复杂地质条件下隧道施工关键技术研究与应用

摘要 文章以邦山隧道工程项目为依托针对复杂地质条件下的隧道施工关键技术进行分析，首先通过对该隧道工程项目进行勘察，得出了三条主要断层的特征及对该隧道项目的主要影响，并探讨了岩溶发展特征和规律；然后通过采取工程优化措施，采用了超前小导管注浆支护技术和三台阶七步开挖施工技术，有效控制了围岩变形，提高了施工安全性。研究结果表明，这些技术的应用对于优化隧道施工技术、降低工程风险具有重要的指导意义，也为类似工程提供了实践经验。

关键词 隧道施工；断层；岩溶；超前支护；三台阶七步开挖

中图分类号 U445.4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0079-03

0 引言

隧道工程作为交通基础设施的关键组成部分，扮演着举足轻重的地位，然而隧道建设过程中所面临的技术挑战也非常严峻，尤其是大断面隧道在穿越复杂的地质条件时，将遇到如高地应力、高地温、硬岩岩爆及大断裂带的挤压大变形等施工难题，对隧道施工的安全性构成了严重威胁。上述难题不仅增加了工程的难度，也对隧道的设计、施工和管理提出了更高要求。因此，开展大断面复杂地质条件下的隧道关键施工技术研究，对于提高隧道建设的安全性、保障工程项目顺利开展具有重要的理论和实践意义[1]。该文以某隧道工程项目为依托，通过对工程施工重难点进行分析，探讨隧道工程施工的优化措施，以期为类似工程提供理论依据和技术支持。

1 工程概况

邦山隧道工程项目采用分离式双洞布置，顶部主要由中等风化灰岩和砂岩构成。地下水在隧道的存在形式主要是基岩裂隙水和岩溶水。据统计，隧道双洞的平均正常涌水量为5 200 m3/d，最大涌水量可达到17 146 m3/d。根据地质勘察资料可知，从出口段至K145+400段的围岩破碎严重，并存在溶洞现象，土层中含水量较大，尤其是隧道出口处，岩溶现象尤为明显，溶洞大小不一，部分区域形成空洞，而其他部分则由可塑性的亚黏土和含砾亚黏土组成。

2 工程施工难点

2.1 断层特征及其工程影响

受第二隆起带及区域构造带的共同作用，该地区形成了两条近乎南北走向的断层F135与F136，以及一条近乎北东向的断层F135a。断层F135和F135a在YK145+065的位置，与隧道轴线形成了一个较大夹角的相交，显著影响隧道周围的岩体稳定性；而断层F136则在YK145+530处，与隧道轴线相交。断层作用导致其附近的岩石风化加剧、破碎，层理结构发育，且断层面擦痕显著。

在隧道选址区域存在三处崩塌点，分别将其命名为H33、H34和H35，具体见表1所示。这些崩塌主要由人为开挖活动形成，导致陡坡产生，从而致使表层土体悬空。另一方面，在地下水和降雨的共同作用下，残坡积土和砂岩风化层的土体重量增加，抗剪强度降低，沿土岩接触面发生滑动崩塌，而崩塌物质主要由碎石和黏土组成，存在进一步失稳的风险。

此外，在隧道出口ZK145+722右侧6.4 m处，发现一处废弃的采煤探洞，洞高2 m，宽2 m，走向约为136°，总长度约220 m，且洞壁未进行支护。该探洞沿走向线以约30°的倾角向下延伸约40 m后转为水平方向，与规划中的隧道左洞在ZK145+712处相交，探洞顶板高程约为407 m，相对隧道底板低约12.8 m。在隧道开挖过程中，上述情况可能导致煤岩层松动，进而引起坍塌，对路面行车安全构成威胁。

2.2 岩溶发育及其规律

该区域岩溶作用显著，岩体中广泛分布众多大小不一的溶洞，以及错综复杂的溶蚀裂隙等。根据各地详勘资料的统计分析，该区域岩溶现象普遍，尤其在钻探过程中遇洞频率较高，以桥梁区域的岩溶发育最为显著，钻探遇洞率高达97%。

尽管岩溶作用的发展受多种因素的共同影响，其发育模式极为复杂，但仍可辨识出一定的规律性。在区域平面上，从盆地边缘的山区向盆地中心的平原地带，岩溶作用的强度逐渐增加，尤其是在盆地中部的河谷平原区域，溶洞分布尤为密集，构成了岩溶作用的强烈发育区。

在Y145+000出口段，岩溶作用同样显著，溶洞的顶板埋藏深度为14.7～101.5 m，底板埋藏深度则在18.8～102.0 m，溶洞的厚度范围从0.3～9.7 m不等。其中，串珠状溶洞中埋藏最浅的深度约14.7 m，厚度约为4.1 m。所揭露的溶洞多数为全充填至半充填状态，充填物质主要为黏土和碎石，碎石成分以灰岩和方解石为主。这些特征表明，该区域的岩溶作用对隧道工程的规划与施工具有重要影响。

在隧道溶洞段ZK145+195段施工进

行数值模拟，模拟过程中将溶洞定义为圆球状，整体溶洞模型透视图如图1所示。

2.3 隧道施工地质灾害分析

在该隧道的施工过程中，面临着一系列复杂的地质条件。首先，隧道围岩的整体条件较差，其中Ⅳ级围岩占比较低，而Ⅴ级围岩则占比较高，表明隧道的围岩稳定性差，易发生变形和坍塌。特别是隧道左线和右线的Ⅴ级围岩，其占比均超过75%，增大了施工难度和风险。

其次，隧道岩体破碎，存在断层和岩溶问题，隧道出口围岩的岩溶发育，以及废弃采煤探洞的存在，导致围岩稳定性显著降低。在围岩等级较高的部位及岩性分界段，围岩稳定性较差，在施工过程中可能产生大量的掉块现象。在涌水突泥方面，隧道的正常涌水量和最大涌水量均较大，需要在施工时进行探水的超前预报，并准备突水漏水事故的处理预案。特别是在岩溶发育地段、断层部位，这些区域作为储水部位，水量较大将给施工增加额外风险。

最后，隧道围岩中存在煤层，可能存在瓦斯的局部聚集，在施工过程中必须遵循相关施工规定，确保施工安全。

3 施工地质灾害防治与工程优化措施

3.1 断层破碎带超前支护

在该隧道工程中，针对断层破碎带的超前支护主要采用注浆扩散施工技术。该施工技术所使用的浆液在地层中的扩散方式主要包括渗透扩散（a）、劈裂扩散（b）、裂隙填充（c）和挤压填充（d）等四种，其扩散机理模式见图2所示。在渗透扩散过程中，浆液在压力作用下通过地层孔隙或裂隙进行填充，增强地层的密实度并提高其承载能力；劈裂扩散则是在注浆压力超过地层的劈裂压力时发生，浆液沿地层产生的裂缝进行扩散，进一步加固地层；裂隙填充主要针对残积层、断层破碎带等，当浆液满足裂隙宽度要求时，能够有效填充裂隙，增强地层的整体性；而挤压填充则是通过压力将浆液挤入土体，改善其物理力学性能[2]。

图2 浆液在图层中扩散机理模式

当浆液无法通过渗透或劈裂的方式进入地层的空隙时，挤压填充便发挥作用。在这一过程中，注浆的压力迫使浆液进入地层，从而将地层压实，增强其稳定性。这种填充方式通常适用于地层空隙较小或地层较为坚硬的情况，通过施加外力，浆液能够将地层中的颗粒更紧密地结合在一起，提升地层的整体承载能力和抗变形能力。

在该隧道的断层破碎带超前支护施工中，采用了小导管超前注浆支护技术。该技术通过在工作面前方设置小导管并注入浆液，形成壳体保护拱，以有效控制地层变形。注浆材料采用普通水泥单液浆进行施工。材料的选择和配合比的设计对注浆效果有着直接影响，因此需要在施工前进行注浆试配以确定最佳配合比。

在断层区域，每隔3 m实施注浆作业，注浆导管从小导管钻孔穿透，然后布置在工字钢拱架最上方，在小导管安装完成后将其端部和拱架焊接在一起形成可靠支撑。隧道超前小导管的注浆，通常使用长度为4～6 m、直径为42 mm、壁厚为4 mm的热轧无缝钢管。在掌子面上台阶位置，喷射厚度为10 cm的细石混凝土进行封闭，从而形成止浆墙。该工程使用2台型号为KBY50/700的注浆泵，初期支护时应及时安装注浆小导管，并根据工程进度及时进行注浆。为了赶工期，在边墙上预埋直径为10 mm的钢筋，并采用铁丝将注浆管与钢筋固定牢固，然后采用4台注浆泵进行注浆，从而提高注浆效率。

在考虑小导管的预先支撑功能时，内部导管的外侧倾斜角设定为10°，而外部导管的外侧倾斜角则为30°。环向的间隔保持在40 cm，双层排列的间距同样为

40 cm，且每层导管应交错排列以增强结构的稳定性。注浆时的压力应控制在1.5～2.0 MPa，且两个循环的注浆区域应有1 m的重叠部分，以确保连续性。在注浆过程中，可以采用间隔孔注浆的方法。一旦注浆压力达到预定的压力，即停止注浆。在隧道溶洞段ZK145+195段施工完成后，对径向和纵向的超前支护进行数值模拟，整体网格模型透视图如图3所示：

图3 整体网格模型透视图

3.2 三台阶七步开挖施工技术

在该隧道工程项目中，使用三台阶七步开挖施工技术完成开挖施工。三台阶七步开挖施工技术采用超前地质预报、探水、注浆堵水等预处理措施，同时采用预留核心土的开挖技术，以减少对围岩的扰动并有效控制围岩变形。三台阶七步开挖施工工序图如图4所示，其详细步骤如下[3]：

（1）顶部拱形导坑挖掘。在拱顶区域完成超前支护作业后，沿环向挖掘顶部的拱形导坑，并保留中心土体。建议中心土体的长度为3～5 m，宽度为隧道开挖宽度的1/3左右。挖掘的循环步长应依据初期支护的钢架间距进行设定，且最大步长不应超过1.5 m。

（2）中部和下部台阶挖掘。挖掘步长同样依据初期支护钢架的间距进行确定，最大步长不得超过1.5 m。挖掘高度通常在3～3.5 m，左右两侧台阶的挖掘应错开2～3 m的距离。通过采取错开开挖的方式，可有效减少对周围岩石的连续性干扰。

（3）中心土体保留。在各个台阶的挖掘过程中，应分别保留相应的中心土体，其挖掘的步长应与各台阶的循环步长相匹配。

（4）隧道底部挖掘。建议每个循环的挖掘长度控制在2～3 m，挖掘完成后应立即进行仰拱的初期支护工作。在完成两轮隧道底部的开挖和支护后，应迅速进行仰拱施工。

该施工技术优点在于能够及早封闭成环，保证施工安全，并可通过平行流水作业提高施工效率。同时，三台阶七步开挖法在地质结构复杂多变的隧道施工中，能够快速转换施工方法，确保工期进度达到预期目标，增强了安全和工期的保障性。此外，该施工技术的施工工艺简单，施工投入成本少，对于软弱围岩隧道施工具有重要的应用价值。

4 结论

该文针对复杂地质条件下的隧道施工关键技术进行了研究分析，通过对某隧道工程项目的深入勘察，发现断层及岩溶发育对隧道稳定性的影响，并有效运用了超前小导管注浆支护技术和三台阶七步开挖施工技术，实现了围岩变形的有效控制并提高了施工安全性。研究结果表明，该工程项目的优化措施提高了施工效率、降低了工程风险，为类似复杂地质条件下的隧道工程提供了宝贵的理论参考与实践经验。该文所得出的结论不仅丰富了隧道施工技术领域的学术研究，也为工程实践中的技术创新与优化提供了科学依据。

参考文献

[1]黄林.复杂条件下大断面隧道施工关键技术研究[D].北京：北京交通大学， 2015.

[2]左一铭.软岩隧道大断面施工掌子面稳定性及超前支护参数优化研究[D].南宁：广西大学， 2023.

[3]申灵君.软弱地层大断面隧道施工方案优化与施工技术研究[D].长沙：中南大学， 2012.