隧道水平巖層快速施工關鍵技術研究

王天勇

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西西安 710000）

0 引言

近年來，隧道施工技術在水平巖層的快速施工中已經取得顯著的進展。基于不同的巖層性質，選擇合適的施工技術和設備，對于保證施工質量和速度而言至關重要。然而，隨著工程規模和復雜性的增加，傳統的施工方法已經難以滿足工程的需求。文章旨在提供一個全面的視角，介紹最新的地質預測、掘進、支護以及信息化監控技術，并提供實際施工的策略和建議。

通過深入研究和應用這些技術，工程師和施工人員可以更有效地面對巖層施工中的各種挑戰，從而確保隧道工程的質量和安全性[1]。

1 巖層地質與預測技術

1.1 巖層分類與性質

巖層的性質和地質特征對隧道施工的難度、安全性和穩定性有直接影響。在施工前，必須深入了解并準確預測巖層的地質情況，以確保施工順利。巖石的物理性質，包括硬度、密度和滲透性，決定了隧道掘進所需的機械和工具。不同類型的巖石可能需要不同的掘進方法和支護措施。

此外，巖體結構面的特征，如裂隙、節理和斷層，對隧道穩定性有直接影響，了解這些特征有助于選擇合適的支護措施。

1.2 地質預測方法

地質預測是隧道水平巖層快速施工中至關重要的環節，為工程師提供了地下巖層條件的關鍵信息，有助于制訂合理的施工方案，降低施工風險，并確保工程的安全性和穩定性。在地質預測工作中，多種方法和技術被廣泛應用，以滿足不同地質條件下的需求。

地質雷達法（GPR）是一種非侵入式的地質預測技術，通過發射和接收電磁波來探測地下巖層的情況[2-3]。地質雷達法能夠提供地下巖層的高分辨率圖像，識別不同巖石類型和結構面的位置，有助于確定隧道掘進路徑和選擇合適的掘進方法。地質雷達法還可以檢測地下水位和水文條件，幫助預測潛在水害風險。因其高效、快速和無損的特點，地質雷達法在隧道施工中得到廣泛應用。

電磁法是另一種常用的地質預測技術，通過測量地下電導率差異來識別不同的地質層。電磁法在探測地下水位和水文條件方面表現出色，因為地下水通常具有不同的電導率。通過分析電磁數據，工程師可以了解地下巖層的分布情況，確定隧道施工中可能遇到的地質問題。此外，電磁法還可以用于檢測地下金屬物體，有助于避免施工中的意外情況。

鉆孔探測法是一種傳統且有效的地質預測方法。這種方法通過在地下鉆取巖心樣本來獲取地質信息[4-5]。通過分析這些巖心樣本，可以詳細了解地下巖層的物理性質、結構和分布情況，從而為隧道施工提供重要的地質數據。這種方法尤其適用于復雜地質條件下的項目，可以有效指導工程設計和施工。這種方法可以提供詳細的巖層數據，包括巖石的物理性質和結構面的情況。這些數據對于隧道施工中的支護設計和施工方案的制訂而言至關重要。盡管鉆孔探測方法比地質雷達法和電磁法更為耗時和昂貴，但其準確性和可靠性的優勢使其在復雜地質條件下巖層施工中仍然不可或缺。

地質預測的重要性是為隧道施工提供了前瞻性的信息，有助于避免意外情況的發生，降低施工中的不確定性。不同的地質預測方法可以相互補充，根據具體情況選擇合適的技術組合，以確保隧道施工的順利進行。

1.3 地質風險評估

地下隧道工程伴隨著各種地質風險，這些風險對隧道施工和使用階段的安全性和可靠性構成嚴重威脅。因此，地質風險評估是隧道水平巖層快速施工中的重要環節。地質風險評估的目標是識別和分析可能對隧道工程造成威脅的地質風險，并采取預防措施，以降低這些風險對工程的不利影響[6]。

首先，需要考慮巖層的特性，包括巖石的基本特性與分類、巖體結構面的特點以及巖層的物理和力學性質。這些信息對于評估地質風險至關重要，因為不同類型的巖層會對隧道施工產生不同的影響，可以采用地質雷達法、鉆孔探測法等方法分析地質條件。

其次，需要考慮可能的風險事件，如水害、巖爆和瓦斯爆炸。工程師需要預測這些風險事件的可能性，并采取相應的措施來減輕其影響。例如，在水害預測方面，可以使用水文地質調查和模擬來評估地下水位的變化和水流路徑，從而采取合適的防水措施。巖層穩定性分析也是地質風險評估的重要組成部分，通過使用數值模擬和地質工程軟件，工程師可以模擬不同條件下巖層的行為，以預測可能的巖體破壞和滑動情況。

2 鉆爆掘進與支護技術

2.1 鉆爆掘進技術選擇

人工鉆爆掘進主要優勢在于能夠高效地破碎堅硬的巖層，并且在需要時可以實現精確的掘進方向。這種方法的實施效果依賴鉆爆設計和操作人員的施鉆水平。

首先，鉆爆設計是鉆爆掘進的核心，其確保在不同地質環境下，在恰當的位置和深度上精確鉆出爆炸破碎所需的孔洞。例如，對于硬巖環境，采用統一長度、合適的環向間距周邊眼，能有效控制超欠挖。對于較為脆弱或破碎的巖石，采用長短眼配合布設周邊眼，避免過多地破壞巖石結構，能有效控制軟巖超欠挖。除鉆爆設計外，爆破炸藥的選擇也至關重要。不同的炸藥有不同的能量釋放率和破碎效果，一些高能炸藥能夠產生強烈的爆炸，適用于堅硬的巖層，而低能炸藥則更適用于需要精細控制的環節。

其次，爆炸效果與引爆系統緊密相關，因為引爆系統保證炸藥在正確的時間和順序下被激活，這對于控制爆破效果和減少不必要的損壞而言非常重要。當面對復雜的地質條件時，如斷層、水分過多或者不穩定的巖層，鉆爆策略需要相應調整。在這些環境下，可能需要更頻繁的調查和測試以確定最佳的鉆爆策略。這可能意味著更淺的鉆孔深度、不同的炸藥選擇或更為精細的爆破計劃。安全始終是首要的關注點。

使用人工鉆爆方法時，既要確保操作人員的安全，也要確保周圍環境的安全。這需要對設備進行定期檢查和維護，并確保操作人員得到足夠的培訓。風險管理不僅涉及人為錯誤，還包括地質突發事件，如巖石塌陷或地下水沖刷。對于這些風險，應采取預防措施，并隨時準備進行必要的應對[7-8]。

2.2 鉆爆施工中的巖層支護方法

在進行鉆爆施工時，巖層的穩定性至關重要，巖層的不穩定可能導致塌方、裂縫擴展或其他安全問題。因此，有效的支護方法對于確保掘進作業的安全和效率而言是必不可少的。初期支護在鉆爆施工的早期階段起到關鍵作用，其旨在防止新開挖的部位短時間內發生塌陷或產生不穩定情況。其中，鋼架是一種常用的初支技術，其為巖石提供一個堅固的“骨架”來防止巖層移動。這些鋼架常常按照特定的模式和距離放置，以確保在其上的巖石得到均勻的支撐，再將混凝土以高速噴射到巖層表面，形成一個堅固、連續的外殼，進一步加強巖層。這種外殼不僅增加了巖石的結構穩定性，而且由于其與巖石的結合非常緊密，還能有效防止水或其他液體進入，避免了由此引發的不穩定情況。

同時，系統錨桿也在巖層支護中扮演了重要角色。系統錨桿通常由鋼筋或其他堅固的材料制成，其鉆入巖層并固定在巖層內部，為巖石提供拉伸和壓縮的支撐。這些錨桿可以有效地減少巖石的位移和變形，特別是在遇到大的應力或裂縫時。然而，在某些特殊的地質條件下，如在高度疏松或多孔的巖層中，傳統的支護方法可能無法提供足夠的支撐。在這些情況下，徑向注漿技術被廣泛應用。通過將混凝土或其他固化劑注入巖石的孔隙中，徑向注漿技術可以顯著提高巖石的穩定性和承載能力。此外，注漿還有助于封閉巖石中的裂縫或其他缺陷，從而進一步增加其穩定性。

2.3 人工鉆爆施工的速度與質量控制

在鉆爆施工過程中，速度和質量是兩個至關重要的要素。加快施工速度可能會犧牲質量，而對質量的過度追求可能導致施工速度的下降。因此，如何在兩者之間找到平衡成為每一個施工項目的核心挑戰。

首先，鉆爆施工的速度受到多種因素的影響，其中巖層的硬度是一個關鍵因素[9]。對于硬巖層，需要更多的能量和時間來鉆進，而柔軟的巖層則更容易處理，但這并不意味著軟巖鉆爆施工一般會更快。在軟巖中施工，特別是含有大量水分的巖石，可能導致鉆頭堵塞，從而降低施工進度。除了巖層硬度外，爆破技術、鉆孔深度和策略等也是影響施工速度的關鍵因素。正確的爆破技術可以確保每次爆破都達到最大的效率，合理的鉆孔深度和策略可以確保鉆孔的時間得到最佳的利用。

其次，無論施工速度如何，質量始終是最重要的。質量的問題不僅包括施工的質量，還涉及巖層的完整性、安全性和后續使用的穩定性。因此，對巖層穩定性的分析和爆破效果的監測至關重要。先進的巖層穩定性分析工具可以預測可能出現問題的巖層，幫助工程師調整施工策略。同時，實時的爆破效果監測可以確保每次爆破都達到預期的效果，避免不必要的巖石損壞或移動。此外，為了確保施工的質量和速度，設備維護和人員培訓也是不可忽視的部分。對于施工設備，特別是高性能的鉆機和爆破設備，需要進行定期的維護和檢查，以確保其始終處于最佳的工作狀態。設備操作人員則需要經過嚴格的培訓，確保其了解設備的工作原理，掌握在各種地質條件下的操作，并能夠在遇到問題時迅速作出判斷和調整。

最后，隨著技術的進步，實時數據采集與分析在鉆爆施工中的重要性日益增加。通過監測巖層的移動、振動和其他相關參數，工程師可以實時了解施工的進展，從而做出及時調整，確保施工的質量和速度得到最大程度的優化。鉆爆施工的速度與質量可以通過科學的方法和策略實現和諧的平衡。這不僅確保了施工的效率和質量，而且為整個項目的成功奠定了堅實的基礎。

3 信息化施工與實時監控

信息化施工和實時監控在隧道水平巖層的快速施工中起著至關重要的作用。它們提供了大量數據和實時信息，支持決策和管理，從而提高了工程的效率、安全性和可控性。信息化施工結合了現代信息技術和施工過程，使用數字化工具和技術來提高生產效率和質量。

在隧道施工中，這包括數字化的項目管理系統、施工計劃和進度跟蹤，以及資源分配和任務協調。3D建模和仿真技術的應用有助于優化設計和施工方案。實時監控則通過嵌入式傳感器技術和數據采集系統監測隧道施工過程。傳感器可以測量應變、壓力、傾斜等參數，以及巖體變形和壓力等關鍵指標。這有助于工程師及時了解施工現場的情況，檢測潛在風險，并采取措施。環境監測同樣重要，它監測氣體、水質和溫度等，確保工程的環保合規。

數字化施工流程減少資源浪費，實時監控發現巖層的變化和不穩定性，預警風險，保護人員安全。精確的數據采集和分析有助于檢測并及時糾正施工質量問題，確保隧道的穩定性和功能性。及時發現問題并采取措施還可以減少事故發生的可能性，避免工程延誤和額外開支[10]。

4 結語

隧道水平巖層快速施工關鍵技術的不斷創新和應用，不僅提高了工程的質量和效率，還為經濟發展和人民生活水平的提高創造了更優越的條件。相關人員應當繼續積極探索和推廣這些技術，以應對日益增長的基礎設施需求，為可持續發展和城市建設作出更大的貢獻。