复杂地质环境下高速公路隧道施工技术分析

2022-06-26杨永贵

科技创新与应用 2022年18期

杨永贵

（德宏公路局，云南德宏678400）

隧道工程已经成为高速公路工程建设中不可缺少的一部分，但是隧道施工过程中因为项目规模大、工期长、工序多、不可预见的因素多等特点，增加了隧道施工的安全隐患以及难度。所以与一般工程项目相比，隧道工程施工风险很大，必须综合考虑，保证施工方案的合理性和安全性，引入先进的施工技术与工艺，提高隧道施工技术水平。在本文中主要针对复杂地质环境下隧道施工技术进行研究，解决复杂地质环境对于隧道工程带来的影响，促进隧道工程的健康发展，切实提高我国隧道施工技术水平。

1 隧道施工方法及其特点

1.1 隧道施工方法

近年来，我国隧道施工技术伴随着高速公路工程建设的发展得到进一步提升，各种新的隧道施工技术不断涌现，对提高隧道施工技术水平起到了重要作用，而且每一种隧道施工技术都有其自身的特点，比如一些隧道施工技术的工期比较短、隧道施工技术的造价比较低，有的隧道施工技术安全性比较高等，可以根据隧道工程实际情况选择施工方法[1]。同时，不同的隧道施工方法之间有着一定的联系，可以根据不同的隧道技术设计施工方案并从中选择经济性、安全性等比较好的方案。

1.2 不同隧道施工技术的优缺点

隧道工程中已经形成了比较完整的隧道施工方案体系，施工方法多种多样，常见的施工方法包括全断面法、台阶法以及分部开挖法三个大类，不同施工方法的综合比较见表1，对这三大类施工方法的优缺点进行了如下分析。

表1 不同隧道施工技术的综合比较

首先是全断面开挖法，是按照设计的隧道轮廓采取一次爆破形成的施工技术，在爆破后进行全方位支护然后再修建衬砌。该施工方法需要达到I～IV级围岩，比如针对IV级围岩，围岩必须具备采取全断面开挖法时的初期到支护这一过程中能够保持稳定良好状态的条件，对施工安全很重要[2]。同时，在隧道工程中有钻孔台车或者自制作业台架和高效率装运机械设备的条件下也可以采取该施工方法，但是需要注意的是在采用全断面施工方法时隧道的长度不宜太短，至少在1 km以上，这是从经济性角度考虑的，因为大型机械设备施工需要投入大量的成本。另外，机械设备的配套必须保证，否则会对施工效率、进度以及质量等带来一定影响。全断面施工方法的优点比较显著，比如工作面空间很大，可以使用大型机械设备进行施工作业，减轻施工人员劳动强度；开挖工序简单，只有一道开挖工序，施工速度比较快；施工过程中因为工序简单，所以干扰比较小，便于管理，也能保证施工安全及质量。但是全断面施工过程中机械化程度很高，必须保证施工组织严密。

其次是台阶法，该方法中需要将掌子面横向分割成两个或三个部分，然后分部开挖，一般分为上半断面和下半断面两次开挖成型。该施工方法需要按照如下顺序进行施工：开挖上半部、拱部锚杆喷射混凝土支护、拱部衬砌、下半部中央部分开挖、边墙部分开挖、边墙喷射混凝土支护及衬砌，总体来说台阶法施工对于各方面的要求比较低，比如围岩使用范围更广泛，只要保证隧道洞内有一定工作空间、一定的施工速度、开挖面具有一定稳定性就可以，而且在该施工方法中是先进行上部开挖支护，下部开挖作业有稳定安全的施工环境[3]。因为台阶法的优势比较明显，所以在很多隧道工程中都比较适用。

最后是分部开挖法，包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、交叉中隔壁法和中隔壁法几种施工方法，主要适用于软弱围岩无法进行大断面开挖的隧道工程。（1）环行开挖预留核心土法可以在V～VI级围岩中应用，采取人工配合挖掘机的方式进行支护，然后开挖核心土体和下半部土体，再进行边墙初期支护并进行逢低。该施工方法的工作面具有良好的稳定性，所以施工环境比较安全，风险较小。（2）双侧壁导坑法，也称“眼镜工法”，该方法可以适用于IV～V级围岩。在施工过程中先开挖两侧导坑，初期支护由下到上形成，可以解决土地承载力不足的问题，降低施工风险，保障人员安全。但是该施工方法中工序比较复杂，管理难度大，施工效率低，工期长，如果导坑临时支护还会增加额外的成本，经济性不好。（3）交叉中隔壁及中隔壁法，主要适用于大跨浅埋隧道工程中。中隔壁法每一步施工都需要做好锚喷支护、设置钢架、施作中隔墙、临时仰拱等，而交叉中隔壁法采用自上而下分二或三步开挖中隔墙的一侧，做好支护，然后才能进行另一侧作业。

2 常见的复杂地质环境类型

在隧道工程中常见的复杂地质环境包括以下几种。（1）不良地质条件，比如滑坡、泥石流、煤层瓦斯、湿陷性黄土等。当遇到不良地质条件时施工活动很容易导致隧道围岩变形、塌方、瓦斯爆炸以及下沉等问题，极易引发施工安全事故[4]。（2）岩溶。在部分地区中比较常见，如果遇到岩溶地质条件极易引发突水、突泥等地质灾害，严重情况会威胁到人员安全，所以隧道工程遇到岩溶地质条件时必须做好超前预报等，确保施工的安全性。（3）大断层带。一些深隧道工程中可能会遇到区域性断层的问题，影响整体施工进度，加上工程规模比较大，难以对大断层带风险进行预测和判断，会增加施工成本和施工难度，造成巨大的损失。（4）膨胀岩。一般会含有大量的水分，体积变大，内应力较大，膨胀力的大小及其分布范围会直接影响到隧道主体结构安全性，应该加强试验，提前防范。（5）软弱围岩。会降低围岩的承载力及粘结力，在遇到水以后会发生一定程度的软化，极易引发裂缝、塌方、滑坡等灾害，造成人员伤亡。随着我国高速公路隧道工程的快速发展，面临的地形地貌更加严峻，应该根据不同地质条件寻求针对性的施工方法，保证隧道施工质量以及施工期间的人员安全性问题。尤其针对复杂地质环境，做好充分的调查、超前预报、支护等措施，切实保证隧道施工的顺利进行。

3 复杂地质环境下高速公路隧道施工存在的主要问题

3.1 地质环境复杂

地质环境复杂主要从两方面体现出来。一方面是指该地区自身的地质环境比较差，如地下层的结构复杂、坚固性比较低等，会增加高速公路施工难度。如果遇到硬度大的岩石还需要将其打通，但遇到硬度比较低的岩石，极易引起岩石变形，严重情况还会造成隧道坍塌，人员伤亡。另一方面是指高速公路工程周围地质环境比较复杂，比如黄土地、矿洞、天然气管道、城乡建筑物等，在隧道施工中如果没有考虑到这些问题，盲目施工，会严重威胁到城乡居民生活，还会使施工过程安全风险加大。

3.2 施工技术水平偏低

隧道工程中施工技术是非常关键的，施工技术选择是否合适会直接影响到施工质量。目前，隧道工程中为了顺利施工会引进钻爆法、掘进机法、通风技术、支护技术等，但是各种施工技术的引进需要投入大量的资金与人力[5]。当资金和人力等无法满足要求时，势必会对施工进度产生影响，在隧道工程的发展中引进先进的施工技术是非常重要的。

3.3 隧道施工全过程管理存在不足

在隧道工程中必须提前做好设计、计划、组织以及管理等事宜，尤其要重视地质环境条件，做好全方位的勘察和超前预报等，这也是为了避免各种地质灾害风险引发安全事故，威胁施工人员安全。大量的实践研究发现，地质条件是造成隧道坍塌事故发生的重要原因，而且地质条件是不可抗性的，做好安全防护等措施的落实是非常重要的。但是在实际施工过程中，施工单位对于隧道工程的经济性考虑比较多，安全管理制度落实不到位，安全防护工作仍然是薄弱环节。另外，因为重视不足，地质勘测技术人员的专业性要求不高、施工人员技术水平低等，导致勘测工作质量不高，施工质量无法保障。尤其是面对复杂地质环境条件下，施工单位应该提高管理重视程度，避免各类地质灾害引发安全事故。

4 复杂地质环境下高速公路隧道施工技术

4.1 地质勘测施工技术

复杂地质环境下高速公路隧道施工安全风险比较大，极易引发施工质量问题和安全事故，还会对施工进度带来影响，因此提前做好地质勘测是非常有必要的。首先，聘请专业的勘测单位和人员根据隧道工程的建设要求对周边的地形地貌进行调查，对地质灾害风险及风险程度进行科学的预测，对于极易发生的安全事故和地质灾害可以通过现金的测量仪器进一步确定风险程度，并根据勘测调查结果编制方案以及分析隧道工程实施的可行性。其次，要综合考虑隧道工程所在区域的地形地貌情况，通过地质探孔等方法判断隧道线形范围之内的地质情况，分析是否存在地质灾害风险以及是否满足施工条件等。另外，对调查勘测的结果进行分析，确定隧道工程所在区域的岩溶、破碎带、软弱围岩等不良地质范围、隧道用水量及其影响等。最后，确定隧道围岩级别，正确选择隧道施工技术及工艺方法，保证隧道施工质量和安全[6]。

4.2 断层与破裂带施工技术

当隧道工程中所在区域为断层区时，为了保证隧道施工安全和进度，可以用直径为42 mm的超前注浆导管做好隧道的支护工作，利用施压的方法关注水泥浆体，使松散岩体得到固结，保证围岩强度，也能有效改善围岩不同变形的问题。在具体操作时将花管样式的导管作为注浆的支护导管，长度为4.5 m。在开挖隧道时需要结合光面爆破技术，再根据围岩的等级情况选择合适的钻孔装置、爆破计划等，确保施工的顺利进行，也能保证预期的隧道开挖效果。另外，光面爆破技术对于隧道围岩的干扰比较小，可以保证围岩的整体性，减少过多的挖掘对围岩的影响，对提高隧道施工效率、施工质量及整体安全性起到重要作用。

4.3 隧道变形控制技术

在很多隧道工程中周围区域都会存在炭质泥岩和粉质砂岩的情况，容易发生软化，在频繁的施工活动下造成塌方等事故的发生，对隧道工程发展是不利的。为了保证隧道整体承载能力，应该采用更高水平的施工技术，保证隧道工程的抗塌方和变形能力。隧道工程中为了深入了解工程所在区域的地质情况，可以进行前期的勘测，判断是否会发生坍塌事故以及发生的概率，确定事故发生概率比较大的地段，提前制定防治方案。同时要求施工人员采取药卷锚杆支护的方法，挂上钢筋网，并在钢筋网上补喷一定量的混凝土，可以起到有效的防止隧道变形的效果，也能阻止塌方事故发生，对提高施工质量和安全性非常关键。另外，需要注意的是隧道工程中即便是没有发生塌方、变形或其他的问题，也必须提前制定相应的预防方案，防患于未然，也是为了保障施工人员的安全，对促进隧道工程的顺利开展起到重要作用。

5 复杂地质环境下隧道施工的安全管理

在复杂地质环境下隧道施工过程中不确定性的风险比较多，对此，除了提高隧道施工技术水平，正确选择施工技术，做好防护等工作以外，还应该做好施工安全管理，保证隧道施工过程的安全性和规范性。

首先，做好安全风险预防工作。对施工人员进行安全教育，增强施工人员的安全意识，在隧道施工过程中坚持安全第一的原则，将施工人员的安全放在首位，对提高施工人员的施工效率和积极性是非常重要的。

其次，做好施工过程的管理与控制。对隧道工程周边的地质情况进行实时监测，为施工过程提供重要的数据参考，也有助于提高施工效率和安全。所以专业的勘察队伍是非常重要的，不能因为节约成本而选择专业性差的勘察单位，同时还要做好地质勘测过程的监管，确保勘测信息是真实有效的。施工人员的安全意识很重要，要完善安全管理体系，严格落实制度规范，增强施工人员安全责任意识。

再次，做好施工现场的规范化管理。加大每一个施工环节的监督管理，加强施工安全生产模式的落实，在做好充分的预测和防范准备的同时，也要对施工人员的操作、技术、工艺等进行监管，可以第一时间发现施工过程中的安全隐患并及时处理，将安全风险从根源上消除。当隧道施工现场发生安全事故时，要冷静，采取正确的处理方法，做好安全防护，停止施工，在消除隐患，确保施工能够安全顺利的进行时才能进行下一步施工。复杂地质环境下隧道施工的难度大、风险系数比较大，很多时候都是不可抗性的，所以规范化管理施工过程是非常重要的。

最后，制定完整的应急预案与具体措施。因为隧道施工过程中安全事故发生是具有不确定性和不准时性的，除了外部环境因素的影响以外，内部施工人员自身的因素也容易引发安全事故。如果施工过程中发现地质灾害必须及时停止施工作业，而不是凭借个人经验去应对，引发更严重的后果。另外，施工人员的操作必须按照施工规范进行，对于关键性施工内容必须由专人进行，持证上岗，这也是为了避免人为操作不规范等因素引发安全事故。在做好施工之前的勘察工作后，根据地质情况以及隧道工程的实际情况提前做好完整的应急预案，做好充足的准备，提高施工安全性。