复杂地质条件下的隧道连拱施工技术

陈均甫

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530003)

当前我国正处于“十三五”规划实施的紧要关头，国民经济建设突飞猛进，现代化各项事业不断发展，在各领域都取得了较为显著的成绩。以隧道的施工技术为例，近些年，经过不断的努力和探索，我国隧道的施工技术和管理体系正朝着标准化、智能化的方向迈进，并逐步与国际接轨，很多施工设备、施工工艺以及管理理念等可比肩欧美等发达国家，国际上通用的部分隧道施工标准和规范由我国制定，可以说在某些隧道施工技术上，我国正引领着世界的发展方向。

隧道连拱施工技术一直以来都是岩土道桥领域所重点突破的工程内容，由于其施工过程中的复杂性和难度，隧道连拱施工技术规范和行业标准也是业内的专家和学者们多年来研究的重点课题，而对于复杂地质条件下的隧道连拱施工技术而言，其中的施工难度以及所遇到的施工瓶颈均超出了以往常规隧道连拱施工的技术框架，即一般的隧道连拱施工技术已不再适用于复杂地质条件下的施工要求。本文以喀斯特岩溶地质环境为例，详细分析了基于此条件下的隧道连拱施工技术以及在施工过程中需注意的诸多问题，通过对隧道连拱施工模型的搭建，进一步研究岩溶地质条件下隧道连拱施工的稳定性，并进行工程实例认证。本文所研究的技术成果对于国内喀斯特岩溶地质条件下的隧道连拱施工具有一定的参考价值。

1 地质条件对连拱隧道施工的约束性分析

连拱隧道在施工过程中受现场施工环境及地质条件的影响较大，不同的地质条件均可对连拱隧道的施工构成相应的约束和限制。例如在喀斯特岩溶地质结构中，导洞施工会对隧道基岩、围岩形变造成严重影响，而基岩、围岩的形变又将对连拱隧道的施工形成特定的约束性[1]。假设连拱隧道左、右导洞开挖1 m，锚喷支护则滞后1 m，以梅花形来布置锚杆，将间距固定为1 m，全过程总共约200步，且每步约300时步，将中导洞首先贯通，随后开挖支护测导洞，当支护测导洞贯通后再进行另一侧导洞的开挖，开挖过程对基岩、围岩构成的形变影响程度如表1数据所示。

表1 开挖过程对围岩构成的形变影响表

2 岩溶地质条件下连拱隧道施工技术分析

2.1 综合地质预警技术

岩溶地质条件下的隧道施工应充分注意施工现场的天气及地质变化情况，及时作出综合预警响应并采取妥善的应急措施来避免地质灾害的发生及对施工人员和隧道本身所造成的影响。综合地质预警技术能够对施工现场的地质条件作出精准预测，通过先进的地质勘探、遥感测绘等技术，可预先评估施工现场发生地质变化的程度，有效避免施工事故的发生，对于保证施工现场人员和设备的安全具有重要意义[2]。典型的综合地质预警流程如图1所示。

图1 综合地质预警流程图

2.2 地下水处理技术

岩溶地质环境中的地下水含量丰富，且地下水位因地表天气的影响常出现大范围的波动，这对于此类环境下的隧道施工来说具有极大的挑战，施工前所进行的地下水勘探与数据测量在实际的施工过程中却发生了较大的变化，这种情况经常发生。因此，对施工环境中的地下水勘测多数不具有显著性的研究意义，应采取相应的措施对地下水进行处理。遵循“堵防结合”的地下水主要处理原则，并进行注浆封堵来使围岩加固，进而防止突泥突水，保证施工安全[3-4]。

3 基于岩溶地质的连拱隧道施工模型

3.1 稳定性施工模型搭建

为详细研究岩溶地质条件下的连拱隧道施工技术，在施工前进行隧道稳定性模型的搭建工作，基于Matlab的连拱隧道施工稳定性模型，能够直观反映出隧道在实际施工过程中的薄弱环节，例如基岩强度和围岩厚度等部分，基于Matlab的连拱隧道施工稳定性模型如图2所示。

图2 基于Matlab的连拱隧道施工稳定性模型图

通过计算机程序自动生成的隧道施工稳定性仿真模型，将连拱隧道的施工过程具体细分为多个步骤，并直观地显示隧道开挖的程序，真实模拟了连拱隧道实际施工过程中的各个阶段，以使连拱隧道施工的稳定性及安全性均达到最高级别[5-6]。但值得注意的问题是，基于Matlab的连拱隧道施工稳定性模型，仅给出了隧道开挖的大体顺序，可作为施工前期对现场条件的评估和参考，而具体情况应以工程实际为准。

3.2 施工数值模拟分析

为模拟连拱隧道的入口段在施工全过程中各部分的受力情况，拟采用基于FLAC差分程序的拉格朗日算法对入口段隧道施工情况进行描述，由《岩溶隧道设计规范》中所定义的各级围岩力学参数、施工现场荷载试验以及由室内试验所得到的围岩力学参数等对入口处隧道围岩强度进行综合计算，三维数值计算模型如图3所示。三维数值计算结果表明，连拱隧道入口段顶部及侧方围岩抗压值略小于正常值，应在施工中采取适当的加固措施以防止事故发生。而底部基岩的抗压值符合标准要求，可以进行中导坑及后续的施工[7-8]。

图3 三维数值计算模型图

4 岩溶隧道连拱施工实例分析

以广西梧州3#岩溶隧道为例，将所提出的连拱隧道施工稳定性模型应用到此隧道的主洞施工中。施工前分别选取左、右主洞掌子面错距，均设定为20 m，通过隧道不同的开挖顺序来判断围岩稳定性。在主洞施工过程中，应首先开挖浅埋侧主洞，并对深埋侧主洞支护参数进行跟踪，及时跟进锚喷支护，可有效防止岩体位移大范围偏离。不同错距对隧道岩体的稳定性影响如表2所示。

表2 不同错距对隧道岩体的稳定性影响表

通过表2可知，先开挖浅埋侧主洞相比于深埋侧而言具有较大的优势，将各侧的主洞掌子面错距0.75D(15 m)、D(20 m)、1.25D(25 m)进行比对分析后可知，在支护参数及错距相同的情况下，施工对周围岩体的影响程度不大，在不同支护参数及错距情况下，各部位的岩体形变程度亦不明显，因此，所提出的基于岩溶地质的连拱隧道稳定性施工模型在围岩形变及基岩隆起等控制方面均具有一定的效果[9-11]。

5 结语

不同的地质条件对连拱隧道的施工都会构成一定的限制及约束性条件，在施工前应对现场进行充分地勘探和调研，获取真实、有用的测绘数据进行分析，保证隧道在施工过程中及竣工后的安全性和稳定性。综合地质预警技术以及地下水处理技术均可在施工前不同程度上降低施工过程中的安全隐患，因此应充分重视施工前的所有准备工作。所搭建的基于岩溶地质条件的连拱隧道施工稳定性数学模型，能够比较直观反映隧道岩体较为薄弱的部分，提醒施工技术人员在具体的施工中加以把握。严格意义上来讲，所搭建的基于Matlab的连拱隧道施工稳定性数学模型包括施工数值模拟计算部分，但本文将三维数值计算模型单独作为一部分来阐述，目的是为了区分三维数值计算模型与施工稳定性模型的不同作用，且二者所用算法也不尽相同，三维数值计算模型是基于FLAC差分程序的拉格朗日算法，而隧道施工稳定性数学模型是基于Matlab程序。最后通过广西梧州3#岩溶隧道的工程实例验证，证明了本文所提出的基于岩溶地质条件的连拱隧道稳定性施工模型的正确性与可行性。

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