn)垮塌、掉塊等現(xiàn)象，側(cè)壁常發(fā)生小坍塌。

2.2 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖圍巖變形機(jī)制與變形規(guī)律分析

（1）查閱相關(guān)資料，從地質(zhì)條件出發(fā)對(duì)隧道產(chǎn)生變形的原因進(jìn)行分析以及彈塑性好和黏性變形分析。

（2）利用數(shù)值模擬軟件建模研究，采用軸對(duì)稱圓形隧道圍巖力學(xué)分析。

（3）試驗(yàn)分析原理具體如下：

基本假設(shè)：圍巖性質(zhì)：均質(zhì)、各向同性、線彈性，無(wú)蠕變或黏性；原巖應(yīng)力：各向等壓狀態(tài)；隧道特性：圓形斷面，無(wú)限長(zhǎng)隧道中圍巖性質(zhì)一致。

1）基本方程

①平衡方程：

（1）

②幾何方程：

（2）

③本構(gòu)方程：

（3）

式中，σθ——切向應(yīng)力；σr——徑向應(yīng)力；εθ——切向應(yīng)變； ε r——徑向應(yīng)變；u——徑向位移；r——半徑；E——彈性模量；μ——泊松比。

上述方程中共有5個(gè)未知數(shù)，有5個(gè)方程，可解。

2）邊界條件

r=R0，σr=0（不支護(hù)）；r→∞，σr=P0，式中P0為原巖應(yīng)力。

3）求解

聯(lián)立方程組得通解

由邊界條件可以確定積分常數(shù)A、B為

從式中可以看出，影響隧道變形的主要因素包括原巖應(yīng)力、隧道尺寸以及隧道圍巖性質(zhì)等。

2.3 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系分析

隧道開(kāi)挖計(jì)算分為三階段：初始狀態(tài)、開(kāi)挖、支護(hù)[3]。

具體試驗(yàn)流程及步驟如下所示：

（1）根據(jù)實(shí)際情況，選取有關(guān)圍巖物理力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)之前試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選取圍巖的彈性模量E、泊松比μ、圍巖密度等參數(shù)。

（2）判斷隧道深淺埋，計(jì)算隧道周邊原始地應(yīng)力。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，按照荷載等效高度判定隧道深淺埋分界。

式中，Hp——淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度（m）；q——深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；γ——圍巖重度（kN/m3）。

當(dāng)埋深H小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，垂直壓力視為均布：q=γ·H。

式中，q——垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；γ——隧道上覆圍巖重度（kN/m3）；H——隧道埋深（m）。

側(cè)向壓力e按均布考慮時(shí)，其值為：

式中，e——側(cè)向均布?jí)毫Γ╧N/m2）；Ht——隧道高度（m）；φc——圍巖計(jì)算摩擦角（°）。

（3）用ANSYS 2012進(jìn)行建模前的參數(shù)設(shè)定。

選擇SOLID實(shí)體單元，定義單元類型為PLANE 82，采用分析方式為平面應(yīng)變模型PLAINSTRAIN，定義材料屬性輸入圍巖相關(guān)參數(shù)E、μ、密度等。

（4）建立模型和劃分網(wǎng)格

依照隧道輪廓線創(chuàng)建各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并依次連接，并通過(guò)布爾運(yùn)算生成隧道模型，然后劃分網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)有限元?jiǎng)澐帧?/p>

（5）施加荷載和約束

沿ΔX、ΔY、ΔZ方向施加約束，在周邊施加前面計(jì)算的地應(yīng)力荷載以及重力荷載，其余荷載根據(jù)前面3個(gè)階段分別加上。

（6）求解計(jì)算

選擇塑性分析類型對(duì)模型進(jìn)行有限元分析求解。分別進(jìn)行初始狀態(tài)、開(kāi)挖階段、支護(hù)階段求解。

（7）對(duì)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)處理

控制單位類型后，繪制結(jié)構(gòu)變形圖以及應(yīng)力分布云圖。

（8）力學(xué)特性分析，確定圍巖塑性變形區(qū)半徑、界面的接觸壓力。

2.4 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖變形控制技術(shù)分析

在K14+840.5～K14+777.5、K14+670～K14+589.4、K14+430～K14+502.4、ZK14+659.4～ZK14+587、ZK14+517～ZK14+444.6五個(gè)段落設(shè)置試驗(yàn)段，以對(duì)既有的開(kāi)挖方式進(jìn)行改善，形成一種新的開(kāi)挖方式，同時(shí)探究對(duì)巖溶區(qū)新的封口方式，支護(hù)鋼拱架剛性支護(hù)為剛彈性支護(hù)，結(jié)合鋼筋網(wǎng)、錨桿施作形成新型非對(duì)稱剛彈性支護(hù)，允許圍巖通過(guò)一定的變形釋放一定的圍巖應(yīng)力，避免拱架扭曲變形。

（1）針對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖圍巖的特點(diǎn)，允許鋼拱架有一定的柔性形變，采用可伸縮式鋼拱架。工作流程如下：

1）工字鋼連接板由4個(gè)高強(qiáng)螺栓連接改成1個(gè)橡膠墊塊和1個(gè)限位鋼箱連接，橡膠墊塊尺寸為200 mm×150 mm×40 mm，限位鋼箱尺寸為250 mm×200 mm×100 mm。

2）限位鋼箱通過(guò)工字鋼的兩邊的定位錨桿焊接固定，緊貼巖壁安裝。

3）限位鋼箱安裝好后，下部工字鋼連接板裝入限位鋼箱內(nèi)，下部工字鋼外邊緣與鋼箱外壁焊接為固定端，后安裝上部工字鋼為活動(dòng)端。

4）邊墻位置設(shè)置完成可伸縮式鋼拱架后，為單因素分析拱頂圍巖下沉量對(duì)拱架內(nèi)力影像，要求限制拱腳水平收斂，在拱腳位置設(shè)置臨時(shí)鋼架作為橫向支撐，確保單一變量，待分析完成后，對(duì)臨時(shí)拱架進(jìn)行拆除。

（2）非對(duì)稱式錨桿支護(hù)試驗(yàn)

進(jìn)行不同錨桿布置形式、長(zhǎng)度、數(shù)量、直徑的對(duì)比試驗(yàn)研究，以期得到新型錨桿參數(shù)研究方案。施工工藝流程如下：

1）錨桿加工、除銹、涂油。

2）鉆孔：孔徑42～50 mm，孔深不小于桿體有效長(zhǎng)度且不大于有效長(zhǎng)度30 mm。

3）吹孔，用桿體藥卷送至孔底，然后插入錨桿桿體。

4）桿體插入完畢15 min后，安裝墊板、螺母、臨時(shí)固定桿體。錨桿拉拔力大于10 kN（一般藥包送入完畢后0.5 h）后，擰緊螺母。

藥卷錨桿試驗(yàn)流程如下：

1）由開(kāi)挖班人員進(jìn)行錨桿孔鉆孔，鉆孔時(shí)，首先鉆拱圈頂孔，再逐次向下鉆孔。

2）由一人手持鑿巖機(jī)，一人扶鉆桿定位鉆桿起鉆點(diǎn)及調(diào)整鉆孔方向，待鉆孔鉆進(jìn)10 cm左右時(shí)，扶鉆桿人不再繼續(xù)扶鉆桿，鉆孔時(shí)跳孔開(kāi)鉆，即先鉆奇數(shù)孔，再鉆偶數(shù)孔。

3）成孔后立即用高壓風(fēng)吹孔，吹孔完成后，支護(hù)班組立即用炮棍將完全潤(rùn)濕的錨固劑送入孔內(nèi)，并裝滿孔眼。

4）將超前錨桿或系統(tǒng)錨桿打入孔內(nèi)。

5）打入孔底后立即安裝墊板及螺母，將墊板及螺母臨時(shí)固定，30 min后將墊板及螺母擰緊。

6）在鎖腳錨桿施工時(shí)，尤其要將鎖腳錨桿鉆孔方向斜向下，鎖腳錨桿與鋼拱架必須連接牢固。

（3）非對(duì)稱式雙層鋼筋網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)

進(jìn)行不同鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑、網(wǎng)格間距、鋪掛層數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)研究，探究試驗(yàn)段內(nèi)新型鋼筋網(wǎng)試驗(yàn)方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，隧道V級(jí)初期支護(hù)鋼筋網(wǎng)采用Φ8/Φ10鋼筋，網(wǎng)格尺寸：Ⅴ級(jí)圍巖為Φ8/Φ10鋼筋15 cm×15 cm/20 cm×20 cm/25 cm×25 cm。

施工工藝流程為：鋼筋除銹→鋼筋網(wǎng)制作→鋼筋網(wǎng)成品存放→鋼筋網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)→鋼筋網(wǎng)掛網(wǎng)→安裝質(zhì)量檢查。

試驗(yàn)流程如下：

1）鋼筋網(wǎng)加工制作

制作鋼筋網(wǎng)片時(shí)，先用鋼筋調(diào)直機(jī)把鋼筋調(diào)直，再用鋼筋切割機(jī)將調(diào)直光圓鋼筋切為2.5 m橫筋及2 m豎筋，分類擺放整齊。將橫向鋼筋和縱向鋼筋按照間距擺放在鋼筋加工平臺(tái)上，逐點(diǎn)焊接縱橫筋交點(diǎn)。焊成間距15 cm×15 cm/20 cm×20 cm/25 cm×25 cm、長(zhǎng)2.5 m、寬2 m的鋼筋網(wǎng)片，最后使用時(shí)將鋼筋網(wǎng)片整體運(yùn)到洞內(nèi)牢固焊接在錨桿、鋼拱架上。

1）鋼筋網(wǎng)成品存放

鋼筋網(wǎng)片成品需妥善存放于指定場(chǎng)地，遠(yuǎn)離加工區(qū)，避免潮濕環(huán)境，以預(yù)防銹蝕、污染及變形，確保其質(zhì)量與性能在存放和運(yùn)輸過(guò)程中不受損害。

1）鋼筋網(wǎng)安裝

安裝鋼筋網(wǎng)片時(shí)，從上至下依次安裝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況加密或采用雙層網(wǎng)片，并保證搭接長(zhǎng)度，搭接鋼筋網(wǎng)片用扎絲簡(jiǎn)易固定。鋼筋網(wǎng)應(yīng)隨受?chē)娒嫫鸱佋O(shè)，與受?chē)娒娴淖畲箝g隙不宜大于30 mm。

（4）新型復(fù)合式濕噴技術(shù)研究試驗(yàn)

試驗(yàn)流程如下[4]：

1）安裝調(diào)試混凝土噴射機(jī)后，安裝10 mm篩孔的振動(dòng)篩于料斗，防超粒徑骨料進(jìn)入。噴射前，修整巖面，清除松動(dòng)巖塊，鑿除欠挖部分，用噴射混凝土補(bǔ)平超挖處。用高壓水或風(fēng)清掃巖面，確保無(wú)水潮解巖層。檢查噴射機(jī)工作正常后，進(jìn)行噴射試驗(yàn)，一切正常即可開(kāi)始混凝土噴射工作。

2）在混凝土噴射送風(fēng)前，需先開(kāi)啟計(jì)量泵并確保噴嘴朝下，防止速凝劑進(jìn)入輸送管，從而避免高壓混凝土拌和物堵塞速凝劑環(huán)噴射孔。送風(fēng)后，應(yīng)將風(fēng)壓控制在0.15～0.2 MPa范圍內(nèi)，風(fēng)壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致粗骨料無(wú)法沖入砂漿層而脫落，風(fēng)壓過(guò)高則會(huì)增加回彈量。

3）為確保噴射混凝土的厚度和質(zhì)量，分兩次完成：初噴和復(fù)噴。以濕噴為主，含水量大時(shí)采用潮噴。混凝土在洞外拌和站制備，由混凝土輸送車(chē)運(yùn)至噴射地點(diǎn)。

4）初噴在刷幫、找頂后進(jìn)行，混凝土厚度控制在4～5 cm，迅速封閉圍巖。放炮后，人工在渣堆上實(shí)施噴護(hù)。

5）復(fù)噴在初噴混凝土層及加固圍巖保護(hù)下，完成立拱架、掛網(wǎng)、錨桿工序后進(jìn)行，采用濕噴工藝，由噴射機(jī)械手施工，可減小回彈量、粉塵，降低環(huán)境污染。

6）噴射混凝土分段、分片、分層，自下而上，從無(wú)水或少水至有水或多水地段集中。多水處設(shè)導(dǎo)管排水。噴頭與受?chē)娒娲怪?，距離1.5～2.0 m。

7）鋼架與巖面間隙用噴射混凝土充填密實(shí)，噴射順序自下而上對(duì)稱進(jìn)行，先噴鋼架與圍巖間空隙，后噴鋼架間，確保鋼架被混凝土覆蓋，保護(hù)層不小于4 cm。

8）噴射前需對(duì)受?chē)娒姘继庍M(jìn)行找平處理，隨后將噴頭以螺旋形軌跡緩慢均勻移動(dòng)，每圈重疊前圈的一半，繞圈直徑約為30 cm，以確保噴射出的混凝土層面平滑順直。

3 喀斯特地貌區(qū)隧道施工質(zhì)量控制措施

喀斯特地貌區(qū)隧道施工質(zhì)量控制措施包括以下幾個(gè)方面[5]：

（1）詳盡的地質(zhì)勘查與評(píng)估：施工前應(yīng)進(jìn)行高精度、全方位的地質(zhì)勘查工作，利用先進(jìn)的物探技術(shù)手段，準(zhǔn)確揭示地層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育情況及地下水分布特征。

（2）動(dòng)態(tài)優(yōu)化的設(shè)計(jì)與施工方案：針對(duì)喀斯特地貌區(qū)特有的軟弱破碎圍巖和地下水豐富等問(wèn)題，采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和開(kāi)挖方案。

（3）嚴(yán)格細(xì)致的地下水管理：建立完善地下水監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水位變化，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的突涌水現(xiàn)象，并采取有效的疏排水、封堵或改道等措施進(jìn)行處理。

（4）精細(xì)化的施工過(guò)程監(jiān)控與質(zhì)量檢測(cè)：利用現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開(kāi)挖、支護(hù)、襯砌施工等全過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的質(zhì)量問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

該文圍繞喀斯特地貌區(qū)軟巖大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了全面而深入的研究。通過(guò)科研攻關(guān)，成功構(gòu)建了一套喀斯特地貌區(qū)軟巖大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)體系。在實(shí)際工程應(yīng)用中，此關(guān)鍵技術(shù)顯著提升了隧道施工安全性，有效地解決了軟巖大斷面隧道在喀斯特地貌區(qū)施工過(guò)程中的諸多難題。

鑒于喀斯特地貌的多樣性和復(fù)雜性，后續(xù)研究還需進(jìn)一步完善與優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，并積極開(kāi)展更多實(shí)地應(yīng)用研究，以期更好地適應(yīng)各類復(fù)雜的喀斯特地質(zhì)條件。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-02-23

作者簡(jiǎn)介：張桂鑫（1990—），男，本科，工程師，從事高速公路施工管理工作。

通信作者：毛乙?。?990—），男，本科，工程師，從事公路、鐵路工程管理、成本控制相關(guān)工作。