基于山區復雜地質條件下的隧道施工技術分析

覃可寬

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530003)

隨著我國經濟的發展以及現代化各項事業的不斷推進，需要越來越多的交通設施來作為基礎支撐。以山區隧道為例，雖然前期施工周期較長、難度較大，但隧道貫通后可大大縮短交通里程，增加了交通運力并提高了生產效率，因此，隧道工程的作用在實際的生產和應用中效果顯著。目前，國內隧道工程的施工技術已逐漸成熟，具有我國自主知識產權和技術專利的隧道施工技術大量涌現，尤其是在山區復雜地質條件下的隧道施工中積累了相當豐富的技術經驗。

本文旨在通過對山區復雜地質結構特點的分析來總結影響隧道施工過程的主要因素，搭建穩定性數學模型對復雜隧道施工過程中發生的地質形變加以控制并進行科學、合理的計算、評估，同時結合工程實例進行驗證[1]。

1 地質結構特點以及對隧道施工的影響

山區地質結構大多十分復雜，具體可表現為各類微觀構造組成的不連續性地層、層理斷面所引起的各種異向地形、地表缺陷所引起的地質差異、水量分布不均引起的富水性等。地質條件的復雜性及特異性決定了山區地層的穩定性通常較差、地層種類較多，部分山區地質條件較為松散，給隧道施工造成了較大的困難[2]。

1.1 地層連續形變

對于山區復雜地質條件下的地層連續形變而言，一般都具有較為相對的均勻性以及可預測性。通過連續地層介質下的力學彈塑性理論可進行預測，其中的形變程度與材料力學的參數、工程范圍以及實際的隧道施工方法相關，與此同時還與地層預處理過程以及預支護的具體措施相關。通常，采取數值的計算方法可涵蓋隧道施工理論的嚴謹性以及實際工程施工中的諸多優勢，效果比較理想，目前被業內工程界及學術界廣泛采用[3]。值得注意的是，此方法僅對較為完整以及均勻的地質有效，且計算結果僅代表地層擾動下作為連續地層介質所權衡的部分形變，而非地質的全部形變，例如形變地層上方垮塌的范圍λ與碎脹系數k的關系如圖1所示。微觀結構的失穩會造成地層不同程度的破壞及塌落，且松散狀態的土質參數也會發生相應的變化。

圖1 垮塌范圍λ與碎脹系數k的關系示意圖

1.2 地質成分復雜不均

多數山區地形錯綜復雜，地質成分各異，如大型卵石、巖溶地質以及其他濕陷性、淤泥質黏土成分等。此類復雜、特殊的地質結構無疑給隧道工程的施工帶來極大的難度和挑戰。對于較陡區域以及其他易出現山體滑坡和泥石流的區域，在隧道施工過程中應盡量避免對圍巖的擾動，并采取支護措施。在隧道開挖前需對隧道附近的復雜施工區域進行實地勘探，比較常見的做法是采用直接法和間接法進行探測，做到對隧道埋深、巖土類型以及地下水和其他不良地質體的構造、參數都有充分的掌握[4]。

1.3 復雜地質對山區隧道施工的影響

復雜地質的結構性在地層形變的過程中具有非常重要的作用，對隧道施工的影響很大。對于地層微觀缺陷而言，所影響的方式主要是單獨缺陷的結構失穩、多缺陷地層間作用以及缺陷構造的協調形變。在結構失穩和洞體擴散方面，地層微觀缺陷中的失穩經常會觸發大范圍的地質破壞，隨之而來的是地質構造的形變，并延伸到地表進而形成沉降槽，最終致使地質整體形變增加。當因隧道施工而受到擾動后，地層微觀結構便以特定的方式向周邊擴散，且范圍將逐漸擴大，形成大范圍的松軟地層，某種程度上來說使地層剛度降低，直接導致地層形變的增加[5]。

2 復雜地質條件下隧道施工的關鍵技術

對于山區中復雜地質條件下的各類缺陷、結構斷面、軟弱夾層、松軟土質和地下沉積物來說，進行隧道施工的難度顯著增加。如果對此類特殊而復雜的地質構造處置不當或所采取的隧道施工技術達不到標準，那么將會使施工過程中的地層進一步發生形變。

2.1 搭建隧道施工穩定性數學模型

對于隧道施工過程中的梁式結構來說，松軟夾層等地層缺陷在此過程中呈現梁式擾動形式，具備特定的力學特性，可將該種缺陷體定性為梁結構模型[6]。假設梁截面高度為h，寬度為單位長度，長度取缺陷結構跨度l，地層側壓系數設為λ，縱向載荷為q，橫向側壓p=λq，在縱向力q作用下，結構橫截面邊緣拉應力σ1=ql2/2t2，在橫向側壓p的作用下，梁截面正應力σ2=-λq，可知梁支座處最大拉應力為σt=σ1-σ2=ql2/2t。2+λq，當梁結構端側受損后在中間處發生開裂現象時，便會形成三鉸拱的形式。通常這種三鉸拱具有暫態的穩定性，且在特定的情況下如果引起結構失穩便會影響更深處的地層，因此，地層呈現出分組沉降形式。通過拱軸線定義可得AOB全部截面彎矩M及其剪應力Q的值都為0，其穩定性數學模型如圖2所示。

假設拱結構跨距為l，拱高為h，拱頂載荷設置為q，地層側壓系數仍為λ，由整體受力可知，A、B支座的縱向反作用力為YA=YB=0.5ql，若取半拱結構AO并對拱點O測距可得如下穩定性公式：

0.5YA-XAh-0.5λqh2-0.125ql2=0

2.2 微觀地質結構強度分析

對于山區復雜地質中的各類微觀構造，不論以何種方式引發破壞或失穩，對地層所引起的形變均可表現為特定的微觀構造效應。從這個層面來講，它們的影響趨于一致，但各種地質類型的結構及其穩定性對地層的破壞程度和范圍卻可產生不同程度的影響，即其決定了地質的形變程度[7，8]。對于具體的山區復雜地質條件下的隧道施工而言，常存在多種類型的微觀地質構造，且各類型地質間的互相作用與影響致使地質形變效應更加復雜化。例如相鄰地質構造間彼此互為失穩誘因，因此，如何防止它們之間形變的階梯傳遞效應是隧道施工過程中的控制重點。而結構性失穩及失穩后的相互連通對于形變來說則表現為共同作用的結果，此因素所引起的非線性形變量的增加需得到充分重視。

2.3 地質預期形變評估

地質結構、隧道施工以及地表沉降間的相互作用表現為一定的動態過程，三者間的協調形變也是一個彼此耦合的過程。某種程度上來說，這種多類型結構的動態約束和影響給隧道施工帶來了一定的技術難度，尤其是在山區復雜地質條件下的隧道施工中，其特殊的時空變化階段為隧道施工區域地質的勘探和安全風險的預控帶來了一定難度。從目前已有的文獻和實際成功的隧道施工案例來看，地質預期的形變主要分為：施工材料層面的彈塑性形變、微觀構造層面的復合性形變以及環境因素所引起的固結性形變。在對上述幾種情況分別進行分析、計算的同時應考慮地層加固、隧道支護以及時效性的影響，通過專業的取值、分析后便可對山區復雜地質條件下的隧道施工所引起的各類形變做出預期評估[9，10]。

3 試驗驗證及結果分析

表1 隧道區域地下水特質明細表

根據所提出的隧道施工穩定性預控模型，應用到麗水下河塔隧道的施工方案中，通過對該區域復雜地質的實地勘探，結果獲取到三層地下水，例如其中的上層滯水以大氣降水、江河水以及生活排水、管道滲漏為主，得出具體數據如表1所示。

在下河塔隧道的實際施工方案中，最先施工的4號線僅采用朝前灌漿以及逐步開挖的方法，而對于地層中的缺陷并未做任何處理，發生了過渡沉降的現象，因此，在后續的10號線施工中采用雷達探測的方法，以準確把握地層中所有孔洞的數量和分布，但需在開挖隧道之前對地層缺陷作填充處理。為驗證所提出的隧道施工穩定性模型，分別對下河塔隧道施工區域的地表沉降范圍進行全程監測，得出4號、10號線各斷面的沉降值，如圖3所示。

圖3 下河塔4號、10號線地表最大沉降值示意圖

由圖3斷面數據可知，4號、10號線在施工的過程中，所有時段的地表沉降值均在合理、可控的范圍內，證明了所提出的基于山區復雜地質條件下的隧道施工穩定性控制模型的正確性。

4 結語

山區復雜地質條件下的隧道施工技術一直以來都是學者們研究的重點問題，本文在分析了一系列影響隧道施工的重要因素之后，對施工過程中的穩定性進行了全面評估，并提出了保障隧道施工穩定性的數學模型，通過工程實例進行試驗驗證，為其在山區復雜地質條件下的隧道施工領域中應用提供借鑒和參考。

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