大断面复杂地质条件下隧道施工技术研究

陈怡昕

（福建省高速公路集团有限公司龙岩管理分公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

随着城市化进程的加快和交通需求的不断增长，大断面隧道作为重要的交通基础设施之一，在现代社会中扮演着至关重要的角色。然而，在实际施工过程中，大断面隧道往往遭遇复杂的地质条件，如岩溶地质、软弱地层、水文地质特点等，给施工带来诸多挑战。

在复杂地质条件下的隧道施工，施工人员需要面对多种地质问题和风险，如地层不稳定性、地下水涌出、地质灾害等，这些问题都对施工的安全性和效率提出了更高的要求。因此，深入研究大断面复杂地质条件下的隧道施工技术具有重要的理论和实践意义。

1 大断面复杂地质条件对隧道施工的影响

1.1 岩溶地质特点分析

岩溶地质是一种常见的复杂地质条件，对隧道施工具有明显影响。岩溶地质中存在着丰富的溶洞、地下水系统和弱化带等地质现象，这些因素可能引发隧道临时性或永久性的变形和坍塌，给隧道工程带来极大的不确定性。在设计和施工过程中，必须充分考虑岩溶地质的特点，采取适当的支护措施，以减少岩溶地质对隧道稳定性的不利影响。

1.2 软弱地层问题

在某些地区，土壤和岩石松软、膨胀或黏性较大，称为软弱地层。这类地层在隧道施工中常引发塌方、侧喷、沉降等问题，给施工带来不确定性和安全风险。针对软弱地层的特点，需要采取相应的预处理措施，如排除地下水、加固坡面等，在隧道开挖过程中还需增强地层的稳定性和承载能力。

1.3 地下水对施工安全的影响

地下水是隧道施工中的常见问题。地下水的涌出或积聚可能导致隧道洞体坍塌、潜水等危险情况，严重的还会危及施工人员的安全和工程的稳定性。因此，在隧道施工前，必须进行充分的地下水勘测，并采取合理的排水措施，保持施工现场的稳定和干燥。

1.4 断层和褶皱带的挑战

断层和褶皱带是地质构造中常见的地质现象，其发育与活动性给隧道施工带来很大的不确定性。断层或褶皱带的存在可能导致隧道局部变形、岩层错动，甚至引发地震等地质灾害。施工过程中需要针对具体情况，灵活调整支护方案，以确保施工的安全和隧道的稳定。

2 大断面复杂地质勘查与预处理技术

2.1 地质勘查方法及应用

地质勘查在隧道工程中扮演着重要的角色，它通过采用多种方法综合解析地下情况，为施工方案设计和工程管理提供准确的数据和依据。地质钻探能够获取地下岩土的物理和力学性质，地震勘探可以测定地质构造和岩层连续性，地质勘探则能揭示地下水情况。通过这些勘查方法的综合应用，可以获得对地质情况全面准确的认识，帮助工程师们更好地评估风险、制订施工方案，并在项目实施过程中进行合理的工程调整和管理措施的制订。因此，地质勘查是保障隧道工程安全、顺利进行的重要前期工作。

2.2 地质灾害评估与预测

在复杂地质条件下，地质灾害评估与预测是隧道工程面临的一项重要任务。通过对地质特征和历史数据的综合分析，利用数学模型和计算方法，可以定量评估和预测可能发生的地质灾害。通过地质灾害评估与预测的结果，可以确定隧道工程中存在地质灾害风险的区域和条件，并根据不同类型的地质灾害采取相应的施工措施，如支护加固、排水处理等。同时，及时监测和预警系统的建立也是必要的，以便在发生地质灾害时能够及时采取措施，保障隧道工程的安全和稳定。通过科学的地质灾害评估与预测，可以最大限度地降低地质灾害对隧道工程造成的影响，确保隧道工程的顺利进行。以下是一些常见的地质灾害及其预测方法。

2.2.1 岩层滑动：通过对地层倾角、岩性特征和地应力状态等因素的评估，并采用计算模型如边坡稳定分析等，预测出岩层滑动的概率和可能的规模。

2.2.2 地下水涌流：结合地下水位、渗透系数和原始水位等数据，利用数学建模和计算方法，预测地下水涌流的情况及其对隧道工程的影响。

2.2.3 岩爆：通过地震监测、岩层裂隙监测等手段，收集并分析相关数据，结合数值模拟和统计方法，预测岩爆的危险性和可能发生的范围。

2.2.4 岩体变形：利用地表和岩体位移监测数据，结合岩石力学理论和数值计算，评估岩体变形的趋势和可能的危险性。

2.3 岩体力学参数确定方法

在复杂地质条件下，准确确定岩体力学参数对于隧道工程的设计和支护方案的确定至关重要。然而，由于岩体本身的非均质性和地质条件的复杂性，要想获取准确的岩体力学参数往往具有一定的困难。为解决这一问题，常采用现场试验、室内试验和数值模拟等方法来确定岩体力学参数。现场试验可以直接获取岩体的力学性能参数。

例如，压力板试验可通过加载压力板并测量其变形程度来确定岩体的强度和模量；钢筋锚杆试验可以测试岩层的锚杆支护效果，并间接推断岩石的抗剪强度。室内试验主要通过对岩样进行试验来确定其力学性能参数。

例如，岩心强度试验会测定岩样在不同加载条件下的抗压强度、抗拉强度等参数；岩石蠕变试验则可测定岩样在长期加载下的变形和破坏特性。数值模拟是通过计算方法对岩体的力学行为进行模拟和分析来推断其力学参数。常用的方法包括有限元分析，可以对复杂岩体结构进行数值建模，并通过模拟不同加载条件下的响应来推断岩体的强度、刚度等参数。综合应用现场试验、室内试验和数值模拟等方法，可以获得较为准确的岩体力学参数。

例如，通过实际工程中的现场压力板测试，得到某岩层的抗压强度约为150MPa；再结合室内岩心强度试验结果，推断其抗拉强度约为15MPa。这些数据将为隧道工程的设计和支护方案的确定提供可靠的依据，确保施工过程中岩体的稳定性和安全性。

3 大断面复杂地质隧道施工技术与支护措施

3.1 隧道施工方法选择

在大断面复杂地质条件下隧道施工中，选择适合的施工方法对提高施工效率和安全性至关重要。常见的施工方法包括爆破法、盾构法和随机顶进法。在选择施工方法时，需要综合考虑地质条件、工程规模和环境要求等因素。爆破法适用于岩性较硬的地质条件，通过爆破控制性地破碎并清除岩石。盾构法适用于稳定的地层，通过盾构机进行地下推进，同时开挖和安装衬砌，以减少对周围环境的影响。随机顶进法适用于软土和松散地层，通过连续开挖、支护和衬砌的方式形成隧道。选择最合适的施工方法需要详细地勘查地质条件和进行工程设计，以确保施工方案的可行性。在实际施工过程中，应根据地质变化和工程进展进行调整和优化，以保证隧道施工的顺利进行。

3.2 隧道初始支护措施

隧道初始支护是在隧道开挖初期采取的措施，旨在防止地表沉陷和洞体坍落，以确保隧道的安全施工和稳定性。常见的隧道初始支护方法包括钢格架、钢筋网喷锚支护、喷射混凝土和压力注浆等。钢格架是通过在隧道壁面安装钢制网格结构来加固岩体和分散地表压力，从而减少地表沉陷风险，并提供临时支撑。钢筋网喷锚支护是将钢筋网固定在洞体表面，并通过喷射锚杆浆液与周围岩体连接在一起，提高岩体强度和稳定性，减少洞体变形和坍落风险。喷射混凝土是将混凝土材料喷射到洞体壁面形成均匀的覆土层，以增强岩体的承载能力和稳定性，阻止洞体坍落。压力注浆是将浆液或封堵材料注入地层裂缝和孔隙中，通过加固岩体并填补空隙，以提高地层强度、密实性和稳定性。选择合适的隧道初始支护方法需要综合考虑地质条件、隧道类型和工程要求。及时进行隧道初始支护能确保隧道在开挖过程中的安全稳定，并为后续的主体支护奠定基础，这些初始支护方法的应用能有效保障隧道施工的顺利进行[1]。

3.3 隧道主体支护技术

隧道主体支护是对隧道开挖后的巷道进行加固和支护的重要措施。常见的隧道主体支护技术包括锚杆支护、喷锚网片支护、隧道衬砌和防水补强等方法。这些技术能够有效增强巷道的承载能力，抵抗地质力学作用，从而确保隧道的稳定性和安全性。锚杆支护是通过在巷道壁面灌注混凝土的钢筋索，将岩体和支护结构连接在一起，形成坚固的支护系统。喷锚网片支护则是将钢筋网片固定在巷道壁面，再用喷锚材料将其连接至岩体上，以增强巷道的强度和稳定性。隧道衬砌是指在巷道内设置混凝土或砖石等材料，起到包裹和保护岩体的作用。它能够分担地压力，给巷道提供承载能力和防止岩体侵蚀。防水补强是在主体支护中较为重要的一环。通过使用防水材料和特殊处理方法，能够有效防止水的渗透和渗漏，保护隧道的结构和设备。这些主体支护技术的选择和应用，要根据地质条件、隧道尺寸、工程要求等因素进行综合考虑。合理的主体支护能够提高隧道的承载能力和稳定性，确保隧道的安全使用。因此，在隧道施工过程中，主体支护是一个非常重要的环节。

3.4 隧道排水与防水处理

在大断面复杂地质条件下隧道施工中，地下水的处理是至关重要的。合理的隧道排水与防水处理是确保施工安全和隧道长期使用的关键措施。常见的隧道排水与防水处理方法包括排水井、横向排水和防水涂层等。通过适当的排水与防水处理，可以有效控制地下水的涌入和滞留，降低对隧道结构的不利影响。同时，这些措施还可以减少地下水对隧道周边环境的负面影响，维护地下水资源的合理利用和环境保护。因此，在隧道施工过程中，正确的地下水处理方案是非常重要的。

3.5 监测与预警系统建设

为了及时发现隧道施工过程中的异常情况，并采取相应的处理措施，建立监测与预警系统是非常重要的。这些系统通常包括地表沉降监测、裂缝监测、振动监测和地下水位监测等，通过这些监测手段，可以对隧道施工进行实时监测，及时采取措施调整和处理问题，确保施工的安全进行。

4 大断面复杂地质隧道施工质量与安全控制

4.1 质量控制

在大断面复杂地质条件下隧道施工中，施工质量的保证是确保工程性能和寿命的重要因素之一。为了实现有效控制施工质量，需要采取以下措施：首先，制订合理的施工方案，包括施工顺序、工序安排、支护措施等，确保施工过程的合理性和可行性。施工方案的设计应考虑到地质条件、施工限制和工期要求等因素，以确保施工质量的可控性。其次，制订详细的质量控制计划，明确施工过程中的关键环节、验收标准和控制措施。质量控制计划应涵盖施工过程中每个阶段的施工质量要求，并配备相应的监督和管理人员实施，以确保施工质量的达标。最后，合理配置人力、物力和技术手段，进行资源管理。在施工过程中，需合理调配人力资源，培训和指导施工人员，确保他们具备必要的专业知识和技能。另外，合理使用施工设备和材料，确保其质量和有效性，定期进行检查和验收，并对施工过程中的关键环节和关键部位进行抽查和全面检测。通过检查和验收，可及时发现和处理问题和质量隐患，确保施工质量达到或超出设计要求。当发现任何施工异常情况或不合格部位时，应立即采取相应的纠正措施，防止问题的扩大和影响工程质量[2]。

4.2 施工安全控制

第一，要进行专业的安全培训，对施工人员进行相关的安全知识和技能培训，确保他们具备必要的安全知识和技能，提高其安全意识和应急能力。第二，制订详细的安全管理策划，明确施工过程中的安全责任、安全规章制度和事故应急预案等。通过落实和执行这些安全控制措施，以有效管理施工现场的安全风险。第三，建立安全监测与预警系统，监测施工过程中的安全指标和风险因素。通过对施工现场安全状况的实时监测，及时预警并采取相应的措施，避免事故的发生。第四，根据具体施工工艺和工种特点，配置适当的安全设备和防护措施。比如，安全帽、防护眼镜、安全绳等，为施工人员提供必要的个人防护，以确保其人身安全。第五，对可能发生的事故或已经发生的事故进行调查和分析，并总结教训，通过事故调查与总结，识别施工过程中的安全隐患和问题，加强安全控制和管理，从而提高施工的安全性。

5 结语

本文研究了复杂地质条件对隧道施工的影响，重点关注地质探测与预处理技术，并提出相应的技术指导和风险控制手段。此外，还探讨了大断面复杂地质隧道施工的技术与支护措施、质量与安全控制。在隧道施工仍面临困难和挑战的情况下，呼吁持续加强科学研究和技术创新，完善施工技术和设备，提高隧道施工效率和安全性。加强地质勘查与预测工作，加强监测与预警系统建设，为保障隧道施工质量和安全提供基础支持。通过实践研究，为大断面复杂地质条件下隧道施工提供实用解决方案和管理策略，对促进隧道工程发展具有重要意义。