复杂地质环境下的隧道施工技术研究

马强

【摘要】在新时代的隧道工程建设活动中，施工人员必须克服自然环境影响，设计较为完善的穿山建设计划，解决影响正常施工的技术问题，在浅埋偏压、围岩破碎地段进行高质量的隧道开挖施工，在降低施工危险性的同时，缩减原材料用量，间接促进我国现代交通事业的发展，完善隧道建造工艺与基本修建流程，合理运用先进生产设备与技术，保证施工进度与隧道建造质量。本文主要分析了在复杂地质环境中合理运用隧道施工技术的现实意义与必要性，并指出了新时代隧道施工活动面临的主要问题，总结了可提升隧道施工活动安全性的核心施工技术应用路径。

【关键词】特殊环境;隧道施工;工程建设;建造质量

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.068

引言：

随着我国国民经济的快速发展与建造技术的不断进步，复杂地质环境下的隧道建造模式获得了更新发展，针对长度较大、分布范围较广的工程隧道，可采用先进的安全施工模式，根据围岩的硬度、承载力、强度选择较为合理的施工方式，在了解施工方案中技术要求的前提下，消除导致安全事故的不可控风险因素，组织不间断的动态监测活动，针对施工过程中出现的特殊地质现象进行及时处理，保证施工活动的安全性。

1、在复杂地质环境下合理利用隧道施工技术的必要性

在现代道路工程建设中，施工地点经常会选在地质环境复杂、受到环境因素影响的特殊地段，部分隧道工程所处地点地质环境缺乏稳定性，可能会出现岩层垮塌、渗漏、下陷等问题，严重影响建设队伍正常施工。在开挖隧道、推进工程建设进程中，施工队伍可随时评估隧道周边岩层与地基的稳固性，在板块运动活跃地带，岩石脆弱层的覆盖面积较广，雨水可沿着岩层中的裂缝流入隧道中侵蝕各类机械设备与材料，在特殊情况下还会导致较为严重的次生灾害与安全问题，使得隧道工程施工效率与速度不断下降，损害参建技术人员的生命安全。在现代隧道工程建设中，各类无法提前探测的特殊地质环境会给施工带来负面影响，阻碍机械设备的运输与正常使用，施工单位必须临时调整隧道建造计划，临时调配技术人员清理意外发现的地下洞穴、溶洞、岩石渗水层，并预测隧道开挖路径是否和周边城镇地下燃气管道、排水管道网络重复，尽可能地绕开地基开挖较深的地面建筑物，合理应用常用的隧道施工技术与探测设备，应对不同类型的地质灾害与突发情况，提升对施工质量、建造速度的要求，使得施工队伍快速适应高温、高压、路况复杂的工程建设环境，降低瓦斯爆炸、岩层垮塌、地基下陷等特殊工程事故的发生几率，全面提升隧道建设工程的综合效益。隧道施工是新时代公路、铁路等交通工程建设活动中常见的建造项目，通过批量建造长度较短、连接多个交通路线的大型隧道，可起到缩短公路、铁路线路间距，提升交通网络货运效率的作用，缩小施工活动的原材料、资金消耗量，推动交通运输业的发展。

2、复杂地质环境下隧道施工技术的应用要点与原则研究

2.1基于具体情况调整建造计划

步入新世纪以来，我国隧道建设技术逐步趋于成熟，应用范围不断扩大，然而我国国土面积广阔，交通工程多选择在环境复杂的山区、河谷区建造连接多条公路的山体隧道与地下隧道，在不稳定的地质环境下开展大型隧道建设活动的难度较高，蕴含着一定危险性，例如部分山区的土质松软，容易在暴雨天气下受到山洪冲刷流入已建成的隧道中，堵塞排污管道、导水渠，使得隧道中的积水无法及时排出，影响正常施工，一部分隧道施工地点属于典型的喀斯特地貌，岩溶洞数量较多，岩层受到地下水侵蚀，无法承受过大压力，发生山体垮塌、地基瓦解等问题的几率较高。针对以上情况，施工人员必须组织开展地质环境检测，勘测隧道施工地点周边岩层的承载力与牢固性，使用重量较轻、便于转运的简易机械设备与工具，降低建设难度，基于实际情况不断调整施工技术应用路径，消除不确定因素，在组织施工时考虑到多个方面的问题，如人为因素、地理因素、管理因素等，吸纳其他施工队伍在复杂地质环境下积累的施工经验，有效推行施工计划，定期对下一阶段的隧道施工方案进行修改，评估隧道内部结构的受力情况，保证不同高度、各个层次工程材料受力的均匀性，避免因材料受力不均匀而形成较大规模的裂缝。

2.2保证岩层稳定，评估地质环境变化趋势

大规模隧道施工会严重影响岩层稳定性，容易导致山体滑坡、岩层沉降等问题，改变地质环境，因此为降低隧道施工复杂性，施工队伍应当提前做好工程设计，选择建造速度快、不会对周边地质环境造成不可修复损害的建造方法，每隔一周到半个月组织一次地质环境检测，评估隧道内部围岩的强度与地下水水位，例如在处于断层带、溶洞等特殊地质环境下的隧道中，安全事故发生几率较高，施工队伍应基于调查研究结果撰写工程质量报告，评估水文条件、地质条件变化的整体趋向与走势，针对可能发生的地质问题制定预案，在发生事故时第一时间加以解决，预测大规模岩石变动，提升隧道整体结构的稳定性，保证在限期内完成施工。

3、复杂地质条件下隧道施工技术应用模式的缺陷分析

3.1施工技术应用缺乏精确性、合理性

特殊地质条件下的大规模隧道施工活动对施工质量、建造工艺提出了严格要求，传统建造方法逐步被淘汰，新技术、新方法开始被引进交通建筑业中，然而部分施工队伍依然惯于使用上个时代的落后建造技术，施工理念未能获得更新，导致工程建造项目进度落后，诱发不同类型的安全事故。例如个别施工单位习惯于让一线技术工人使用老旧掘进设备与手工工具进行施工，过度重视施工效率与速度，在未经勘探的复杂地质环境中大量使用炸药清除阻碍施工的岩溶洞、钟乳石，不同环节的施工未能做好无缝衔接。一部分施工单位为尽可能地压低工程建造成本，不重视职业培训与施工技术普及活动，并未组织针对施工现场周边地质环境的勘测与调查，在工程设备、技术人员储备等不同方面的准备严重缺乏[1]。

3.2施工人员未能合理运用相关技术

由于复杂地质环境中各类地理条件的变化速度较快，环境勘测频率较低，因此对施工人员对隧道施工技术的熟悉度、专业建造能力提出了较高要求。负责隧道施工建造工作的技术人员必须掌握高层次理论知识与实践技能，能够快速识别体现地质条件变化的各类因素，如溶洞渗水、围岩产生缝隙等，将环境特征与地质条件变化趋势对应起来，主动结合施工计划，人为地干预环境变化进程，优化调整施工方案。部分参与隧道建设的技术人员未能掌握相关领域的地质知识，无法在实践中认识到地质环境的变化，未能及时根据具体情况选择可用的施工技术，造成施工技术不匹配建造环境的复杂问题，对地质环境条件变化导致的突发性事故缺乏应急反应能力，难以调控客观存在的不可控因素，使得意外事故阻碍了隧道建设工程的正常开展[2]。施工人员可淘汰传统的爆破施工法，引入较为先进、副作用较小的挖掘机施工法，并主动使用高科技设备进行辅助勘测作业，完善具体操作流程，基于实际情况筛选出与隧道建设活动相关的地质环境指标，如地下水水位、岩层密度等，明确施工要点与环境控制关键点，使得一线施工人员获得必要的技术指导与建议，进一步落实施工计划。

4、复杂地质环境下常用隧道建造技术的主要类型、应用方式

4.1浅埋偏压地段施工技术

浅埋偏压地段岩层密度较低，土质较为松软，容易发生渗水、漏浆等问题，地质环境的变化性较大，每隔三到六个月会发生一次岩层下陷，在这一地质条件下，时间跨度较大的隧道施工活动必须进行周密计划，预测从开工建造后一年内地质环境的变化趋势，根据具体施工情况，制定在浅埋偏压地段施工的整体方案，在已建成隧道尚未因岩层下陷而发生垮塌事故之前，强化岩层与土壤的支撑力，削弱结构应力与重力，保障隧道内施工人员的人身安全，改善周边自然环境。在施工过程中，建设人员必须全面评估此类复杂地质环境给建造活动带来的负面影响，采取措施重点强化隧道入口、出口出围岩的承载力与结构硬度，避免不稳定因素干扰正常施工建设，消除影响范围较大的质量问题，进行超前支护，合理运用超大管棚支护技术，为后期的注浆、填埋集料等活动提供一个稳定环境。在完成初步的爆破清障作业后，一线施工人员可使用钢筋架、锚杆、钢丝护栏等设备拼装一个简易支护护栏，并通过不断调整支护与集料填埋点的距离，为正常施工提供便利。技术人员还可使用钢制基底强化支护设施的稳定性，为其添加可调式钢制锁脚设备，构建较为稳定、安全的受力体系。施工人员必须掌握每一种特殊地质环境中自然因素的变化情况，使用科学、合理的施工技术，对施工地段的岩层进行全面加固，并使用小型振捣设备压实疏松、容易发生渗漏的土层，提升土质的坚实度，为隧道内部施工活动提供安全、宽松的环境，避免出现返工、施工中断等问题[3]。例如在长期开采地下矿产的矿区进行隧道施工时，这一地段具备典型的浅埋偏压特征，技术人员必须提前组织环境勘测活动，检测破碎岩层的承载力、砂石密度，采取合理建设措施，使用机械设备夯实地基，使用钢结构锚杆支撑隧道内壁容易脱落、下陷的岩层，提升这一地段顶部岩石结构的稳固性，保证施工安全。

4.2地质预报技术与勘测科技

部分隧道施工地点的地质环境具备复杂性、变动性，容易受到天气、板块运动、人类活动的影响，出现无法预料的意外状况，如山体滑坡、岩层下陷、基岩侵蚀等，为提升施工效率，规避潜在风险，施工单位可合理运用远期地质预报科技，在施工现场采集地质环境数据，使用多种类型的技术设备，如红外线探测器、激光测距仪、卫星定位设备、地质雷达等，对不同位置的岩层进行探测处理，评估围岩与隧道内壁岩层、底部地基的稳固性。技术人员还可使用钻探深度较大的小型地质钻机采集岩层样本或气体样本，在隧道中段对地质环境进行检测，发现潜藏在岩层之间的瓦斯与各类有害气体，针对可能出现的瓦斯泄露、隧道渗水、岩石脱落破碎等事故进行预警，做出精确、可靠的预报，将意外事故造成的经济损失、人力损失控制在较低水平。在开挖隧道48小时后，每隔一到两周进行一次全面地质检测，并在计算机中建立立体化数字模型，使用水平仪、水准尺对拱顶的沉降距离、地基倾斜度进行测量，并将钢结构的观测柱迈入已建成隧道的表面，定期上报其所获取的各类数据，保证隧道围岩厚度超过4厘米，在岩层发生移动、破碎、沉降时及时发出预警，提升隧道施工的安全性。

4.3隧道内壁变形调控技术

由于部分隧道选址地点附近存在覆盖范围较大的软性砂岩与泥岩，因此容易出现隧道内壁软化现象，导致岩层因稳固性不足、支撑力下降而塌陷，隧道内部结构受到地质环境影响而失去稳固性。施工单位可采取合理措施，强化存在形变趋势的隧道的稳固性，定期组织检测活动，找出承载力不足、容易发生下陷或崩解的地段，让参与施工的一线技术人员以目测形式观察隧道内壁是否存在变形或凸起、下陷等状况，并及时采取措施进行补救[4]。例如在发现隧道内壁产生形变时，可使用便于回收、结构强度较高的钢制锚杆在隧道中架设钢筋网，并在变形地点表层涂抹大量混凝土，以此抑制变形趋势，阻碍岩层塌方，并组织每天4到5次的观测，及时发现岩层向下滑动的征兆，适当地调整施工计划，减少爆破活动中所用炸药的数量，采用较为合理的隔孔填药机制，预防可能出现的岩层塌方问题[5]。在开挖隧道过程中，施工单位可使用钻岩车等机械化设备，减少人力资源用量，控制在特殊地段施工的安全操作风险，通过及时调整各项操作规范，依据现有的隧道工程要点确定影响要素，以期降低地质灾害对施工的不利影响。

4.4软弱围岩施工技术

新时代的隧道工程建造人员必须把握基本地质工程学原理，在修建承载力较弱、容易发生意外事故的围岩隧道时，克服自然因素的影响，选择副作用较小的隧道开发方法，预测在开挖过程中岩层的形变程度与移动范围，淘汰传统的全面开挖法，采用影响范围较小、可靈活调节的分阶段开挖法，在挖掘隧道时不断评估周边基岩与围岩所承受压力的大小，在保证内部结构稳定性的同时，预防可能出现的岩层沉降问题发生，并根据岩层密度、重量、体积等因素，调整开挖方向，在左右方向同时进行从表层到中心的挖掘活动，做好配套的测量与核查工作，减少施工活动对围岩造成的负面影响，挖掘出具备规则性、空间面积适当的隧道，基于相关技术标准调整衬砌的整体厚度与覆盖面积。在软弱围岩隧道施工活动中，经常会发现隧道内壁产生大量裂缝，围岩强度不高，受到施工活动震动影响，表层岩石容易发生松动并产生较长的裂缝，严重影响正常施工活动的开展。施工单位必须把握围岩裂缝与落石产生的根本原因，采取措施调整隧道内部空间的温度、湿度，使用具备更强支撑力的钢筋材料，有效预防软弱基岩裂缝问题的发生，保证施工原材料满足具体情况，避免隧道变形、沉降等问题产生[6]。施工人员应当组织小规模的混凝土配比调制实验活动，评估隧道内壁混凝土材料在封闭空间中存在的收缩性变量大小，预防可能出现的裂缝、墙体脱落等问题，控制未干混凝土的湿度、温度，并在隧道内部安装多个轻质防水板，针对裂缝渗漏的地下水与雨水进行整治，解决隧道工程中局部存在的渗流问题。施工单位应当明确目标地段围岩隧道的最大荷载量，避免出现实际荷载量超过结构承受能力的意外情况，并基于实际情况调整隧道衬砌结构种类与尺寸，突出施工活动的合理性，由此规范隧道衬砌结构的劳动定额与消耗标准。

结语：

现代隧道施工工程的建造质量、施工速度决定了交通事业能否获得快速发展，步入新时期以来，我国隧道建造工程的规模不断增加，大量交通线延伸到西南、西北边远地区，一部分隧道建设地点的地质环境较为复杂，容易受到外部自然因素影响，发生大量危害性较大的地质灾害。为提升隧道施工质量水平，施工单位必须组织好超前地质环境勘测活动，搜集相关数据与同行业施工技术资料，在把握具体情况的基础上调整施工方案，明确地质环境的变化趋势，严格控制不同环节施工的实际质量，快速完成隧道建造与后期维护工作。

参考文献：

[1]沙英超.复杂地质条件下公路隧道施工技术应用分析[J].建筑技术开发，2021，48（07）：101-102.

[2]赵振启.复杂地质条件下公路隧道施工技术[J].资源信息与工程，2021，36（01）：97-100.

[3]吴向东.基于复杂地质条件下公路隧道施工技术的有效性研究[J].工程技术研究，2021，6（01）：61-62.

[4]殷立军.复杂地质条件下铁路隧道施工技术研究[J].中国标准化，2019（16）：76-77.

[5]廖加和.现阶段复杂地质条件下公路隧道施工技术关键点研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（04）：174-175.

[6]王海.复杂地质条件下公路隧道施工技术要点分析[J].西部交通科技，2019（02）：97-99.