复杂地形地质条件下隧道施工技术

陈学文

（中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京 100043）

0 引言

横四路隧道位于仁怀市茅台镇，与茅台酒厂老厂区毗邻，是茅台“十二五”项目厂区路网建设的重点工程。隧道进口端净距为13.5m，出口端净距为2.09m，属于小净距隧道，进、出口洞口地质条件较差，为浅埋Ⅴ级围岩，相对埋置深度较浅，节理裂隙极发育，岩石破碎，并且隧址区局部砂岩含少量季节性裂隙水。该工程隧道进、出口段顶板坡积层较厚，基岩为侏罗系香溪组厚层状砂岩夹薄层泥岩，风化厚度较大，岩体破碎，不能自稳成洞，隧道开挖时拱部自稳能力差，极易发生松动形成小型塌方；侧壁局部易变形失稳和发生小坍塌。本文结合该工程实际施工做法，对几种复杂地形地质条件下的隧道施工技术要点及施工管理对策进行总结。

1 隧道施工特点概述

（1）隧道施工不可预知因素多。隧道施工前，虽然会对现场地质地形进行勘查作业，但是仍无法了解掌握全部地质状况，尤其是复杂地形地质环境下，无法准确预测泥石流、瓦斯底层等地质情况，可能影响隧道的顺利施工。

（2）隧道施工危险因素众多。隧道施工时，会破坏原有地质结构，如不能提前预知该区域地质变化状况，则极易引发风险，如塌方等，威胁人员生命及财产安全[1]。

（3）隧道施工具有隐蔽性。隧道施工各个环节密切相关，环环相扣，上一道工序完成后下一道工序立马进行，将前序施工环节覆盖，无法及时发现潜在的质量瑕疵和安全隐患，最终影响隧道施工质量及安全。

2 复杂地形地质条件下隧道施工技术要点分析

2.1 超前地质预报技术

横四路隧道工程在施工前，由地质专业人员采用地表地质调查和断层参数预测法，进一步核实和确认洞身穿越地区的岩层层位、层序、岩性、岩层组合、褶皱，以及断层及破碎带等。如有遗漏或偏差，及时补充修正。开挖面地质素描对开挖面的地层岩性、地质构造、地质结构、节理发育情况、地下水状况、结构面的产状、岩层走向等进行调查描述，分析推测前方的地质情况。横四路隧道工程采用了地震波探测和超前探水孔方法。

2.1.1 地震波探测

地震波探测采用瑞士安伯格公司生产的TSP-203地震波探测系统，探测开挖面前方100m 范围的不良地质体的性质、位置和规模。它是利用地震波的回波原理，在开挖面附近边墙部位，采用浅孔微量炸药起爆产生微震波向四周传播，遇到不同介质，震波反射返回被接收传感器和记录仪收集，再经过计算机计算，自动生成反映相关界面的隧道影像点图，最后由专业人员解译提出预报意见，便于及时调整工艺技术。

2.1.2 超前探水孔

超前探水孔采用水平地质钻钻孔，孔径为89mm，每孔探水段长30m，开挖25m，探水孔搭接5.0m。每25m 施做一环超前探水孔，每个断面设1～5 个探水孔，当隧道断面仅有一个探孔时，设置于掌子面中心位置。钻孔过程中，遇涌水不能钻孔时，应拔出钻具，安设孔口止浆塞并关闭阀门。如有较大涌水时，立即向有关方面报告。

故复杂地形地质条件下隧道施工前，认真做好地质预报工作至关重要。超前地质预报涉及多项内容，例如，隧道地质分析和宏观预报、隧道洞身不良地质超前预报、超前钻探、地质灾害临近预警等功能。超前地质预报环节，需遵循“全面正规、长短结合、贯穿全程、因地制宜”的原则和要求，科学灵活地应用各项技术。但无论应用哪一项技术，均要严格按照如图1 所示的超前地质预报工作流程图实施作业，确保获得准确的隧道施工区域地质地形信息。

图1 超前地质预报工作流程

2.2 浅埋偏压隧道施工技术

隧道施工中，浅埋偏压地质较为常见，该地质复杂，会严重影响隧道工程有序建设，甚至会引发安全风险，所以要想保证隧道施工安全，提高隧道结构的稳定性，要合理应用浅埋偏压隧道施工技术。浅埋偏压隧道和其他类型隧道相比较而言，埋深浅，覆盖层薄，极易出现地表塌陷[2]。隧道施工中，浅埋偏压现象多发于隧道进出口位置。

横四路隧道洞口地质条件较差，为浅埋V级围岩，相对埋置深度较浅，节理裂隙极发育，岩体以构造节理为主，岩石破碎。为保证成洞面开挖的稳定和安全，在进出口拱部各设置一环Φ108 大管棚（管壁厚6mm），环向间距0.4m，管内注纯水泥浆，浆液水灰比0.5∶1～1∶1，长度分别为左线进口17m，右线进口18.5m；左线出口35m，右线出口16m。

2.2.1 施工导向墙

导向墙采取台阶开挖的方法施工。在开挖时，先沿拱顶下挖1.5m，做出平台，然后施工拱部范围的管棚。混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖廓线以外拱部107°范围内施作，断面尺寸为3.5×0.6m，护拱内埋设I20b 工字钢支撑，工字钢与管棚孔口管用C18 钢筋连接成整体。要注意孔口管作为管棚的导向管，它安设的平面位置、倾角、外插角的准确度直接影响管棚的质量，用全站仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇筑混凝土时产生位移。然后装模板、浇筑混凝土。

2.2.2 搭钻孔平台安装钻机并进行钻孔

为了便于安装钢管，钻头直径采用120mm，钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m 后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进，并认真作好钻进过程的原始记录。

2.2.3 管棚钢管加工及安装

注浆孔孔径为10～16mm，孔间距15～20cm，呈梅花形布置，头部留15cm 锥头，尾部留不小于150cm 不钻孔的止浆段，构造如图2 所示。钢管顶进用钻机顶进，导管内设置的钢筋笼在场地加工好后，待管棚安装完毕后，一次性安装入管，最后安装注浆管。

图2 超前管棚构造

2.2.4 注浆

注浆材料采用水泥砂浆，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，终压宜控制在2.0MPa。其配合比、注浆压力根据现场试验进行调整优化。

针对洞内的处理，常采用的措施包括超前支护、隧道分部开挖、加强初期支护和二次衬砌强度、及早施做二次衬砌等，进而最大限度地降低偏压对于隧道结构稳定性的影响，同时加强洞内监控量测工作，确保隧道施工顺利进行。

针对洞外的处理，常采用的措施包括削坡排水法、地下水拦截与疏通、地表注浆法、预应力锚杆和混凝土挡墙等，或者可通过地表砂浆锚杆、地表注浆加固和墙式遮挡法，实现对地层的有效加固。具体应用时，要结合现场实际情况科学选用。

2.3 软弱围岩隧道施工技术

隧道施工应坚持“管超前、严注浆、弱爆破、少扰动、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，软弱围岩隧道施工作业时，应结合各项影响隧道施工的因素，对隧道开挖方式、支护方法予以优化、调整，无论采用何种开挖方法、支护方式，均要结合监控量测，时刻注意变形监控，降低隧道施工时软弱围岩变形的几率，防止造成经济损失。

横四路隧道进出口附近地质条件差，且属于小净距隧道，根据现场情况，拟定右洞先行，左洞掘进滞后右洞40m，综合采用了单侧壁和双侧壁导坑法、两台阶法的开挖方式。双侧壁导坑法主要应用于Ⅴ级围岩浅埋、偏压及软弱围岩地段，双侧壁导坑法施工工艺如图3 所示。

图3 双侧壁导坑法施工工艺

2.3.1 双侧壁导坑法施工顺序

双侧壁导坑法施工顺序为：侧导坑开挖→左侧初期支护，设置临时壁墙支撑→右侧导坑开挖→右侧初期支护，设置临时壁墙支撑→拱部及核心土第一次开挖→拱部初期支护→核心土第二次开挖→仰拱混凝土灌筑及隧底填充→拆除临时壁墙。

2.3.2 导坑施工技术要点

（1）导坑施工是隧道施工中一个重要环节，必须十分重视保护围岩，尽量减少对围岩的扰动。

（2）隧道中线左、右两侧导坑应以3～5m 长为一段交替开挖前进。

（3）喷射混凝土应紧随开挖掌子面施作，导坑周边初喷4cm 厚混凝土，架立型钢钢架和I20b 临时钢架，并设锁脚锚杆（管），安设I18 钢横撑。

（4）每榀钢架分拱、墙两次架成，钢架的拱脚或底脚不得置于虚碴上。

（5）要根据监控量测结果分析，待初期支护收敛稳定后，拆除I20b 临时钢架及上部临时横撑。

横四路隧道初期支护采用超前小导管结合钢拱架-钢筋网喷射混凝土的支护方式，该技术利用超前小导管注浆对前方围岩进行加固（施工工艺如图4 所示），与围岩的自承能力相结合，提高围岩的稳定性，开挖后及时安装钢格栅、进行锚杆和喷射混凝土施工，以此作为隧道支撑体系，进而降低隧道开挖作业对于围岩所造成的影响。应用该技术时，要加强监控量测工作，保证复杂地形地质条件下隧道施工作业有序进行。

图4 超前小导管施工工艺

在软弱围岩隧道施工时，要结合各项影响隧道施工的因素，合理选用隧道开挖方式和支护方法，科学安排工艺流程，保证围岩稳定性和可靠性。地形地质条件复杂时，可通过钢筋网喷射混凝土、锚杆-钢筋网喷射混凝土、钢拱架-钢筋网喷射混凝土支护技术，落实隧道支护工作。开挖作业时，应最大限度地降低对围岩所产生的影响，确保隧道开挖轮廓的圆顺性。围岩和初期支护变形充分稳定后，再进行二次衬砌作业。开挖作业时应预留变形量，结合量测结果及时调整，确保衬砌厚度科学合理，保证衬砌结构稳定性。

2.4 地表滑坡隧道施工技术

隧道施工中，滑坡亦是常见不良地质，滑坡体受到扰动、地下水的影响后，地层沿滑移面向下滑动，最终导致隧道塌陷。处理隧道滑坡等不良地质引发的病害问题时，要严格遵循“先治理、后进洞、先超支、后开挖”原则，密切监测滑坡体稳定性，并做好隧道变形监控量测工作，确保初期支护和二次衬砌尽快成环。施工单位在隧道施工前要做好对滑坡体的整治处理工作，设置适量的抗滑柱，并将挡护结构设置在滑坡体前，并加固地表，防止地表径流渗入隧道内部，防止滑坡灾害的发生。

3 复杂地形地质条件下隧道施工管理措施

3.1 防治渗漏水病害

隧道施工中，渗漏水是常见病害问题，严重影响隧道结构安全稳定性，因此做好防治工作至关重要。首先，针对水量不大，含泥量低的地段，可通过排水、先排后堵的方式进行处理[2]。如地下水和地表水系不连通，则可通过超前地质钻孔的方式将水排干，降低隧道渗漏水几率。隧道施工中，防水施工是一道重要工序，有水区域以堵截为主，排引为辅，堵水时，针对富水地段可沿隧道开挖轮廓线以外进行深孔帷幕注浆，形成止水帷幕，同时对松散岩体进行加固处理；针对少水地段可通过浅孔注浆、小导管注浆等方式注浆止水，避免地下水进入工作面，提高隧道结构的稳定性、可靠性。

3.2 隧道开挖质量管理

为保证隧道开挖作业质量，在开挖作业前复测导线网，及时发现不符合设计的情况，制定针对性处理措施，然后上报监理工程人员进行审批。施工单位应结合围岩地质情况，制定科学的施工方案、合理的支护手段，密切留意地质变化，强化隧道开挖时的变形收敛量测，结合数据对开挖施工进行调整指导。隧道开挖时，如应用光面、预裂爆破，则要结合围岩状况优选最佳循环进尺、最佳眼孔布置，合理控制好用药量，达到理想的爆破效果，确保开挖断面成型圆顺，将超欠挖现象控制在合理范围内。

3.3 隧道初期支护管理

隧道初期支护效果，直接影响着隧道施工安全性、可靠性，因此要做好隧道初期支护管理工作。采用喷锚支护法时，应做到喷料随拌随用，喷射前需对岩面进行清洁处理，如厚度过大则需要分层喷射。要对水压、风压以及喷射距离等予以合理的控制，保证喷射厚度符合要求。钢架施工作业时应控制好间距、垂直度以及倾斜度。锚杆设置深度、间距也应符合设计标准。要控制隧道施工材料质量，保证材料质量达标，提高隧道初期支护质量[3]。要控制工序，确保工序合理。洞口支护施工时，要重点做好对边坡、仰坡、洞口岩堆体的清理工作，避免爆破作业时出现崩塌现象。隧道初期支护时，要确保中线、水平、断面尺寸、净空大小符合设计标准，保证隧道支护施工效果[4]。

3.4 综合性施工安全管理

复杂地形地质条件下的隧道施工作业，稍有不慎极易引发灾难性事故，如坍塌、涌水等，进而造成人员伤亡及财产损失。所以做好施工安全管理工作尤为关键。施工作业应提高安全管理意识，遵循“安全第一、预防为主”的原则和要求进行施工作业。首先，施工单位要设立安全生产监管机构，健全完善隧道安全生产制度，明确各个部门、人员的责任和任务。要落实安全专项方案审查机制，强化施工安全技术保障措施，将隧道施工安全漏洞消除。要重视对隧道施工安全应急预案的编制，定期落实演练工作。要对隧道施工特点、安全风险点展开深入分析，编制《应急救援联动总预案》，对安全管理原则、方针、流程、人员责任等明晰化，提高安全施工及管理意识。尤其是隧道施工中所常见的坍塌、涌水、火灾等事故，有必要制定专项应急预案，以便于更好地应对突发事故，减轻人员伤亡和财产损失。

3.5 强化施工环保管理

可持续发展背景下，隧道施工污染问题引发了越来越多人的关注。要强化施工环保管理工作，成立专门的环保领导小组，配置完善的环保设施，加强和政府环保部门的交流与合作，实现对隧道施工的有效管理，防止污水、噪音、粉尘污染，减少水土流失，确保满足环保要求。隧道内施工应定期洒水，减少粉尘数量，减轻环境污染。要加强环保教育、思想教育，编制环保责任书，学习新型环保技术，提升环保意识。要做好对场地的布置工作，减少对耕地的占用和植被的破坏。尤其要重视对隧道内部粉尘的防治和处理工作，隧道实施爆破作业后，利用水幕降尘器降尘，并灵活调整供风风速，减少粉尘污染。

4 结束语

综上所述，道路基础设施建设与民生息息相关，确保其施工质量至关重要。为保证隧道施工安全顺利进行，要保证施工技术的规范应用，掌握隧道施工技术要点，并加强隧道施工管理工作，制定完善的管理方案，提升隧道施工管理水平，提高隧道施工质量，降低质量、安全问题的发生几率，确保公路、铁路安全投入使用，推动经济良好发展。