隧道水平岩层快速施工关键技术研究

王天勇

（中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710000）

0 引言

近年来，隧道施工技术在水平岩层的快速施工中已经取得显著的进展。基于不同的岩层性质，选择合适的施工技术和设备，对于保证施工质量和速度而言至关重要。然而，随着工程规模和复杂性的增加，传统的施工方法已经难以满足工程的需求。文章旨在提供一个全面的视角，介绍最新的地质预测、掘进、支护以及信息化监控技术，并提供实际施工的策略和建议。

通过深入研究和应用这些技术，工程师和施工人员可以更有效地面对岩层施工中的各种挑战，从而确保隧道工程的质量和安全性[1]。

1 岩层地质与预测技术

1.1 岩层分类与性质

岩层的性质和地质特征对隧道施工的难度、安全性和稳定性有直接影响。在施工前，必须深入了解并准确预测岩层的地质情况，以确保施工顺利。岩石的物理性质，包括硬度、密度和渗透性，决定了隧道掘进所需的机械和工具。不同类型的岩石可能需要不同的掘进方法和支护措施。

此外，岩体结构面的特征，如裂隙、节理和断层，对隧道稳定性有直接影响，了解这些特征有助于选择合适的支护措施。

1.2 地质预测方法

地质预测是隧道水平岩层快速施工中至关重要的环节，为工程师提供了地下岩层条件的关键信息，有助于制订合理的施工方案，降低施工风险，并确保工程的安全性和稳定性。在地质预测工作中，多种方法和技术被广泛应用，以满足不同地质条件下的需求。

地质雷达法（GPR）是一种非侵入式的地质预测技术，通过发射和接收电磁波来探测地下岩层的情况[2-3]。地质雷达法能够提供地下岩层的高分辨率图像，识别不同岩石类型和结构面的位置，有助于确定隧道掘进路径和选择合适的掘进方法。地质雷达法还可以检测地下水位和水文条件，帮助预测潜在水害风险。因其高效、快速和无损的特点，地质雷达法在隧道施工中得到广泛应用。

电磁法是另一种常用的地质预测技术，通过测量地下电导率差异来识别不同的地质层。电磁法在探测地下水位和水文条件方面表现出色，因为地下水通常具有不同的电导率。通过分析电磁数据，工程师可以了解地下岩层的分布情况，确定隧道施工中可能遇到的地质问题。此外，电磁法还可以用于检测地下金属物体，有助于避免施工中的意外情况。

钻孔探测法是一种传统且有效的地质预测方法。这种方法通过在地下钻取岩心样本来获取地质信息[4-5]。通过分析这些岩心样本，可以详细了解地下岩层的物理性质、结构和分布情况，从而为隧道施工提供重要的地质数据。这种方法尤其适用于复杂地质条件下的项目，可以有效指导工程设计和施工。这种方法可以提供详细的岩层数据，包括岩石的物理性质和结构面的情况。这些数据对于隧道施工中的支护设计和施工方案的制订而言至关重要。尽管钻孔探测方法比地质雷达法和电磁法更为耗时和昂贵，但其准确性和可靠性的优势使其在复杂地质条件下岩层施工中仍然不可或缺。

地质预测的重要性是为隧道施工提供了前瞻性的信息，有助于避免意外情况的发生，降低施工中的不确定性。不同的地质预测方法可以相互补充，根据具体情况选择合适的技术组合，以确保隧道施工的顺利进行。

1.3 地质风险评估

地下隧道工程伴随着各种地质风险，这些风险对隧道施工和使用阶段的安全性和可靠性构成严重威胁。因此，地质风险评估是隧道水平岩层快速施工中的重要环节。地质风险评估的目标是识别和分析可能对隧道工程造成威胁的地质风险，并采取预防措施，以降低这些风险对工程的不利影响[6]。

首先，需要考虑岩层的特性，包括岩石的基本特性与分类、岩体结构面的特点以及岩层的物理和力学性质。这些信息对于评估地质风险至关重要，因为不同类型的岩层会对隧道施工产生不同的影响，可以采用地质雷达法、钻孔探测法等方法分析地质条件。

其次，需要考虑可能的风险事件，如水害、岩爆和瓦斯爆炸。工程师需要预测这些风险事件的可能性，并采取相应的措施来减轻其影响。例如，在水害预测方面，可以使用水文地质调查和模拟来评估地下水位的变化和水流路径，从而采取合适的防水措施。岩层稳定性分析也是地质风险评估的重要组成部分，通过使用数值模拟和地质工程软件，工程师可以模拟不同条件下岩层的行为，以预测可能的岩体破坏和滑动情况。

2 钻爆掘进与支护技术

2.1 钻爆掘进技术选择

人工钻爆掘进主要优势在于能够高效地破碎坚硬的岩层，并且在需要时可以实现精确的掘进方向。这种方法的实施效果依赖钻爆设计和操作人员的施钻水平。

首先，钻爆设计是钻爆掘进的核心，其确保在不同地质环境下，在恰当的位置和深度上精确钻出爆炸破碎所需的孔洞。例如，对于硬岩环境，采用统一长度、合适的环向间距周边眼，能有效控制超欠挖。对于较为脆弱或破碎的岩石，采用长短眼配合布设周边眼，避免过多地破坏岩石结构，能有效控制软岩超欠挖。除钻爆设计外，爆破炸药的选择也至关重要。不同的炸药有不同的能量释放率和破碎效果，一些高能炸药能够产生强烈的爆炸，适用于坚硬的岩层，而低能炸药则更适用于需要精细控制的环节。

其次，爆炸效果与引爆系统紧密相关，因为引爆系统保证炸药在正确的时间和顺序下被激活，这对于控制爆破效果和减少不必要的损坏而言非常重要。当面对复杂的地质条件时，如断层、水分过多或者不稳定的岩层，钻爆策略需要相应调整。在这些环境下，可能需要更频繁的调查和测试以确定最佳的钻爆策略。这可能意味着更浅的钻孔深度、不同的炸药选择或更为精细的爆破计划。安全始终是首要的关注点。

使用人工钻爆方法时，既要确保操作人员的安全，也要确保周围环境的安全。这需要对设备进行定期检查和维护，并确保操作人员得到足够的培训。风险管理不仅涉及人为错误，还包括地质突发事件，如岩石塌陷或地下水冲刷。对于这些风险，应采取预防措施，并随时准备进行必要的应对[7-8]。

2.2 钻爆施工中的岩层支护方法

在进行钻爆施工时，岩层的稳定性至关重要，岩层的不稳定可能导致塌方、裂缝扩展或其他安全问题。因此，有效的支护方法对于确保掘进作业的安全和效率而言是必不可少的。初期支护在钻爆施工的早期阶段起到关键作用，其旨在防止新开挖的部位短时间内发生塌陷或产生不稳定情况。其中，钢架是一种常用的初支技术，其为岩石提供一个坚固的“骨架”来防止岩层移动。这些钢架常常按照特定的模式和距离放置，以确保在其上的岩石得到均匀的支撑，再将混凝土以高速喷射到岩层表面，形成一个坚固、连续的外壳，进一步加强岩层。这种外壳不仅增加了岩石的结构稳定性，而且由于其与岩石的结合非常紧密，还能有效防止水或其他液体进入，避免了由此引发的不稳定情况。

同时，系统锚杆也在岩层支护中扮演了重要角色。系统锚杆通常由钢筋或其他坚固的材料制成，其钻入岩层并固定在岩层内部，为岩石提供拉伸和压缩的支撑。这些锚杆可以有效地减少岩石的位移和变形，特别是在遇到大的应力或裂缝时。然而，在某些特殊的地质条件下，如在高度疏松或多孔的岩层中，传统的支护方法可能无法提供足够的支撑。在这些情况下，径向注浆技术被广泛应用。通过将混凝土或其他固化剂注入岩石的孔隙中，径向注浆技术可以显著提高岩石的稳定性和承载能力。此外，注浆还有助于封闭岩石中的裂缝或其他缺陷，从而进一步增加其稳定性。

2.3 人工钻爆施工的速度与质量控制

在钻爆施工过程中，速度和质量是两个至关重要的要素。加快施工速度可能会牺牲质量，而对质量的过度追求可能导致施工速度的下降。因此，如何在两者之间找到平衡成为每一个施工项目的核心挑战。

首先，钻爆施工的速度受到多种因素的影响，其中岩层的硬度是一个关键因素[9]。对于硬岩层，需要更多的能量和时间来钻进，而柔软的岩层则更容易处理，但这并不意味着软岩钻爆施工一般会更快。在软岩中施工，特别是含有大量水分的岩石，可能导致钻头堵塞，从而降低施工进度。除了岩层硬度外，爆破技术、钻孔深度和策略等也是影响施工速度的关键因素。正确的爆破技术可以确保每次爆破都达到最大的效率，合理的钻孔深度和策略可以确保钻孔的时间得到最佳的利用。

其次，无论施工速度如何，质量始终是最重要的。质量的问题不仅包括施工的质量，还涉及岩层的完整性、安全性和后续使用的稳定性。因此，对岩层稳定性的分析和爆破效果的监测至关重要。先进的岩层稳定性分析工具可以预测可能出现问题的岩层，帮助工程师调整施工策略。同时，实时的爆破效果监测可以确保每次爆破都达到预期的效果，避免不必要的岩石损坏或移动。此外，为了确保施工的质量和速度，设备维护和人员培训也是不可忽视的部分。对于施工设备，特别是高性能的钻机和爆破设备，需要进行定期的维护和检查，以确保其始终处于最佳的工作状态。设备操作人员则需要经过严格的培训，确保其了解设备的工作原理，掌握在各种地质条件下的操作，并能够在遇到问题时迅速作出判断和调整。

最后，随着技术的进步，实时数据采集与分析在钻爆施工中的重要性日益增加。通过监测岩层的移动、振动和其他相关参数，工程师可以实时了解施工的进展，从而做出及时调整，确保施工的质量和速度得到最大程度的优化。钻爆施工的速度与质量可以通过科学的方法和策略实现和谐的平衡。这不仅确保了施工的效率和质量，而且为整个项目的成功奠定了坚实的基础。

3 信息化施工与实时监控

信息化施工和实时监控在隧道水平岩层的快速施工中起着至关重要的作用。它们提供了大量数据和实时信息，支持决策和管理，从而提高了工程的效率、安全性和可控性。信息化施工结合了现代信息技术和施工过程，使用数字化工具和技术来提高生产效率和质量。

在隧道施工中，这包括数字化的项目管理系统、施工计划和进度跟踪，以及资源分配和任务协调。3D建模和仿真技术的应用有助于优化设计和施工方案。实时监控则通过嵌入式传感器技术和数据采集系统监测隧道施工过程。传感器可以测量应变、压力、倾斜等参数，以及岩体变形和压力等关键指标。这有助于工程师及时了解施工现场的情况，检测潜在风险，并采取措施。环境监测同样重要，它监测气体、水质和温度等，确保工程的环保合规。

数字化施工流程减少资源浪费，实时监控发现岩层的变化和不稳定性，预警风险，保护人员安全。精确的数据采集和分析有助于检测并及时纠正施工质量问题，确保隧道的稳定性和功能性。及时发现问题并采取措施还可以减少事故发生的可能性，避免工程延误和额外开支[10]。

4 结语

隧道水平岩层快速施工关键技术的不断创新和应用，不仅提高了工程的质量和效率，还为经济发展和人民生活水平的提高创造了更优越的条件。相关人员应当继续积极探索和推广这些技术，以应对日益增长的基础设施需求，为可持续发展和城市建设作出更大的贡献。