極破碎圍巖隧道地層加固技術研究

汪 劍,唐學超

（深圳市特區鐵工建設集團有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引言

近年來，中國隧道工程建設取得了巨大成就，截至2019 年底，我國高速公路總里程已超過149 600 km。其中，公路隧道總長度為18 966.6 km/19 067 處，占高速公路里程比重為12.68%，為我國的經濟發展起到了重要的支撐作用。然而在公路基建項目高速發展的同時，復雜惡劣的地質條件成為隧道施工必須面對的難關，特別是穿越破碎地帶的情況越來越普遍。因此，加強對隧道穿越軟弱破碎圍巖段的施工技術和方法的研究顯得特別重要。

1 地質勘察和評估

在實施隧道工程之前，進行地質勘察和全面評估是不可或缺的步驟。其在整個工程項目中扮演著至關重要的角色，使工程師對地下環境有全面、深入的了解，特別是有關圍巖穩定性、破碎程度、滲透性等方面的信息。這些詳細的數據和評估結果是確保隧道工程成功實施的基礎，同時也有助于選擇最適合的加固技術和方法。

首先，地質勘察需通過采集大量地質數據和樣本來進行的，包括鉆探、地下勘測、地質地貌分析和地質實驗室測試等方法。通過這些手段，工程師能夠獲得對地下地質條件的深刻理解，包括地層的性質、分布和變化[1]。

其中一個重要方面是了解圍巖的穩定性。工程師需要確定圍巖是否足夠堅固，是否存在可能導致塌方或崩塌的地質構造或巖層，這就需要通過對地質結構的分析和巖石力學測試來加以評估。

此外，對圍巖破碎程度的評估也至關重要。如果圍巖容易破碎或呈現脆弱性，那么在施工和運營過程中可能會面臨較高的風險。因此，必須了解圍巖的巖石類型、堅硬度和結構特性。

滲透性是另一個需要評估的關鍵因素。如果圍巖的滲透性很高，可能需要采取額外的防水措施，以防止地下水或滲漏物質進入隧道。

根據對地質環境的深入了解，工程師可以為隧道工程選擇最合適的加固技術和方法，比如錨桿、噴射混凝土、巖壁支護結構等。在某些情況下，可能需要定制的支護方案，以應對特定地質的挑戰。

2 支護結構的設計

針對具有極破碎圍巖的情況，必須科學設計適當的支護結構，以確保隧道的安全性和穩定性。這些支護結構在處理極度不穩定的圍巖時發揮著至關重要的作用，支護結構的選擇和設計需要綜合考慮多個因素，包括地質條件、隧道尺寸以及地下水情況。

常見的支護結構包括以下幾種：

錨桿支護：錨桿是一種常見的支護方法，通過將鋼筋或鋼纜固定在圍巖中，然后灌注混凝土或其他支護材料來提高穩定性。錨桿支護適用于各種地質條件，可以應對不同類型的圍巖問題。

噴射混凝土：噴射混凝土是一種將混凝土通過高壓噴射到圍巖表面的技術，以形成堅固的支護層。這種方法適用于需要高度定制的支撐結構情況，可以在不同的地質條件下提供強大的支持。

鋼筋網：鋼筋網結構由鋼筋和網格組成，通常用于控制巖塊的崩塌。可用于加強和穩定圍巖，減少巖塊的脫落。

錨噴支護：錨噴支護是一種結合了錨桿和噴射混凝土的支護方法。將鋼筋或鋼纜固定在圍巖中，然后使用高壓噴射混凝土以加固圍巖。

支護結構的設計必須根據具體的地質條件進行定制。工程師需要考慮圍巖的性質，包括其穩定性、破碎程度、滲透性和可能存在的地下水情況。此外，隧道的尺寸和用途也會影響支護結構的選擇。不同類型的支護結構可以在不同情況下提供不同程度的支持和穩定性[2]。

在支護結構的設計和實施過程中，安全性是首要考慮因素。工程師必須確保所選的支護結構能夠承受地質變化、地下水壓力以及隧道使用中可能受到的外部影響，如振動和地震。此外，定期的監測和維護也是確保支護結構長期有效的關鍵因素。隧道斷面結構詳見圖1。

3 錨桿技術

錨桿加固是一種廣泛應用于固定和穩定圍巖的技術。這種支護結構通過將鋼筋或纖維材料注入圍巖中，然后將其連接到圍巖上，以提供堅固的支撐和穩定性。錨桿技術不僅在隧道工程中常見，還在許多其他領域的地質和土木工程中得到廣泛應用。

工作原理：錨桿加固的基本原理是通過將錨桿插入圍巖中，然后在桿內或周圍灌注混凝土、環氧樹脂或其他固化材料，將錨桿與圍巖緊密連接。這樣，錨桿就能夠分散外部荷載并提供支撐，防止圍巖發生位移、崩塌或坍塌。

適用范圍：錨桿加固技術非常靈活，適用于多種不同類型的圍巖，包括破碎的巖石、土壤、泥土和淤泥。通常用于處理巖石中的節理、裂縫或其他不穩定性工況，也可用于加固較軟的土壤或泥土。

材料選擇：錨桿通常由高強度的材料制成，如鋼或纖維復合材料。這些材料能夠承受高度的張力和剪切力，確保錨桿在連接圍巖時能夠提供足夠的強度和穩定性。

施工過程：錨桿的安裝通常需要進行鉆孔，然后將錨桿插入鉆孔中，打至所需位置，然后注入錨固材料，以確保錨桿與圍巖之間的牢固連接。錨固材料終凝后會將錨桿和周圍連成一個整體，形成堅固的支撐結構。

檢查和維護：錨桿安裝完成，做好定期的檢查和維護，包括檢查錨桿是否受到腐蝕或損壞，并采取必要的維修措施，以保持其性能。錨桿支護詳見圖2。

圖2 四車道錨桿支護設計

4 監測和維護

隧道施工完成后，維持圍巖的穩定性是一個至關重要的任務。需要按規范要求采取圍巖量測和監控量測及其他維護措施，來確保隧道在長期使用中保持安全和可靠。

持續監測：隧道的穩定性監測是一個持續的過程，包括使用各種傳感器和監測設備來檢測潛在的圍巖位移或應力變化。這些傳感器可以安裝在圍巖表面、隧道結構上或內部，以實時追蹤任何異常情況。這種監測可以幫助工程師及早發現潛在問題，采取必要的措施[3]。測點布置詳見圖3。

圖3 暗挖法測點布置示意圖

傳感器技術：傳感器技術在隧道監測中發揮了關鍵作用。例如，位移傳感器可以用來測量圍巖的位移，壓力傳感器可以用來檢測應力變化，傾斜傳感器可以用來監測圍巖的傾斜情況。這些傳感器將數據傳輸到監測系統中，以供工程師分析和評估。

定期巡視和檢查：除了使用傳感器進行實時監測之外，定期的巡視和檢查也是維護圍巖穩定性的關鍵。定期的物理檢查包括觀察圍巖表面是否出現裂縫、滑坡跡象或其他異常跡象，并檢查支護結構是否完好無損。

維護工作：如果在監測或巡視過程中發現了問題，及時采取維護措施至關重要。這包括重新加固支護結構、修復裂縫、清理垃圾或進行其他必要的維護工作，以確保圍巖的穩定性[4]。

數據分析和決策：收集的監測數據需要進行分析，并作出相應決策。工程師可以使用這些數據來評估圍巖的健康狀況，預判問題，并制訂維護和修復計劃[5]。

持續監測和維護是確保隧道長期穩定性的關鍵因素。通過使用先進的傳感器技術、定期的巡視和檢查以及及時的維護工作，可以確保圍巖在隧道使用壽命內保持堅固和可靠，同時降低潛在的風險和安全問題。這些措施有助于確保隧道工程的成功運營和維護。

5 結論

綜合來看，極破碎圍巖隧道地層加固技術研究是一個持續演進和創新的領域，只有通過繼續深入地研究、實驗和工程實踐，不斷優化技術參數，改進地層加固工藝等技術，才能滿足復雜地質隧道施工需求，確保隧道施工的質量和安全，為今后交通、基礎設施和資源開發等領域的可持續發展提供有力支持。