公路隧道施工中不良地质判断与处理技术

张 宁

（广西大浦高速公路有限公司，广西 钦州 535000）

0 引言

对于公路隧道施工而言，穿越不良地质地段是重难点之一，一旦判断处理不当极易引发变形、塌方、涌水涌泥等地质灾害，不仅影响施工作业的顺利开展，而且威胁到作业人员的人身安全。对此，必须对隧道地质情况有一个全面的了解，及时发现异常情况，明确掌子面前方不良地质体的位置、产状，合理选用施工技术与相关辅助措施，做好不良地质地段的处理工作，实现预期施工目标。

1 公路隧道施工中的不良地质及其危害

不良地质是公路隧道施工面临的关键问题之一，主要是由各种地质作用与人类活动所致，包括断层破碎带、不稳定边坡、岩溶、地震区、高地应力等。

隧道工程建设中，若是地质判释不到位，则在不良地质条件地段极易出现施工灾害，如穿越裂隙发育围岩、断层破碎带，易引发隧道塌方；穿越岩溶地段，易出现突水、涌水、岩溶塌陷等灾害；穿越大埋深高地应力地段，易导致岩爆、大变形等灾害。上述灾害的出现，均会阻碍隧道施工的顺利进行，甚至会引发人员伤亡、工程失败等问题，后果不堪设想。

基于此，公路隧道施工中必须认识到不良地质和地质灾害预防、处理的重要性，根据相关理论研究成果与施工经验对不良地质情况进行预判，并据此合理选择相应的预防与处理技术，切实保证隧道施工安全。

2 公路隧道施工中典型不良地质判断与处理措施

2.1 不良地质地段综合处理方案

公路隧道施工中，一旦遭遇不良地质地段，且无任何预防、处理措施，极易引发严重的安全事故，要顺利通过此类地段，降低施工风险，必须做好综合处理工作：（1）落实地质勘测工作，查明隧道所处范围内的地形、地质状况以及水文条件，明确不良地质情况；（2）采用超前地质预报系统开展超前地质预测，结合地质勘测资料等对掌子面前方地质情况进行综合分析、判断；（3）根据超前地质预测结果，合理选择开挖、支护技术，安全穿越不良地质地段；（4）开挖中实施监控量测，根据量测结果指导后续施工。不良地质地段综合处理流程如图1所示。

2.2 典型不良地质判断

2.2.1 断层地质

隧道修建过程中，地质灾害的发生往往均有断层的“参与”，因此在施工中必须要对掌子面前方潜伏的断层及其破碎带进行准确预报与评价，主要探测技术有浅层地震勘探、电法勘探、地质雷达、井间层析成像等。

2.2.2 岩溶地质

隧道中岩溶地质较为常见，包括多种类型，如洞穴型、裂隙型、管道型、大型岩溶等。应根据既有资料制定预报方案，各级别地段选择不同预报手段，包括长距离、中长距离以及短距离预报，并对各种信息进行整理，提出最终预报结论与工程措施建议。

图1 不良地质地段综合处理流程图

2.2.3 偏压地形

偏压指的是隧道左右两侧承受的荷载不同、结构内力不对称。影响隧道偏压的因素较多，包括地质、地形以及人为施工等，这对判断隧道是否偏压以及偏压大小造成了一定的阻碍。

（1）普通地质条件下（无大地应力、特殊岩类），隧道外侧至地表垂直距离t值不大于表1数值，可视为地形偏压隧道。

表1 单线偏压隧道外侧至地表面的垂直距离t值表（m）

（2）现场测量支护结构不同位置承受的荷载，所受压力明显不对称则为偏压隧道。

（3）计算偏压率P值，即：取高程相同、水平相对距离为D的一系列节点，计算埋深较大节点与埋深较小节点的竖向应力比值，具体偏压分级为：P≤1.2，轻微偏压；1.2＜P≤2.0，一般偏压；P＞2.0，严重偏压。

2.2.4 涌水灾害

涌水灾害主要是隧道开挖破坏了含水结构所致。提前做好涌水量预测工作十分关键，应根据隧道所在地区水文地质条件、开挖施工方法，选择涌水量预测计算方法，包括确定性数学模型方法和随机性数学模型方法。前者有比拟法、径流模数法、解析法、水均衡法、数值方法等；后者有“黑箱”理论、灰色系统理论、时间序列分析、频谱分析法等。

2.2.5 塌方灾害

隧道塌方灾害，从根本上来看主要是对围岩稳定性、喷锚支护结构作用原理认识不到位所致。为保证施工安全，必须及时发现塌方征兆，根据不同情况合理选择开挖支护方法与塌方处治措施。常用的预测方法有观测法、简易预测法、微地震学测量法、声学测量法等。

2.3 典型不良地质处理措施

2.3.1 断层地质的处治措施

断层地质地段施工，需做到“短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”，合理选用施工方法，各工序协调统一、快速通过。

（1）采用快速开挖方法：为加快开挖施工速度，软弱围岩及断层破碎带施工宜采用预留核心土开挖三台阶分部开挖法或CD法施工，对于部分无法采用此技术的地段，也应根据实际断层情况，选用半断面微台阶、上下断面顺序开挖法以及微震爆破技术等。

（2）合理选用支护方式：包括喷锚网联合支护、钢架支护以及超前支护（常用的有超前管棚和小导管注浆）等。

2.3.2 岩溶地质的处治措施

岩溶地质地段处理需做到“以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”，不同情况需采取针对性的处治措施：

（1）无充填／半充填小型溶洞：隧道拱部、边墙溶洞，宜采用C25喷射混凝土回填，或是初期支护后采用水泥砂浆回填密实；隧道基底溶洞，宜采用C25混凝土回填密实。

（2）充填型小型溶洞：隧道拱部、边墙溶洞，若是填充物已滑落，需将其清除干净后采用C25混凝土回填密实；若是未滑落，则需采用锚喷防护；隧道基底溶洞，需将填充物清除，采用混凝土回填密实。

（3）隐伏型溶洞：采用地质雷达等进行岩溶检查，检查出隧道开挖轮廓线外5m范围内存在隐伏型溶洞时，采取局部注浆回填措施。

（4）大型干溶洞：拱部、边墙溶洞采取回填处理方法；基底溶洞需根据不同发育特点选择针对性的处理方案，包括“托梁＋板跨”方案、钢管群桩加固方案、桩基托梁方案、充填方案、梁跨方案、跨拱方案等。

2.3.3 偏压地形的处治措施

偏压地形处理流程如图2所示，应严格根据前期调查情况制定处理方案，如：Ⅳ级软质围岩，宜采用超短台阶法开挖；Ⅴ级软质围岩，宜采用短台阶法预留核心土开挖，做好支护工作，解决偏压问题。

图2 偏压地形处理流程图

2.3.4 涌水灾害的处治措施

涌水灾害处理方法的选择，需综合考虑围岩条件、涌水量、埋深等因素，以排水法和止水法结合应用为宜，如图3所示即为涌水处理方法分类情况。

图3 涌水处理方法分类图

排水法可降低地下水位、减轻工作面涌水压力，费用低、工期短，主要包括导坑排水、钻孔排水、井点排水、深井排水等。止水法用于封堵裂隙、隔离水源、改善施工条件。注浆止水适用于高水压地段、含水断层破碎带；冻结法止水适用于复杂含水地层尤其是深厚冲积层；气压法止水适用于软弱层，主要与盾构法一起使用。

2.3.5 塌方灾害处治措施

隧道一旦发生塌方，处理必须快速、及时，详细观测塌方范围、形状，查明塌方原因与地下水活动情况，制定切实可行的处理方案：

（1）小塌方处理：①稳固塌方体两端洞身，迅速喷射混凝土封闭塌穴顶部、侧部，完成清渣工作；②在确保安全的同时，在塌渣上架设临时支架，稳定顶部并清渣，完成混凝土衬砌后方可将拆除支架。

（2）大塌方处理：大塌方的处理方法众多，包括护拱法、钢纤维喷锚支护、大管棚支护、地表钻孔注浆技术、小导坑处理技术、超前小管棚处治技术、插筋排架法处治技术、混凝土倒灌法处理技术等。具体根据隧道实际情况合理选择。

（3）塌方发生时水的处理：塌方往往与地下水活动有关，治塌先治水，具体措施为：地表沉陷、裂缝，均以不透水土壤夯填，开挖截水沟防止地表水渗入塌方体；塌方通顶时，在陷穴口地表四周挖沟排水，设雨棚遮盖穴顶；塌体内有地下水活动时，应以管槽引至排水沟，防止塌方扩大。

3 实例探析

3.1 工程概况

平田隧道为广西大塘至浦北高速公路的控制性工程，位于钦州市灵山县境内，为分离式主线隧道，采用双洞单向行驶，左线起讫里程桩号为ZK40＋070～ZK45＋180，长5 110m，隧 道 起 点 设 计 标 高 为118.49m，终点标高为83.56m，最大埋深约334.1m；右线起讫里程桩号为YK40＋085～YK45＋190，长5 105m，隧道起点设计标高为118.6m，终点标高为84.4m，最大埋深约333.35m。隧道进口端为削竹式洞门，出口端为端墙式洞门。

3.2 工程、水文地质条件

3.2.1 地形地貌及地质条件

隧道进口段位于山体斜坡段中下部，呈直线坡，山体走向120°，自然坡坡度较缓，坡度15°～25°，隧道轴线山体地形较为对称；隧道K43＋200～K43＋700m段经过“U”字形沟谷，沟谷最小标高为149.5m，隧道最小埋深为48.91m；出洞口段位于直线型山坡处，自然坡坡度较陡，坡角35°～45°，隧道轴向山体地形不对称。隧址区山体有盘山简易道路经过，道路行经路段因开挖多有基岩出露，主要为硅质页岩、硅质泥岩等，多见褶曲发育，岩层多扭曲，覆盖层主要为第四系植物层及坡积碎石等，覆盖层厚度一般～较薄，地表植被较发育，主要为灌木及人工种植桉树、松树等。

3.2.2 水文地质条件

3.2.2.1 地表水

隧址区地表水较发育，隧道进口处山体两侧为“V”字形沟谷，地表水为两侧沟溪中分布的常年性溪流；隧道K43＋200～K43＋700位于“U”沟谷地段，两侧山体汇水面积较大，发育有多条常年溪流，并见有冲刷痕迹。隧道沿线及两侧沟谷均发育溪流，多为常年性溪流，水量受季节降雨影响明显，雨季水量较大，暴雨季节受汇水面积影响会形成规模较大的山洪，旱季水量较小或局部干涸。

3.2.2.2 地下水

地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水主要赋存于浅表层的粉质黏土及全风化岩层中，主要接受大气降水及地表水补给，受季节变化影响较大，赋存空间有限，水量较少；基岩裂隙水赋存于硅质页岩、硅质泥岩等风化、节理裂隙中，靠大气降水、上层滞水、地表水补给，水量受风化裂隙及节理裂隙的发育程度及贯通性控制，在山坡岩层中水量一般不大。

3.2.2.3 地表水、地下水的腐蚀性评价

隧址区未见明显的污染源，根据本次勘察所取环境水质分析试验成果，隧址区地下水、地表水对混凝土及钢筋具有微腐蚀性。

3.3 隧道不良地质情况

3.3.1 不良地质地段

3.3.1.1 隧道局部地段存在洞身偏压现象

如图4所示为平田隧道出口洞口平面图，在洞口区段存在偏压现象，偏压地段洞身埋置深度较浅，施工时潜在坍塌、掉块、大变形等较大风险。

3.3.1.2 平田隧道地质破碎带

隧址区共发育有3处背斜、1处向斜及1处断层，分布在K40＋850～K44＋420段，如图5所示即为平田隧道右线断层处地质纵断面图。此段围岩总体较差，围岩等级变化频繁，构造应力复杂，同时隧道渗水较多，塌方风险较大。

图4 平田隧道出口洞口平面图

图5 平田隧道右线断层处地质纵断面图

3.3.1.3 平田隧道浅埋段

平田隧道左线ZK43＋200～ZK43＋680和右线YK43＋200～YK43＋720段正位于平田村居民区下方，此处隧道埋深约45～75m，为Ⅴ、Ⅳ级中风化硅质页岩，岩体较为破碎。隧道施工期间的大量渗水可能会导致：（1）地下水水位下降，引发地表沉降、塌陷问题；（2）地下水大量流失，地表干旱缺水，农作物减产；（3）此处隧道覆土较薄，爆破震动洞身上方的居民房影响较大，房屋可能发生开裂。

3.3.1.4 平田隧道采空区

平田隧道区域存在铁锰矿开采形成的采空区。在此区域施工时，应提前做好超前地质预报，根据地质预报结果进行施工。对于部分地段，要提前采取预加固和预支护的措施，开挖过程中采用短进尺、弱爆破、强支护和勤量测等措施。

3.3.2 各区段事故风险估测结果

经风险评估小组对平田隧道设计图纸、围岩地质、气候及地形条件、施工工艺等进行综合分析估测显示，平田隧道施工存在坍塌、洞口失稳、涌水突泥等重大风险源，施工安全总体风险等级为Ⅳ级（极高风险），需采取专项应对措施，施工过程中应针对不良地质地段编制相对应的专项施工方案及应急救援预案，预防次生灾害的发生，减轻次生灾害造成的损失。

3.4 隧道不良地质处理措施

3.4.1 浅埋段

平田隧道部分段落埋深较浅，属于浅埋地段，隧道ZK43＋200～ZK43＋680及YK43＋200～YK43＋720段正位于平田村居民区下方，该段埋深较浅且地表水发育，易发生涌水突泥及塌方等事故，并由此可能引发村庄地表塌陷，严重危害村民的居住和人身安全。

施工处理方法为：（1）在施工中加强超前地质预报工作，对隧道渗水量进行实时监控；（2）对地表建筑物进行爆破震动监测，并加强地表地质巡逻与地表水文监测；（3）加强浅埋段超前支护，严格按照设计图纸进行施工，必要时，可适当进行加强；（4）根据现场实际情况，优化开挖方法；（5）二次衬砌及仰拱施工紧跟开挖面，确保二次衬砌及早参与结构受力；（6）对地下水采用以堵为主的方法，根据现场开挖地质情况及隧道内涌水量大小在隧道内部分段进行洞身全断面径向注浆堵水。平田隧道涌水突泥处理方案包括四种，具体适用情况如下页表2所示。

3.4.2 断层带

断层破碎带地质条件差，围岩级别差且通常地下水较丰富，需采用较强的支护形式并结合完善的辅助施工措施，以保证施工阶段及衬砌结构的安全。断层带超前支护采用注浆小导管，对掌子面进行预支护。根据现场围岩的实际情况，采用环形开挖预留核心土法或单侧壁导坑法进行开挖。对于地下水水量丰富地段，采取事先预注浆方式进行封闭，防止突泥突水事故发生。

表2 平田隧道涌水突泥处理方案一览表

施工处理方法为：（1）需首先在隧道开挖至断层破碎带距离5～10m左右时，采用超前钻孔探测断层的含水情况，初步查明断层带地质、水文情况，严格按“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的原则施工；（2）开挖时控制爆破，优化炮孔布置、装药方式、装药量、起爆方式等，减少对围岩的扰动；（3）严格按设计施工，开挖后及时封闭裸露围岩，施作初期支护，减少围岩暴露时间，同时二次衬砌与仰拱施作紧跟开挖面进行；（4）加大超前地质预报频率，结合超前地质预报的分析报告，并根据现场实际情况，合理做好超前支护，选择合适的开挖方式和支护方式。

3.4.3 采空区

平田隧道经过当地开采锰铁矿形成的采空区，采空区所形成的矿洞4、开采区Ⅹ及开采区Ⅷ对平田隧道的施工存在一定的影响。可能导致该段隧道地下水富集。锰铁矿Ⅸ距隧道进口距离较近，堆积较大且位于洞口冲沟上游，对隧道影响较大。

施工处理方法为：（1）走访当地百姓，收集有关采空区的相关信息，结合平田隧道地质报告，选择合适的超前支护及开挖方法；（2）对该段加大超前地质预报的频率，根据超前地质预报的成果，结合现场实际情况，选择最有效的方式进行施工；（3）严格按照设计施工，做好初期支护，必要时可适当减小锚杆或超前小导管的纵向与横向间距；（4）严格按照“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、勤量测、早衬砌”的指导原则进行施工；（5）在堆积体下游冲沟处设置支挡（挡土墙）等，对堆积体的滑移起到阻挡作用，有效避免泥石流等地质灾害的发生；（6）对堆积体进行动态监控，特别是在雨季，增大检测频率，一旦发现险情，立即疏散人员。

4 结语

综上所述，基于我国各地区公路的高速发展，隧道修建数量持续增加，不良地质段施工问题日渐突出。本文从隧道不良地质的判断与治理两方面入手，着重分析了几种典型不良地质的处理，并依托实体工程——平田隧道，结合隧址区的不良地质段的实际施工情况，研究了适合平田隧道的施工方法，通过预防和治理措施的综合应用，切实保证了隧道工程的圆满完成。