復雜地質條件下隧道施工關鍵技術研究與應用

摘要 文章以邦山隧道工程項目為依托針對復雜地質條件下的隧道施工關鍵技術進行分析，首先通過對該隧道工程項目進行勘察，得出了三條主要斷層的特征及對該隧道項目的主要影響，并探討了巖溶發展特征和規律；然后通過采取工程優化措施，采用了超前小導管注漿支護技術和三臺階七步開挖施工技術，有效控制了圍巖變形，提高了施工安全性。研究結果表明，這些技術的應用對于優化隧道施工技術、降低工程風險具有重要的指導意義，也為類似工程提供了實踐經驗。

關鍵詞 隧道施工；斷層；巖溶；超前支護；三臺階七步開挖

中圖分類號 U445.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0079-03

0 引言

隧道工程作為交通基礎設施的關鍵組成部分，扮演著舉足輕重的地位，然而隧道建設過程中所面臨的技術挑戰也非常嚴峻，尤其是大斷面隧道在穿越復雜的地質條件時，將遇到如高地應力、高地溫、硬巖巖爆及大斷裂帶的擠壓大變形等施工難題，對隧道施工的安全性構成了嚴重威脅。上述難題不僅增加了工程的難度，也對隧道的設計、施工和管理提出了更高要求。因此，開展大斷面復雜地質條件下的隧道關鍵施工技術研究，對于提高隧道建設的安全性、保障工程項目順利開展具有重要的理論和實踐意義[1]。該文以某隧道工程項目為依托，通過對工程施工重難點進行分析，探討隧道工程施工的優化措施，以期為類似工程提供理論依據和技術支持。

1 工程概況

邦山隧道工程項目采用分離式雙洞布置，頂部主要由中等風化灰巖和砂巖構成。地下水在隧道的存在形式主要是基巖裂隙水和巖溶水。據統計，隧道雙洞的平均正常涌水量為5 200 m3/d，最大涌水量可達到17 146 m3/d。根據地質勘察資料可知，從出口段至K145+400段的圍巖破碎嚴重，并存在溶洞現象，土層中含水量較大，尤其是隧道出口處，巖溶現象尤為明顯，溶洞大小不一，部分區域形成空洞，而其他部分則由可塑性的亞黏土和含礫亞黏土組成。

2 工程施工難點

2.1 斷層特征及其工程影響

受第二隆起帶及區域構造帶的共同作用，該地區形成了兩條近乎南北走向的斷層F135與F136，以及一條近乎北東向的斷層F135a。斷層F135和F135a在YK145+065的位置，與隧道軸線形成了一個較大夾角的相交，顯著影響隧道周圍的巖體穩定性；而斷層F136則在YK145+530處，與隧道軸線相交。斷層作用導致其附近的巖石風化加劇、破碎，層理結構發育，且斷層面擦痕顯著。

在隧道選址區域存在三處崩塌點，分別將其命名為H33、H34和H35，具體見表1所示。這些崩塌主要由人為開挖活動形成，導致陡坡產生，從而致使表層土體懸空。另一方面，在地下水和降雨的共同作用下，殘坡積土和砂巖風化層的土體重量增加，抗剪強度降低，沿土巖接觸面發生滑動崩塌，而崩塌物質主要由碎石和黏土組成，存在進一步失穩的風險。

此外，在隧道出口ZK145+722右側6.4 m處，發現一處廢棄的采煤探洞，洞高2 m，寬2 m，走向約為136°，總長度約220 m，且洞壁未進行支護。該探洞沿走向線以約30°的傾角向下延伸約40 m后轉為水平方向，與規劃中的隧道左洞在ZK145+712處相交，探洞頂板高程約為407 m，相對隧道底板低約12.8 m。在隧道開挖過程中，上述情況可能導致煤巖層松動，進而引起坍塌，對路面行車安全構成威脅。

2.2 巖溶發育及其規律

該區域巖溶作用顯著，巖體中廣泛分布眾多大小不一的溶洞，以及錯綜復雜的溶蝕裂隙等。根據各地詳勘資料的統計分析，該區域巖溶現象普遍，尤其在鉆探過程中遇洞頻率較高，以橋梁區域的巖溶發育最為顯著，鉆探遇洞率高達97%。

盡管巖溶作用的發展受多種因素的共同影響，其發育模式極為復雜，但仍可辨識出一定的規律性。在區域平面上，從盆地邊緣的山區向盆地中心的平原地帶，巖溶作用的強度逐漸增加，尤其是在盆地中部的河谷平原區域，溶洞分布尤為密集，構成了巖溶作用的強烈發育區。

在Y145+000出口段，巖溶作用同樣顯著，溶洞的頂板埋藏深度為14.7～101.5 m，底板埋藏深度則在18.8～102.0 m，溶洞的厚度范圍從0.3～9.7 m不等。其中，串珠狀溶洞中埋藏最淺的深度約14.7 m，厚度約為4.1 m。所揭露的溶洞多數為全充填至半充填狀態，充填物質主要為黏土和碎石，碎石成分以灰巖和方解石為主。這些特征表明，該區域的巖溶作用對隧道工程的規劃與施工具有重要影響。

在隧道溶洞段ZK145+195段施工進

行數值模擬，模擬過程中將溶洞定義為圓球狀，整體溶洞模型透視圖如圖1所示。

2.3 隧道施工地質災害分析

在該隧道的施工過程中，面臨著一系列復雜的地質條件。首先，隧道圍巖的整體條件較差，其中Ⅳ級圍巖占比較低，而Ⅴ級圍巖則占比較高，表明隧道的圍巖穩定性差，易發生變形和坍塌。特別是隧道左線和右線的Ⅴ級圍巖，其占比均超過75%，增大了施工難度和風險。

其次，隧道巖體破碎，存在斷層和巖溶問題，隧道出口圍巖的巖溶發育，以及廢棄采煤探洞的存在，導致圍巖穩定性顯著降低。在圍巖等級較高的部位及巖性分界段，圍巖穩定性較差，在施工過程中可能產生大量的掉塊現象。在涌水突泥方面，隧道的正常涌水量和最大涌水量均較大，需要在施工時進行探水的超前預報，并準備突水漏水事故的處理預案。特別是在巖溶發育地段、斷層部位，這些區域作為儲水部位，水量較大將給施工增加額外風險。

最后，隧道圍巖中存在煤層，可能存在瓦斯的局部聚集，在施工過程中必須遵循相關施工規定，確保施工安全。

3 施工地質災害防治與工程優化措施

3.1 斷層破碎帶超前支護

在該隧道工程中，針對斷層破碎帶的超前支護主要采用注漿擴散施工技術。該施工技術所使用的漿液在地層中的擴散方式主要包括滲透擴散（a）、劈裂擴散（b）、裂隙填充（c）和擠壓填充（d）等四種，其擴散機理模式見圖2所示。在滲透擴散過程中，漿液在壓力作用下通過地層孔隙或裂隙進行填充，增強地層的密實度并提高其承載能力；劈裂擴散則是在注漿壓力超過地層的劈裂壓力時發生，漿液沿地層產生的裂縫進行擴散，進一步加固地層；裂隙填充主要針對殘積層、斷層破碎帶等，當漿液滿足裂隙寬度要求時，能夠有效填充裂隙，增強地層的整體性；而擠壓填充則是通過壓力將漿液擠入土體，改善其物理力學性能[2]。

圖2 漿液在圖層中擴散機理模式

當漿液無法通過滲透或劈裂的方式進入地層的空隙時，擠壓填充便發揮作用。在這一過程中，注漿的壓力迫使漿液進入地層，從而將地層壓實，增強其穩定性。這種填充方式通常適用于地層空隙較小或地層較為堅硬的情況，通過施加外力，漿液能夠將地層中的顆粒更緊密地結合在一起，提升地層的整體承載能力和抗變形能力。

在該隧道的斷層破碎帶超前支護施工中，采用了小導管超前注漿支護技術。該技術通過在工作面前方設置小導管并注入漿液，形成殼體保護拱，以有效控制地層變形。注漿材料采用普通水泥單液漿進行施工。材料的選擇和配合比的設計對注漿效果有著直接影響，因此需要在施工前進行注漿試配以確定最佳配合比。

在斷層區域，每隔3 m實施注漿作業，注漿導管從小導管鉆孔穿透，然后布置在工字鋼拱架最上方，在小導管安裝完成后將其端部和拱架焊接在一起形成可靠支撐。隧道超前小導管的注漿，通常使用長度為4～6 m、直徑為42 mm、壁厚為4 mm的熱軋無縫鋼管。在掌子面上臺階位置，噴射厚度為10 cm的細石混凝土進行封閉，從而形成止漿墻。該工程使用2臺型號為KBY50/700的注漿泵，初期支護時應及時安裝注漿小導管，并根據工程進度及時進行注漿。為了趕工期，在邊墻上預埋直徑為10 mm的鋼筋，并采用鐵絲將注漿管與鋼筋固定牢固，然后采用4臺注漿泵進行注漿，從而提高注漿效率。

在考慮小導管的預先支撐功能時，內部導管的外側傾斜角設定為10°，而外部導管的外側傾斜角則為30°。環向的間隔保持在40 cm，雙層排列的間距同樣為

40 cm，且每層導管應交錯排列以增強結構的穩定性。注漿時的壓力應控制在1.5～2.0 MPa，且兩個循環的注漿區域應有1 m的重疊部分，以確保連續性。在注漿過程中，可以采用間隔孔注漿的方法。一旦注漿壓力達到預定的壓力，即停止注漿。在隧道溶洞段ZK145+195段施工完成后，對徑向和縱向的超前支護進行數值模擬，整體網格模型透視圖如圖3所示：

圖3 整體網格模型透視圖

3.2 三臺階七步開挖施工技術

在該隧道工程項目中，使用三臺階七步開挖施工技術完成開挖施工。三臺階七步開挖施工技術采用超前地質預報、探水、注漿堵水等預處理措施，同時采用預留核心土的開挖技術，以減少對圍巖的擾動并有效控制圍巖變形。三臺階七步開挖施工工序圖如圖4所示，其詳細步驟如下[3]：

（1）頂部拱形導坑挖掘。在拱頂區域完成超前支護作業后，沿環向挖掘頂部的拱形導坑，并保留中心土體。建議中心土體的長度為3～5 m，寬度為隧道開挖寬度的1/3左右。挖掘的循環步長應依據初期支護的鋼架間距進行設定，且最大步長不應超過1.5 m。

（2）中部和下部臺階挖掘。挖掘步長同樣依據初期支護鋼架的間距進行確定，最大步長不得超過1.5 m。挖掘高度通常在3～3.5 m，左右兩側臺階的挖掘應錯開2～3 m的距離。通過采取錯開開挖的方式，可有效減少對周圍巖石的連續性干擾。

（3）中心土體保留。在各個臺階的挖掘過程中，應分別保留相應的中心土體，其挖掘的步長應與各臺階的循環步長相匹配。

（4）隧道底部挖掘。建議每個循環的挖掘長度控制在2～3 m，挖掘完成后應立即進行仰拱的初期支護工作。在完成兩輪隧道底部的開挖和支護后，應迅速進行仰拱施工。

該施工技術優點在于能夠及早封閉成環，保證施工安全，并可通過平行流水作業提高施工效率。同時，三臺階七步開挖法在地質結構復雜多變的隧道施工中，能夠快速轉換施工方法，確保工期進度達到預期目標，增強了安全和工期的保障性。此外，該施工技術的施工工藝簡單，施工投入成本少，對于軟弱圍巖隧道施工具有重要的應用價值。

4 結論

該文針對復雜地質條件下的隧道施工關鍵技術進行了研究分析，通過對某隧道工程項目的深入勘察，發現斷層及巖溶發育對隧道穩定性的影響，并有效運用了超前小導管注漿支護技術和三臺階七步開挖施工技術，實現了圍巖變形的有效控制并提高了施工安全性。研究結果表明，該工程項目的優化措施提高了施工效率、降低了工程風險，為類似復雜地質條件下的隧道工程提供了寶貴的理論參考與實踐經驗。該文所得出的結論不僅豐富了隧道施工技術領域的學術研究，也為工程實踐中的技術創新與優化提供了科學依據。

參考文獻

[1]黃林.復雜條件下大斷面隧道施工關鍵技術研究[D].北京：北京交通大學， 2015.

[2]左一銘.軟巖隧道大斷面施工掌子面穩定性及超前支護參數優化研究[D].南寧：廣西大學， 2023.

[3]申靈君.軟弱地層大斷面隧道施工方案優化與施工技術研究[D].長沙：中南大學， 2012.