探析復(fù)雜地質(zhì)下公路隧道施工技術(shù)
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摘要：我國地域廣闊，地形地貌復(fù)雜多變，在設(shè)計(jì)隧道工程方案的同時(shí)也要考慮到地形、地貌以及地質(zhì)等多方面問題，才能保證隧道施工安全和質(zhì)量。為促進(jìn)我國隧道工程建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在文章中針對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速公路隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究，希望為同類工程項(xiàng)目提供借鑒，也希望通過研究提高我國高速公路隧道施工技術(shù)水平。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境；高速公路；隧道；施工技術(shù)
隧道工程已經(jīng)成為高速公路工程建設(shè)中不可缺少的一部分，但是隧道施工過程中因?yàn)轫?xiàng)目規(guī)模大、工期長、工序多、不可預(yù)見的因素多等特點(diǎn)，增加了隧道施工的安全隱患以及難度。所以與一般工程項(xiàng)目相比，隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)很大，必須綜合考慮，保證施工方案的合理性和安全性，引入先進(jìn)的施工技術(shù)與工藝，提高隧道施工技術(shù)水平。在本文中主要針對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工技術(shù)進(jìn)行研究，解決復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對于隧道工程帶來的影響，促進(jìn)隧道工程的健康發(fā)展，切實(shí)提高我國隧道施工技術(shù)水平。
1隧道施工方法及其特點(diǎn)
1.1隧道施工方法
近年來，我國隧道施工技術(shù)伴隨著高速公路工程建設(shè)的發(fā)展得到進(jìn)一步提升，各種新的隧道施工技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對提高隧道施工技術(shù)水平起到了重要作用，而且每一種隧道施工技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，比如一些隧道施工技術(shù)的工期比較短、隧道施工技術(shù)的造價(jià)比較低，有的隧道施工技術(shù)安全性比較高等，可以根據(jù)隧道工程實(shí)際情況選擇施工方法[1]。同時(shí)，不同的隧道施工方法之間有著一定的聯(lián)系，可以根據(jù)不同的隧道技術(shù)設(shè)計(jì)施工方案并從中選擇經(jīng)濟(jì)性、安全性等比較好的方案。
1.2不同隧道施工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
隧道工程中已經(jīng)形成了比較完整的隧道施工方案體系，施工方法多種多樣，常見的施工方法包括全斷面法、臺(tái)階法以及分部開挖法三個(gè)大類，不同施工方法的綜合比較見表1，對這三大類施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了如下分析。首先是全斷面開挖法，是按照設(shè)計(jì)的隧道輪廓采取一次爆破形成的施工技術(shù)，在爆破后進(jìn)行全方位支護(hù)然后再修建襯砌。該施工方法需要達(dá)到I~IV級圍巖，比如針對IV級圍巖，圍巖必須具備采取全斷面開挖法時(shí)的初期到支護(hù)這一過程中能夠保持穩(wěn)定良好狀態(tài)的條件，對施工安全很重要[2]。同時(shí)，在隧道工程中有鉆孔臺(tái)車或者自制作業(yè)臺(tái)架和高效率裝運(yùn)機(jī)械設(shè)備的條件下也可以采取該施工方法，但是需要注意的是在采用全斷面施工方法時(shí)隧道的長度不宜太短，至少在1km以上，這是從經(jīng)濟(jì)性角度考慮的，因?yàn)榇笮蜋C(jī)械設(shè)備施工需要投入大量的成本。另外，機(jī)械設(shè)備的配套必須保證，否則會(huì)對施工效率、進(jìn)度以及質(zhì)量等帶來一定影響。全斷面施工方法的優(yōu)點(diǎn)比較顯著，比如工作面空間很大，可以使用大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè)，減輕施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度；開挖工序簡單，只有一道開挖工序，施工速度比較快；施工過程中因?yàn)楣ば蚝唵?，所以干擾比較小，便于管理，也能保證施工安全及質(zhì)量。但是全斷面施工過程中機(jī)械化程度很高，必須保證施工組織嚴(yán)密。其次是臺(tái)階法，該方法中需要將掌子面橫向分割成兩個(gè)或三個(gè)部分，然后分部開挖，一般分為上半斷面和下半斷面兩次開挖成型。該施工方法需要按照如下順序進(jìn)行施工：開挖上半部、拱部錨桿噴射混凝土支護(hù)、拱部襯砌、下半部中央部分開挖、邊墻部分開挖、邊墻噴射混凝土支護(hù)及襯砌，總體來說臺(tái)階法施工對于各方面的要求比較低，比如圍巖使用范圍更廣泛，只要保證隧道洞內(nèi)有一定工作空間、一定的施工速度、開挖面具有一定穩(wěn)定性就可以，而且在該施工方法中是先進(jìn)行上部開挖支護(hù)，下部開挖作業(yè)有穩(wěn)定安全的施工環(huán)境[3]。因?yàn)榕_(tái)階法的優(yōu)勢比較明顯，所以在很多隧道工程中都比較適用。最后是分部開挖法，包括環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁法和中隔壁法幾種施工方法，主要適用于軟弱圍巖無法進(jìn)行大斷面開挖的隧道工程。（1）環(huán)行開挖預(yù)留核心土法可以在V~VI級圍巖中應(yīng)用，采取人工配合挖掘機(jī)的方式進(jìn)行支護(hù)，然后開挖核心土體和下半部土體，再進(jìn)行邊墻初期支護(hù)并進(jìn)行逢低。該施工方法的工作面具有良好的穩(wěn)定性，所以施工環(huán)境比較安全，風(fēng)險(xiǎn)較小。（2）雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，也稱“眼鏡工法”，該方法可以適用于IV~V級圍巖。在施工過程中先開挖兩側(cè)導(dǎo)坑，初期支護(hù)由下到上形成，可以解決土地承載力不足的問題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保障人員安全。但是該施工方法中工序比較復(fù)雜，管理難度大，施工效率低，工期長，如果導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)還會(huì)增加額外的成本，經(jīng)濟(jì)性不好。（3）交叉中隔壁及中隔壁法，主要適用于大跨淺埋隧道工程中。中隔壁法每一步施工都需要做好錨噴支護(hù)、設(shè)置鋼架、施作中隔墻、臨時(shí)仰拱等，而交叉中隔壁法采用自上而下分二或三步開挖中隔墻的一側(cè)，做好支護(hù)，然后才能進(jìn)行另一側(cè)作業(yè)。
2常見的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境類型
在隧道工程中常見的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境包括以下幾種。（1）不良地質(zhì)條件，比如滑坡、泥石流、煤層瓦斯、濕陷性黃土等。當(dāng)遇到不良地質(zhì)條件時(shí)施工活動(dòng)很容易導(dǎo)致隧道圍巖變形、塌方、瓦斯爆炸以及下沉等問題，極易引發(fā)施工安全事故[4]。（2）巖溶。在部分地區(qū)中比較常見，如果遇到巖溶地質(zhì)條件極易引發(fā)突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重情況會(huì)威脅到人員安全，所以隧道工程遇到巖溶地質(zhì)條件時(shí)必須做好超前預(yù)報(bào)等，確保施工的安全性。（3）大斷層帶。一些深隧道工程中可能會(huì)遇到區(qū)域性斷層的問題，影響整體施工進(jìn)度，加上工程規(guī)模比較大，難以對大斷層帶風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測和判斷，會(huì)增加施工成本和施工難度，造成巨大的損失。（4）膨脹巖。一般會(huì)含有大量的水分，體積變大，內(nèi)應(yīng)力較大，膨脹力的大小及其分布范圍會(huì)直接影響到隧道主體結(jié)構(gòu)安全性，應(yīng)該加強(qiáng)試驗(yàn)，提前防范。（5）軟弱圍巖。會(huì)降低圍巖的承載力及粘結(jié)力，在遇到水以后會(huì)發(fā)生一定程度的軟化，極易引發(fā)裂縫、塌方、滑坡等災(zāi)害，造成人員傷亡。隨著我國高速公路隧道工程的快速發(fā)展，面臨的地形地貌更加嚴(yán)峻，應(yīng)該根據(jù)不同地質(zhì)條件尋求針對性的施工方法，保證隧道施工質(zhì)量以及施工期間的人員安全性問題。尤其針對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，做好充分的調(diào)查、超前預(yù)報(bào)、支護(hù)等措施，切實(shí)保證隧道施工的順利進(jìn)行。
3復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速公路隧道施工存在的主要問題
3.1地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜
地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜主要從兩方面體現(xiàn)出來。一方面是指該地區(qū)自身的地質(zhì)環(huán)境比較差，如地下層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、堅(jiān)固性比較低等，會(huì)增加高速公路施工難度。如果遇到硬度大的巖石還需要將其打通，但遇到硬度比較低的巖石，極易引起巖石變形，嚴(yán)重情況還會(huì)造成隧道坍塌，人員傷亡。另一方面是指高速公路工程周圍地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，比如黃土地、礦洞、天然氣管道、城鄉(xiāng)建筑物等，在隧道施工中如果沒有考慮到這些問題，盲目施工，會(huì)嚴(yán)重威脅到城鄉(xiāng)居民生活，還會(huì)使施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)加大。
3.2施工技術(shù)水平偏低
隧道工程中施工技術(shù)是非常關(guān)鍵的，施工技術(shù)選擇是否合適會(huì)直接影響到施工質(zhì)量。目前，隧道工程中為了順利施工會(huì)引進(jìn)鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)法、通風(fēng)技術(shù)、支護(hù)技術(shù)等，但是各種施工技術(shù)的引進(jìn)需要投入大量的資金與人力[5]。當(dāng)資金和人力等無法滿足要求時(shí)，勢必會(huì)對施工進(jìn)度產(chǎn)生影響，在隧道工程的發(fā)展中引進(jìn)先進(jìn)的施工技術(shù)是非常重要的。
3.3隧道施工全過程管理存在不足
在隧道工程中必須提前做好設(shè)計(jì)、計(jì)劃、組織以及管理等事宜，尤其要重視地質(zhì)環(huán)境條件，做好全方位的勘察和超前預(yù)報(bào)等，這也是為了避免各種地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)安全事故，威脅施工人員安全。大量的實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)條件是造成隧道坍塌事故發(fā)生的重要原因，而且地質(zhì)條件是不可抗性的，做好安全防護(hù)等措施的落實(shí)是非常重要的。但是在實(shí)際施工過程中，施工單位對于隧道工程的經(jīng)濟(jì)性考慮比較多，安全管理制度落實(shí)不到位，安全防護(hù)工作仍然是薄弱環(huán)節(jié)。另外，因?yàn)橹匾暡蛔?，地質(zhì)勘測技術(shù)人員的專業(yè)性要求不高、施工人員技術(shù)水平低等，導(dǎo)致勘測工作質(zhì)量不高，施工質(zhì)量無法保障。尤其是面對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下，施工單位應(yīng)該提高管理重視程度，避免各類地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)安全事故。
4復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速公路隧道施工技術(shù)
4.1地質(zhì)勘測施工技術(shù)
復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)比較大，極易引發(fā)施工質(zhì)量問題和安全事故，還會(huì)對施工進(jìn)度帶來影響，因此提前做好地質(zhì)勘測是非常有必要的。首先，聘請專業(yè)的勘測單位和人員根據(jù)隧道工程的建設(shè)要求對周邊的地形地貌進(jìn)行調(diào)查，對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，對于極易發(fā)生的安全事故和地質(zhì)災(zāi)害可以通過現(xiàn)金的測量儀器進(jìn)一步確定風(fēng)險(xiǎn)程度，并根據(jù)勘測調(diào)查結(jié)果編制方案以及分析隧道工程實(shí)施的可行性。其次，要綜合考慮隧道工程所在區(qū)域的地形地貌情況，通過地質(zhì)探孔等方法判斷隧道線形范圍之內(nèi)的地質(zhì)情況，分析是否存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及是否滿足施工條件等。另外，對調(diào)查勘測的結(jié)果進(jìn)行分析，確定隧道工程所在區(qū)域的巖溶、破碎帶、軟弱圍巖等不良地質(zhì)范圍、隧道用水量及其影響等。最后，確定隧道圍巖級別，正確選擇隧道施工技術(shù)及工藝方法，保證隧道施工質(zhì)量和安全[6]。
4.2斷層與破裂帶施工技術(shù)
當(dāng)隧道工程中所在區(qū)域?yàn)閿鄬訁^(qū)時(shí)，為了保證隧道施工安全和進(jìn)度，可以用直徑為42mm的超前注漿導(dǎo)管做好隧道的支護(hù)工作，利用施壓的方法關(guān)注水泥漿體，使松散巖體得到固結(jié)，保證圍巖強(qiáng)度，也能有效改善圍巖不同變形的問題。在具體操作時(shí)將花管樣式的導(dǎo)管作為注漿的支護(hù)導(dǎo)管，長度為4.5m。在開挖隧道時(shí)需要結(jié)合光面爆破技術(shù)，再根據(jù)圍巖的等級情況選擇合適的鉆孔裝置、爆破計(jì)劃等，確保施工的順利進(jìn)行，也能保證預(yù)期的隧道開挖效果。另外，光面爆破技術(shù)對于隧道圍巖的干擾比較小，可以保證圍巖的整體性，減少過多的挖掘?qū)鷰r的影響，對提高隧道施工效率、施工質(zhì)量及整體安全性起到重要作用。4.3隧道變形控制技術(shù)在很多隧道工程中周圍區(qū)域都會(huì)存在炭質(zhì)泥巖和粉質(zhì)砂巖的情況，容易發(fā)生軟化，在頻繁的施工活動(dòng)下造成塌方等事故的發(fā)生，對隧道工程發(fā)展是不利的。為了保證隧道整體承載能力，應(yīng)該采用更高水平的施工技術(shù)，保證隧道工程的抗塌方和變形能力。隧道工程中為了深入了解工程所在區(qū)域的地質(zhì)情況，可以進(jìn)行前期的勘測，判斷是否會(huì)發(fā)生坍塌事故以及發(fā)生的概率，確定事故發(fā)生概率比較大的地段，提前制定防治方案。同時(shí)要求施工人員采取藥卷錨桿支護(hù)的方法，掛上鋼筋網(wǎng)，并在鋼筋網(wǎng)上補(bǔ)噴一定量的混凝土，可以起到有效的防止隧道變形的效果，也能阻止塌方事故發(fā)生，對提高施工質(zhì)量和安全性非常關(guān)鍵。另外，需要注意的是隧道工程中即便是沒有發(fā)生塌方、變形或其他的問題，也必須提前制定相應(yīng)的預(yù)防方案，防患于未然，也是為了保障施工人員的安全，對促進(jìn)隧道工程的順利開展起到重要作用。
5復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工的安全管理
在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工過程中不確定性的風(fēng)險(xiǎn)比較多，對此，除了提高隧道施工技術(shù)水平，正確選擇施工技術(shù)，做好防護(hù)等工作以外，還應(yīng)該做好施工安全管理，保證隧道施工過程的安全性和規(guī)范性。首先，做好安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防工作。對施工人員進(jìn)行安全教育，增強(qiáng)施工人員的安全意識(shí)，在隧道施工過程中堅(jiān)持安全第一的原則，將施工人員的安全放在首位，對提高施工人員的施工效率和積極性是非常重要的。其次，做好施工過程的管理與控制。對隧道工程周邊的地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為施工過程提供重要的數(shù)據(jù)參考，也有助于提高施工效率和安全。所以專業(yè)的勘察隊(duì)伍是非常重要的，不能因?yàn)楣?jié)約成本而選擇專業(yè)性差的勘察單位，同時(shí)還要做好地質(zhì)勘測過程的監(jiān)管，確保勘測信息是真實(shí)有效的。施工人員的安全意識(shí)很重要，要完善安全管理體系，嚴(yán)格落實(shí)制度規(guī)范，增強(qiáng)施工人員安全責(zé)任意識(shí)。再次，做好施工現(xiàn)場的規(guī)范化管理。加大每一個(gè)施工環(huán)節(jié)的監(jiān)督管理，加強(qiáng)施工安全生產(chǎn)模式的落實(shí)，在做好充分的預(yù)測和防范準(zhǔn)備的同時(shí)，也要對施工人員的操作、技術(shù)、工藝等進(jìn)行監(jiān)管，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)施工過程中的安全隱患并及時(shí)處理，將安全風(fēng)險(xiǎn)從根源上消除。當(dāng)隧道施工現(xiàn)場發(fā)生安全事故時(shí)，要冷靜，采取正確的處理方法，做好安全防護(hù)，停止施工，在消除隱患，確保施工能夠安全順利的進(jìn)行時(shí)才能進(jìn)行下一步施工。復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工的難度大、風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)比較大，很多時(shí)候都是不可抗性的，所以規(guī)范化管理施工過程是非常重要的。最后，制定完整的應(yīng)急預(yù)案與具體措施。因?yàn)樗淼朗┕み^程中安全事故發(fā)生是具有不確定性和不準(zhǔn)時(shí)性的，除了外部環(huán)境因素的影響以外，內(nèi)部施工人員自身的因素也容易引發(fā)安全事故。如果施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害必須及時(shí)停止施工作業(yè)，而不是憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)去應(yīng)對，引發(fā)更嚴(yán)重的后果。另外，施工人員的操作必須按照施工規(guī)范進(jìn)行，對于關(guān)鍵性施工內(nèi)容必須由專人進(jìn)行，持證上崗，這也是為了避免人為操作不規(guī)范等因素引發(fā)安全事故。在做好施工之前的勘察工作后，根據(jù)地質(zhì)情況以及隧道工程的實(shí)際情況提前做好完整的應(yīng)急預(yù)案，做好充足的準(zhǔn)備，提高施工安全性。
6結(jié)束語
綜上所述，復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速公路隧道施工的難度加大、風(fēng)險(xiǎn)增加，為了保證隧道施工的安全順利開展，必須保證隧道施工技術(shù)水平，引進(jìn)先進(jìn)的隧道施工技術(shù)，對現(xiàn)有的隧道施工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。同時(shí)全方位做好隧道周邊區(qū)域的地質(zhì)地形地貌等的調(diào)查，為隧道施工提供可靠數(shù)據(jù)參考，正確選擇隧道施工技術(shù)，提高隧道施工質(zhì)量。
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作者:楊永貴 單位:德宏公路局
