摘要：在隧道工程施工中，复杂的地质条件将加大施工难度，使工程质量和施工安全受到严重挑战，因此，对复杂地质条件下的隧道工程施工技术研究，总结有针对性的解决措施具有重要的意义。本文根据以往工作经验，对复杂地质条件下隧道施工难点进行分析总结，并从软弱破碎带处理、综合治水、浅埋偏压洞口加固、岩爆灾害治理、膨胀岩等方面，论述了复杂地质条件下隧道施工技术应用情况。
关键词：复杂地质条件；隧道；施工技术
引言
由于我国地域十分遼阔，地貌形态，地质条件极为复杂，在隧道工程施工当中，不可避免会遇到各种复杂的地质条件，比如软弱破碎带、突水突泥、浅埋偏压、岩爆灾害、膨胀岩等，这些复杂地质条件都会对隧道工程施工进度、质量及安全产生严重的影响。如果施工单位没有对这些问题进行有效的解决，对整个施工质量和施工安全性产生了严重的影响，这不但会直接影响到整个工程的质量，同时也会对施工人员的人身安全产生重大威胁。在此基础之上，对隧道工程在复杂地质条件下的施工技术进行研究和分析，对提高整个隧道工程施工的经济效益和安全性都有着重要的意义。
1复杂地质条件下的隧道施工技术难点分析
1.1软弱围岩
软弱围岩具有破碎松散等特点，且抗风化能力、抗水软化能力都比较差，其强度及承载力低。在具体的施工期间，隧道围岩主要是用作支撑岩体的结构，其安全性在很大程度上取决岩体质量。而针对软弱围岩来说，其在承载力以及强度等方面都无法满足施工时自承能力的要求。故而，在施工阶段经常出现坍塌等现象，不仅使施工的安全性无法得到保障，也严重地制约了施工的有序进行。
1.2浅埋偏压
在隧道口部浅埋段，因地形不对称、地质岩层、施工等因素，造成隧道结构两面荷载不对称，形成偏压的情形，属于地形浅埋偏压。浅埋偏压隧道因在口部，多为破碎、松散类围岩。围岩条件和地层偏压作用，造成隧道施工期间容易产生大变形，围岩不稳定容易塌方，喷混凝土层会产生开裂、掉快，严重的发生坍塌。运营阶段，由于受偏压荷载的影响，隧道结构容易产生开裂、渗漏等病害。
1.3 岩爆
岩爆，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。在深埋隧道工程中，因隧道处于高地应力条件下，开挖后卸荷引起围岩内应力场重新分布，导致储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力失稳地质灾害。岩爆直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，在隧道工程中已成为了世界性的难题之一。
岩爆灾害一旦发生，其造成的破坏力相当巨大，尤如严重的机毁人亡事故。在工程施工中发生的比较严重的岩爆，一般相当于四、六级地震，持续时间为几天，最长可持续数月。从岩爆成因来分析，其破坏力的大小主要取决于岩石强度对岩体内部地应力的抵御能力。一般来说，岩石本身就具有一定的脆性，在施工中必须提前探明围岩构造及其工程特性，重点针对岩爆问题提前制定现场应急预案，以便在突发岩爆的紧急状况下快速反应，及时补救，降低施工损失。
1.4 膨胀岩
膨胀岩属于软岩中的特殊类型，成份中含有蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物，它的性状具有似岩非岩、似土非土的特点，而且与水的关系极其密切，亲水性异常强烈。由于其含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力，所以称为膨胀岩。其的基本特征是亲水性强、膨胀率高、膨胀压力大、强度低、崩解性强，对隧道稳定性及其维护十分不利。
进行地下开挖时，隧道围岩应力场重新分布，膨胀岩隧道周边发生变形进入塑性状态，围岩松动，裂隙扩大，孔隙度增加。膨胀围岩在自有的含水量或工程引起的含水量增加条件下产生膨胀变形，如果隧道不及时支护或支护形式不当、支护强度不足，就会引起隧道过大的变形，最终破坏。若隧道围岩未进行加固且支架为刚性，则围岩膨胀产生的膨胀压力便作用在支架上，随着膨胀含水量的增加和时间的增长，膨胀的围岩岩体范围越来越大，支架所受的膨胀压力也随之增大，结果刚性支架失稳破坏、隧道垮落，围岩松动圈继续增大，裂隙进一步增大，为深部围岩充填水分提供条件，从而又引起深部膨胀岩体膨胀，加剧隧道及支架变形破坏。
2复杂地质条件下隧道施工关键技术研究
2.1软弱围岩处理技术
软弱围岩段隧道施工时，易发生坍塌事故，针对这类地质条件，施工前首先要做好超前地质预报，摸清前方地质条件，岩层状况特征、破碎程度、是否有地下水等等，摸清地质情况，有针对性的选择科学合理的施工方法，制定有效的防护措施及预案，进而保证施工效果为最佳效果。此外，还需要针对现场的实际地质条件与施工要求等方面实施全面的研究，对荷载的实际情况进行全面了解，尽量使隧道的结构能够满足施工的荷载要求。加强对隧道工程衬砌结构的分析程度，以保证衬砌尺寸与类型的正确性。
软弱围岩段隧道施工按照“管超前、短进尺、弱爆破、少扰动、强支护、勤量测、早封闭”的施工原则。加强地质超前预报，对地质情况或水文情况进行探测，及时观察洞内围岩受力及变形动态，提前发现塌方的可能性及征兆。加强超前支护预注浆，严格注浆工艺，提高围岩自承能力和开挖面的稳定性。加强支护，防止围岩松驰。在施工过程中严格控制安全步距，以达到“早封闭”的效果，保证隧道衬砌结构及早支撑围岩，防止坍塌。
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2.2浅埋偏压隧道处理技术
2.2.1常用的洞外处理措施
对于浅埋偏压隧道，目前国内外对偏压边坡加固处理的方法较多，常见处理措施：削坡排水法、地下水拦截与疏通、回填反压法、地表注浆法、设置抗滑桩（隧道前部和后部）、预应力锚杆和混凝土挡墙等。我国公路规范《公路隧道设计规范》也提出了地表砂浆锚杆、地表注浆加固和墙式遮挡法等地层加固措施。但是各种方法之间经济效益差别显著，取何种方法应根据现场实际情况确定。
2.2.2常用的洞内处理措施
对于浅埋偏压隧道，目前国内外施工时采取的措施主要采取超前支护、隧道分部开挖、加强初期支护、加强二次衬砌强度、及早施做二次衬砌等方面减少偏压对隧道施工和结构稳定的影响。另外偏压隧道若地基承载力不足，应采用加固地基的措施，如基地注浆、钢管桩等。加强洞内监控量测，特别是洞内变形、及地表沉降的监控量测，适当加密量测断面和量测频率，及时处理量测信息、特别是位移信息，根据拱顶下沉和洞内收敛值、速度、加速度判断偏压段隧道的施工是否安全，并采取相应技术措施。
2.3岩爆防治技术
2.3.1设计阶段岩爆防治
首先，在隧道线路选择时，应该尽量避开易发生岩爆的高地应力集中地区。
其次，当难以避开高地应力集中地区时，要尽量使隧道轴线与最大主应力方向平行布置，以减小应力集中系数，防止发生岩爆或能够降低岩爆级别。
再次，隧道断面选择尽可能用圆形，不可能时可用城门洞形（即上圆下方形），使隧道断面有利于减少应力集中。
2.3.2施工阶段岩爆防治
（1）改善围岩物理力学性能。在掌子面（开挖面）和洞壁经常喷撒冷水，可在一定程度上降低表层围岩强度。对于煤等非坚硬岩体，采用超前钻孔高压均匀注水，可以通过三方面作用来防治岩爆：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。对于具有高地应力的坚硬岩体来说，岩体内裂隙由于受到注水的润滑作用又能触发引起“地震”，结果往往起不到应有的软化围岩作用。钻孔注水的有效性在坚硬岩体中的高地应区是值得讨论的。在此高地应力区，注水后其封闭应力可能以岩爆的方式释放。
（2）改善围岩应力条件。根据国内外工程实践经验，岩爆洞段尽量采用钻爆法施工，短进尺掘进；减小药量，控制光面爆破效果，以减小围岩表层应力集中现象。轻微、中等岩爆段尽可能采用全断面一次开挖成型的施工方法，以减少对围岩的扰动。强烈以上的烈度岩爆地段，必要时也可采用分部开挖的方法，以降低岩爆的破坏程度，但在施工中应尽量减少爆破振动触发岩爆的可能性；采取超前钻孔应力解除、松动爆破或振动爆破等方法，使岩体应力降低，能量在开挖前释放。
（3）加固围岩。对不同烈度的岩爆采用不同的加固处理措施。对于低岩爆，可实施全断面光面爆破开挖；爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍，每遍相隔5～10min，使开挖岩面充分湿润，撒水喷头水柱不小于10m；打洞壁环向应力释放孔；设置挂网喷射混凝土初期支护。对于中等岩爆，除实施全断面光面爆破开挖外，必要时可作30～50m超前导洞，导洞直径可不大于5m，作为岩爆超前预报和释放地应力；同样在爆破、通风、找顶后，洞壁、掌子面撒水3遍和打洞壁环向应力释放孔；挂网喷射混凝土初期支护；设置径向系统锚杆。对于强烈以上烈度岩爆段，多采取加深加密系统锚杆，并加垫板；挂整体网；进行3次三循环喷混凝土；格栅钢架支撑等措施。
2.4 膨胀岩防治技术
根据膨胀软岩的特征，采用的支护方式有五种，即：（1）锚喷网支护；（2）锚喷架支护；（3）热处理U型钢架支架壁后充填支护；（4）现浇混凝土或钢筋混凝土架支护；（5）料石砌碹支护。前两种支护在隧道掘出后不到半年，围岩变形竟达1m以上，尤其是底板因长期浸泡在水中而膨胀，底鼓更为严重，隧道每年需翻修2次，造成经济损失、生产被动；后三种支护形式基本上控制了软岩隧道失稳。
根据膨胀岩对隧道稳定性的影响，隧道维护应采用下列措施：
（1）防止水对隧道的影响。隧道通过含水丰富的岩层或断层，应采取疏干裂隙水或断层水，必要时进行围岩注浆堵水和防渗水。
（2）隧道掘进后，应及时锚喷，防止围岩风化膨胀。
（3）隧道支护材料应具有一定收缩性和较高的支护强度，采用壁后充填，使支护整体受力均匀稳定。
（4）隧道支护应重视封闭底板，防止底鼓。主要措施有：封闭支架壁后充填、底板注浆或锚喷加固、混凝土或钢筋混凝土底板反拱、料石碹底拱。
（5）注浆加固隧道围岩，以提高围岩的强度及膨胀围岩的粘聚力和内摩擦，降低其孔隙率；并起堵水防渗作用。
3 结语
综上所述，在交通工程建设的过程中隧道工程是其重要的组成部分，因而施工技术水平对交通工程的整体施工质量会产生直接的影响，进而使得交通运行过程中的安全性，可靠性大大降低。因此，需要加强针对复杂地质条件下隧道施工中的关键性技术展开研究，以保证施工质量的提升，确保工程施工及运营期安全。
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论文作者:刘则启1,赵子桥2,杨振武3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：围岩论文; 隧道论文; 偏压论文; 地质论文; 应力论文; 条件下论文; 措施论文; 《基层建设》2019年第32期论文;