复杂地形地质条件下隧道施工技术研究

苏敬锋

广州市市政集团有限公司工程总承包分公司 广东 广州 510000

在过去的几十年里，隧道施工技术取得了显著的进步，但在复杂地形地质条件下，仍然面临许多技术难题。如何在这些复杂条件下保障隧道施工的质量、效率和安全，成为了工程界和学术界关注的焦点。同时，隧道工程对周边环境和地下资源的影响也引起了越来越多的关注，如何实现隧道施工的可持续发展，也成为了研究的重要课题。针对这些问题，国内外学者已经进行了大量研究，提出了许多有针对性的解决方案[1]。然而，由于地形地质条件的多样性和不确定性，以及技术和设备的局限性，目前尚未形成一套完善的理论体系和实践方法。因此，在复杂地形地质条件下隧道施工技术的研究仍具有重要的理论价值和实际意义。本文将对复杂地形地质条件下隧道施工技术进行系统的研究，旨在为工程实践提供理论指导和技术支持。

1 地质条件对隧道施工的影响

1.1 地质结构

隧道施工过程中，地质结构是影响隧道工程安全与施工难度的重要因素。地质结构主要包括构造断层、岩层厚度、岩层倾角、岩层间的接触关系等特征。构造断层是指岩石受到内外力作用产生的断裂带，断层两侧的岩石产生相对位移。在隧道施工过程中，断层带容易导致地质条件的不稳定，增加施工难度和风险。特别是活动断层，可能引发地震，对施工和隧道的安全性产生极大影响。岩层厚度是指岩石地层在地球表面上的横向延伸范围，岩层厚度的大小直接影响隧道开挖时的围岩稳定性。岩层厚度较小的地层，施工时需特别注意支护设计和开挖速度，以防止围岩塌陷。相反，岩层厚度较大的地层，围岩稳定性较好，但需要针对不同岩性进行合理的施工方法选择。岩层倾角是指岩石地层在地球表面上的倾斜程度。倾角的大小直接影响着隧道施工过程中的围岩变形和支护结构设计。一般来说，倾角较小的岩层更容易出现围岩变形和破碎，对施工造成一定困扰；而倾角较大的岩层，围岩变形较小，但施工过程中需要注意地下水的渗透风险。岩层间的接触关系是指不同岩层之间的接触面。接触关系的不同会影响隧道开挖时的围岩稳定性和施工难度[2]。例如，不整合接触关系的岩层，由于构造作用产生了岩层的错动，容易引发围岩的破碎和变形；而整合接触关系的岩层，岩石之间的接触较为牢固，围岩的稳定性较好。

1.2 岩性特征

岩性特征是指岩石的物理、化学和力学性质，如岩石密度、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、渗透系数等。岩性特征对隧道施工具有显著影响，主要体现在开挖难度、围岩稳定性、支护结构设计和施工风险等方面。不同岩性的岩石，其开挖难度各异。例如，软岩（如泥岩、粉砂岩等）的开挖较为容易，但容易发生围岩变形和破碎；硬岩（如花岗岩、玄武岩等）的开挖难度较大，需要采用较高强度的爆破或机械凿岩方式，但围岩稳定性较好。岩性特征还影响隧道支护结构的设计。软岩地层中的围岩抗压强度较低，需要采用较为严密的支护结构，如钢筋混凝土衬砌、锚喷支护等；硬岩地层中的围岩抗压强度较高，可以采用较为简单的支护结构，如岩棉板支护、钢拱架支护等。岩性特征对隧道施工风险的影响主要体现在地下水渗透、突泥灾害等方面。一般来说，岩性较差、渗透性强的岩石容易导致地下水渗透，增加隧道施工的风险；同时，地下水亦可能导致突泥灾害，影响施工安全和进度。

1.3 地下水

地下水在隧道施工过程中具有重要影响，主要表现在围岩稳定性、施工方法的选择、支护结构设计以及施工安全与风险控制等方面。首先，地下水会影响围岩的稳定性。地下水在岩石裂隙中流动，可能导致岩石破碎、颗粒堵塞裂隙，从而引发围岩的变形和破碎。此外，地下水还可能改变岩石的力学性质，如抗压强度、抗剪强度等，进一步影响隧道的稳定性。其次，地下水对施工方法的选择具有一定影响。在地下水条件复杂的地区，常需采用具有良好抗渗能力的施工方法，如盾构法、冻结法等。同时，地下水亦可能对施工速度和效率产生影响，因此需要针对不同地下水条件选择合适的施工方法[3]。再次，地下水会影响支护结构的设计。在地下水条件较差的地段，需要采用具有较强防水性能的支护结构，如密封式钢筋混凝土衬砌、预应力锚喷支护等。此外，地下水还可能导致支护结构腐蚀、混凝土碳化等问题，因此需要在设计中充分考虑地下水的影响。

1.4 地质应力

地质应力是指地球内部的岩石受到的应力作用，包括地壳应力、构造应力等。地质应力对隧道施工具有显著影响，主要体现在围岩稳定性、支护结构设计、施工方法选择以及施工安全与风险控制等方面。首先，地质应力对围岩稳定性具有重要影响。较高的地质应力可能导致岩石的破碎、变形和开裂等现象，从而影响隧道围岩的稳定性。在地质应力较大的地区，需要加强对围岩的监测和控制，以确保隧道施工的安全。其次，地质应力会影响支护结构的设计。在地质应力较大的地段，需要设计更为坚固、能承受较高应力的支护结构，如钢筋混凝土衬砌、预应力锚喷支护等。同时，设计时还需考虑支护结构在受力后的变形与破坏模式，以便于及时采取应对措施。再次，地质应力对施工方法的选择具有一定影响。在地质应力较大的地区，需要采用能够适应高应力环境的施工方法，如新奥斯陆法、盾构法等。

2 施工方法与技术

2.1 盾构法

盾构法适用于复杂地形地质条件下的隧道建设，该方法采用盾构机对隧道围岩进行开挖，并在开挖过程中同步安装钢筋混凝土管片或其他支护结构，以确保隧道围岩的稳定性。盾构法具有施工速度快、对地表影响小、环境污染低等优点，适用于城市地下交通、水利水电等领域的隧道建设。盾构法可以分为土压平衡盾构法（EPB）、泥水盾构法（SLURRY）、硬岩盾构法（HR）等类型。土压平衡盾构法适用于粘性土、砂土等地层，通过维持开挖面的土压来确保围岩稳定；泥水盾构法适用于含水量较高的地层，采用泥浆对围岩施加压力，防止地下水渗透和围岩变形；硬岩盾构法适用于硬岩地层，采用刀盘对岩石进行开挖，具有较高的施工效率[4]。

2.2 双层壁导坑法

双层壁导坑法是一种适用于复杂地形地质条件下的隧道施工方法，主要用于地下水丰富、软弱地层或地表建筑物较密集的区域。该方法通过在隧道开挖范围内先行设置双层壁结构，以保证隧道围岩的稳定性和施工安全。双层壁导坑法的施工过程如下：首先，沿隧道轴线设立钻孔，并在钻孔内设置钢筋笼。然后，将混凝土灌注至钻孔内，形成双层壁结构。双层壁结构包括内层和外层，内层通常为钢筋混凝土，以保证支护结构的稳定性；外层则为灌注土，以减小内层结构受力。最后，在双层壁结构内进行隧道开挖，并根据实际情况设置支护结构。双层壁导坑法能够有效防止地下水渗透，减小隧道施工对周围环境的影响；提高施工安全，降低隧道坍塌的风险；减少地表沉降，保护地表建筑物的安全。然而，双层壁导坑法的施工难度较大，需要较高的技术水平和严密的施工管理。

图1 双层壁导坑法

2.3 新奥斯陆法

新奥斯陆法（New Austrian Tunneling Method，简称NATM）是一种适用于复杂地形地质条件下的隧道施工方法。新奥斯陆法充分利用围岩自身的支承能力，结合喷锚、支护结构及预应力技术进行隧道开挖与支护，降低施工成本且环境影响较小。新奥斯陆法的施工过程如下：首先，按照设计好的开挖断面进行分段开挖，开挖过程中需密切监测围岩的变形与应力。其次，随着开挖的进行，实时喷射混凝土并设置锚杆支护，以形成初期支护结构。此外，根据围岩条件和设计要求，可以采用预应力锚索、钢拱架等辅助支护措施。最后，在初期支护结构达到一定强度后，进行隧道衬砌施工。新奥斯陆法具有以下优点：充分利用围岩自身的支承能力，降低支护结构的成本；施工过程中强调对围岩的监测和应力控制，提高隧道的稳定性；适应性强，可根据实际地质条件调整施工方案。然而，新奥斯陆法对施工技术要求较高，且施工过程中需密切监测围岩情况，以确保施工安全。

2.4 喷浆支护法

喷浆支护法是一种常用于复杂地形地质条件下的隧道施工方法，特点是将水泥浆液喷射到隧道围岩表面，形成坚固的支护结构。喷浆支护法具有施工速度快、适应性强、经济效益好等优点，广泛应用于隧道、地下洞室等工程建设。喷浆支护法的施工过程如下：首先，在隧道开挖过程中，对开挖面实施即时喷浆，形成初期支护结构。喷浆材料通常为水泥浆液，还可加入速凝剂、纤维等材料以提高支护结构的强度和耐久性。其次，根据地质条件和设计要求，设置锚杆、钢拱架等辅助支护措施，进一步提高围岩的稳定性[5]。最后，在初期支护结构达到一定强度后，进行隧道衬砌施工。喷浆支护法具有以下优点：施工速度快，可实现隧道开挖与支护的同步进行；适应性强，可根据实际地质条件调整喷浆材料和施工参数；经济效益好，喷浆材料成本较低，且施工过程中可减少浪费。然而，喷浆支护法对施工技术要求较高，喷浆过程中需严格控制喷射速度、压力等参数，以确保支护结构的质量。

3 隧道施工安全与风险控制

3.1 风险评估与监测

在复杂地形地质条件下进行隧道施工，面临诸多风险，如地下水渗透、地压突变、围岩不稳定等。为确保施工安全，降低工程风险，必须对这些风险进行评估与监测。在施工前应进行全面的风险评估，通过对地质勘探资料、历史地质资料等进行分析，评估不同风险因素对隧道施工的影响程度，制定相应的风险防范措施。例如，根据地下水位和渗透系数预测地下水渗透风险，选择合适的支护结构和施工方法。在施工过程中实施持续监测，通过安装地质雷达、应力计、位移计等仪器，实时监测围岩的变形、应力及水文条件的变化。监测数据可用于判断隧道施工过程中潜在的风险，并采取相应措施进行调整。此外，根据监测数据进行风险预警与响应。对于可能发生的风险事件，提前设定预警阈值，一旦监测数据超过阈值，立即启动应急响应措施。例如，当监测到地下水位急剧上升时，可采取紧急抽水、加强支护结构等措施，以确保施工安全。

3.2 突泥灾害防治

突泥灾害是复杂地形地质条件下隧道施工中常见的一种风险，主要表现为突然的泥水喷涌，可能导致隧道施工安全受到严重威胁。因此，针对突泥灾害，制定有效的防治措施至关重要。在施工前期应充分了解地质条件，预判可能发生突泥灾害的区域。通过地质勘探、钻孔取样等方式，获取地层结构、岩性特征、地下水条件等信息，为制定防治措施提供依据。采用适当的施工方法降低突泥灾害风险，例如选择盾构法或双层壁导坑法等适用于软弱地层和含水量较高地区的施工方法。同时，对于易发生突泥的区域，可采取局部地质预报和加强支护结构等措施。此外，加强现场监测和预警系统建设。安装地下水位观测井、应力计等监测设备，实时监控地下水位和围岩应力变化，及时发现异常情况。一旦监测到突泥灾害的迹象，立即启动应急响应措施，如紧急抽水、封堵喷涌口等，以确保施工安全。

3.3 地下水泥浆喷射

地下水泥浆喷射法是一种应对复杂地形地质条件下隧道施工中地下水问题的有效方法，通过将水泥浆喷射到围岩裂隙中，达到堵塞渗透路径、降低地下水位、提高围岩强度的目的，从而降低隧道施工中的水害风险。地下水泥浆喷射法的实施步骤如下：根据地质勘探结果和隧道施工设计，确定可能出现地下水问题的区域及喷射孔位；在指定位置钻设喷射孔，根据地层特点和裂隙状况选择合适的喷射压力、速度及喷射量；将水泥浆通过喷射设备喷射至裂隙中，以填充和封堵渗水通道，水泥浆可根据实际需求加入速凝剂、粘结剂等材料，以提高喷射效果和固结强度；对喷射效果进行监测和评估。通过监测设备如应力计、水位计等，观察喷射后地下水位和围岩应力的变化情况，以判断喷射效果是否达到预期目标。

4 结语

本文针对复杂地形地质条件下隧道施工技术进行了研究，分析了地质结构、岩性特征、地下水和地质应力等关键因素对隧道施工的影响。根据这些因素，探讨了各种施工方法，如盾构法、双层壁导坑法、新奥斯陆法和喷浆支护法等，以及风险防治措施，如风险评估与监测、突泥灾害防治和地下水泥浆喷射法等。综合考虑各种因素和施工方法，选择适用于复杂地形地质条件下的隧道施工技术至关重要。同时，针对不同风险，实施相应的预防和应对措施，以保障施工安全和工程质量。未来的研究可进一步深入探讨各种施工方法在特定地质条件下的优劣及适用性，为隧道工程提供更为全面和有效的技术支持。