大跨度公路隧道动态施工技术分析

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[摘 要]当前，西部大开发战略持续推进，西部地区各项基础设施建设步伐不断加快，尤其是铁路、公路等交通基础设施建设力度加大。西部地区碳酸盐岩分布广，在这些地区，公路隧道施工难度大。在本文中，笔者结合某高速公路隧道施工实际，探讨了大跨度公路隧道动态施工关键技术。

[关键词]大跨度；公路隧道；施工技术；动态

中图分类号：F45 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0238-01

公路等交通基础设施在地区和区域经济发展中，发挥着重要的作用。在西部公路建设中，常常要开凿隧道，但是由于隧道内岩溶发育，地质灾害频发，隧道施工的难度大、危险大[1]。为了保证施工的安全性、进度，应加大对大跨度公路隧道动态施工技术的研究。笔者在本文中，结合具体工程，对这一命题进行了有益的探究。

一、岩溶隧道施工的地质灾害

在隧道掘进过程中，破坏含水层，导致结构水动力与围岩力学平衡状态遭到破坏，则易发生隧道涌水，是一种地下水以流体形式瞬间释放的动力破坏现象。隧道涌水对施工的安全性会有严重的影响，为了避免发生隧道涌水，应加强控制，避免破坏施工含水层。

隧道涌水可造成各种环境地质灾害，比如造成岩溶地面沉降与塌陷，且地面塌陷具有突发性、危害性大等特点，成为大跨度公路隧道施工中常见的地质灾害类型。隧道涌水还可造成水资源减少甚至枯竭，对本地人民的生活和生产用水产生影响，特别是岩溶与断裂带突水，影响范围极广。

隧道涌水还会导致生态环境恶化，石漠化蔓延，导致地区发展活力丧失，出现秃山石漠，人们被迫转移居住地。另外，隧道涌水还会导致水质污染，一是造成水环境污染，二是严重污染地下水。

某大跨度公路隧道工程左线最大埋深为216m，右线最大埋深为220m，属于高式隧道，行车时速设计为80km/h，建筑净高5m、限界净宽为10.3m，开挖断面面积为82.23～102.45m2。隧道地形起伏大，陡坎较多，且沟谷流水为季节性水流，一些施工段泉点错，属于常年流水沟。根据工程地质勘查结构，不良地质主要是岩溶，由于隧道工程岩溶发育，对隧道顶板、底板的稳定性影响大，且在施工过程中，可能遇到“管道型”突水突泥。

二、大跨度公路隧道开挖与支护分析

大跨度公路隧道工程地质条件复杂，由于地质环境不同，围岩特稳定也不同，所以需要选择合适的隧道支护方式与开挖方式。当前，隧道开挖方法有台阶法、导坑法、全断面开挖法和单侧壁导坑法等。

（一）隧道开挖方法

隧道开挖应选择合适的方法，遵循一定的原则，确保围岩的稳定性，尽量提高开挖的速度，在选择开挖方法时，考虑隧道围岩地质条件及其变化，并考虑隧道岩体的坚硬程度，选择可提高掘进速度的方法。该隧道工程施工的顺序为：超前地质预报超前支护隧道开挖初期支护仰拱开挖、浇筑砼防水板的铺设拱墙二次衬砌[2]。

不同层级的围岩采用不同的开挖方法：II、III级围岩，选择全断面开挖方法，将进尺控制在2.5m～3.0m范围内；洞口浅埋IV级围岩，采用台阶分部法开挖方法，进尺控制在0.6～1.0m，上下台阶长度为10m～15m；洞身IV级围岩，采用台阶法，进尺为1.5～2.0m，台阶长度为20～30m。而隧道衬砌采用复合式衬砌方式。其中，防水板采用作业台架人工无钉铺设工艺制作，而初期支护与隧道开挖同步进行，采用超前大管棚、超前锚杆预支护等。

（二）隧道施工工艺

隧道进出口段的围岩条件差，在技术洞口开挖与地表处理后，应对洞口进行支护，确保洞口的稳定性，采用超前支护，在洞口浅埋地段，用台阶分部法施工，尽快完成二次衬砌，并封闭成环。

由于隧道洞身处于泥灰岩阶段，为雁等级为III级、IV级别，成洞条件好，所以对于III级围岩地段，采用全断面开挖法，出渣结束后，根据设计挂网、打锚杆，并根据设计要求喷砼，及时封闭。而对于洞身IV级围岩，则采用台阶方法，长度为20～30m。

三、大跨度公路隧道动态施工

奥地利学者提出了新奥法，是综合了岩石力学理论、施工测试和喷锚技术等的一种新的工程施工方法，该方法的主要特点是，通过多种测量方法，动态监测开挖后的隧道围岩，指导隧道支护结构设计与施工[3]。

（一）隧道动态施工的基本原理分析

隧道施工实在复杂的地层中进行的，由于支护方案、开挖方案多样，对围岩稳定性影响不同，也会产生不同的施工成本。新奥法从施工措施方面，对隧道施工的效益和安全性进行了总结，且阐明了动态施工的基本原理。而朱维申教授提出了岩体动态施工力学的原则：

一是施工受到各种自然条件的影响，围岩稳定性、施工经济性分析为系统工程。正确认识影响施工的各种因素，需动态分析影响围岩稳定性的各种因素，将采取的措施看做一个动态的和开放的系统工程。

二是在工程施工和后期使用过程中，围岩的稳定性和经济效益是不断变化的。从力学的角度看，其是一个非线性的变化过程，与应力路径、历史和最终状态等均密切相关[4]。由于复杂大型洞室的施工顺序不同，对施工或者运行期间的安全性和经济性将产生影响。

三是大跨度隧道工程施工支护设计与稳定性评价，需要综合运用新奥法中的观点，需求最优的施工方案。在因素分析中，应根据动态力学原理，分段开挖洞室，并围绕优化施工的目标来进行。在大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析过程中，以某隧道工程为例，其在Ⅱ类围岩之中，而且隧道是半圆拱曲墙断面，净跨14.8米，矢跨比0.8，实际开挖宽度可达16.7米，高度13.3米，面积可达222.4平方米，高度为8.9米，施工难度比较大，而且技术也非常的复杂。在对围岩稳定性分析过程中，需采用地层-结构模式，对地层比较差的Ⅴ级围岩稳定性进行分析研究，评价开挖操作对围岩产生的影响，并且明确拱顶下沉、塑性区以及周边收敛情况，从而得出计算模型。

在隧道施工过程中，掌子面后方1.2D范围之内，CRD法围岩出现塑性区。在掌子面后方1.5D范围之内，纵向上CD法围岩出现了塑性区。施工结束后，0.8D、0.6D以内，采用CD法、CRD法周边围岩，均有塑性区。

四是按照优化方案不断深化与修正原有的认识，并积极做好观察与监控工作，以判断施工方案的合理性，及时调整施工和支护方案，确保后续施工的安全性、顺利性和经济性。

（二）动态信息化施工在隧道施工中的应用

在隧道中利用动态信息化施工，应将超前地质预报纳入施工中，隧道超前地质预报采用超前水平钻孔、掌子面地质素描和TSP -203地震波探测系统等，并针对隧道围岩不同地段，采用水平收敛、拱顶沉降和钢支撑内力监测等方法，判断隧道围岩与支护的稳定性，保证施工的安全和效益。

其中，TSP-203地震波探测系统资料分析的流程为：原始数据软件计算得到时间、深度剖面提取参数地质解释[5]。

根据施工进度与施工实际水平，笔者给出的建议为：一是预测段顶板较薄，岩性以弱风化、微风化岩为主，裂隙比较发育，岩体的完整性较差；二是预测段节理裂隙比较发育，一般为黄泥质充填，综合地表分析，沿节理溶槽发育，地下水位下降后，被泥质填充，所以应加强支护，禁止麻痹大意，并加强对围岩的检测工作；

三是按照工程地质调查结果，隧道内的地形起伏大，且多为较陡的地形起伏，隧道内的水流为季节性水流，雨水的渗透性好，所以在隧道施工中，应加强排水，做好排水设施，避免对施工造成不利的影响。

结语

随着公路建设的发展，特别是西部地区公路事业的发展，在公路隧道施工中，遇到复杂地质的情况越来越多，增加了施工的难度。而在公路隧道施工中，实时动态化施工，动态监测施工及围岩稳定性，对于保证施工的安全性，提高施工的效率具有重要的意义。本文主要从岩溶危害、隧道施工支护和隧道动态信息化施工等方面进行了有益的探索。

参考文献

[1] 李军.大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析[D].河海大学，2006.

[2] 张晓彬，吕中玉.大跨度公路隧道设计与施工技术及其发展趋势[J].山西建筑，2007，22：341-343.

[3] 杨寰.大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析[J].中华民居（下旬刊），2013，04：340-341.

[4] 李军，刘瑞，侯庆军.大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析[J].盐城工学院学报（自然科学版），2008，02：70-73.

[5] 仇，李俊松.小净距大跨度公路隧道安全风险管理与施工技术[J].现代隧道技术，2011，05：18-22.