摘要 為探討喀斯特地貌環(huán)境下的軟巖大斷面隧道施工技術(shù)，該文結(jié)合川東南喀斯特地貌下的某高速公路隧道工程實例，制定了基于鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿的復(fù)合型支護施工技術(shù)，以保證隧道在開挖時能夠有效提升安全性，減少變形。研究結(jié)果顯示：案例工程如期完工，其間未發(fā)生安全事故，隧道滿足驗收合格標準?？梢?，對于喀斯特這類復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，需要結(jié)合圍巖的變形問題，制定可以有效抵抗變形的綜合支護體系，從而保證隧道施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：喀斯特地貌；巖溶發(fā)育區(qū)；大斷面隧道；薄層軟巖；施工技術(shù)

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）15-0138-03

0 引言

喀斯特地貌環(huán)境的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，此類地質(zhì)下的隧道工程對于支護結(jié)構(gòu)的要求很高，必須具備足夠的承載能力，從而應(yīng)對不良地質(zhì)所帶來的影響。單一的支護結(jié)構(gòu)難以滿足此類工程的需求，需要結(jié)合工程的變形特征，制定復(fù)合型支護體系。該文結(jié)合川東南喀斯特地區(qū)隧道工程實例，著重探討了此類地質(zhì)環(huán)境下的軟巖大斷面隧道施工技術(shù)。

1 喀斯特地貌隧道施工概述

1.1 喀斯特地貌概念

喀斯特地貌是一種特殊的地貌類型，主要分布在全球的碳酸鹽巖地區(qū)。喀斯特地貌的形成和發(fā)展受到多種自然因素的共同影響，包括氣候、水文、生物和地質(zhì)等因素。

1.2 喀斯特地貌隧道施工特點

喀斯特地貌隧道施工特點主要包括以下幾個方面[1-2]：

（1）地質(zhì)條件復(fù)雜：喀斯特地貌中，石灰?guī)r的溶蝕程度不同，使得地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧道穿越區(qū)域可能涉及溶洞、暗河、裂隙等多種地質(zhì)構(gòu)造，給施工帶來極大的不確定性。

（2）地下水豐富：由于喀斯特地貌的溶蝕作用，地下水位通常較高，且水流活躍。在隧道施工過程中，地下水不僅可能對施工安全構(gòu)成威脅，還可能影響施工進度和質(zhì)量。

（3）支護結(jié)構(gòu)要求高：由于地質(zhì)條件復(fù)雜和地下水的影響，隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工難度加大。支護結(jié)構(gòu)需要具備足夠的承載力和穩(wěn)定性，以應(yīng)對各種不利因素。

2 喀斯特地貌區(qū)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 項目概況

某高速公路項目隧道隧址區(qū)為川東南喀斯特地貌區(qū)，隧道斷面大（最大斷面209.24 m2），跨度大（最大跨度20.67 m），地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶溶洞發(fā)育，地下水會在可溶巖段涌出，單點涌水量較大，易于產(chǎn)生高壓集中涌、突水災(zāi)害，涌突水風險高，隧址區(qū)總體上隧址區(qū)巖體屬軟巖，薄層～中厚層狀構(gòu)造，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈較破碎～較完整狀，洞內(nèi)拱頂易出現(xiàn)垮塌、掉塊等現(xiàn)象，側(cè)壁常發(fā)生小坍塌。

2.2 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖圍巖變形機制與變形規(guī)律分析

（1）查閱相關(guān)資料，從地質(zhì)條件出發(fā)對隧道產(chǎn)生變形的原因進行分析以及彈塑性好和黏性變形分析。

（2）利用數(shù)值模擬軟件建模研究，采用軸對稱圓形隧道圍巖力學(xué)分析。

（3）試驗分析原理具體如下：

基本假設(shè)：圍巖性質(zhì)：均質(zhì)、各向同性、線彈性，無蠕變或黏性；原巖應(yīng)力：各向等壓狀態(tài)；隧道特性：圓形斷面，無限長隧道中圍巖性質(zhì)一致。

1）基本方程

①平衡方程：

（1）

②幾何方程：

（2）

③本構(gòu)方程：

（3）

式中，σθ——切向應(yīng)力；σr——徑向應(yīng)力；εθ——切向應(yīng)變； ε r——徑向應(yīng)變；u——徑向位移；r——半徑；E——彈性模量；μ——泊松比。

上述方程中共有5個未知數(shù)，有5個方程，可解。

2）邊界條件

r=R0，σr=0（不支護）；r→∞，σr=P0，式中P0為原巖應(yīng)力。

3）求解

聯(lián)立方程組得通解

由邊界條件可以確定積分常數(shù)A、B為

從式中可以看出，影響隧道變形的主要因素包括原巖應(yīng)力、隧道尺寸以及隧道圍巖性質(zhì)等。

2.3 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖隧道支護結(jié)構(gòu)與圍巖作用體系分析

隧道開挖計算分為三階段：初始狀態(tài)、開挖、支護[3]。

具體試驗流程及步驟如下所示：

（1）根據(jù)實際情況，選取有關(guān)圍巖物理力學(xué)參數(shù)。

根據(jù)之前試驗數(shù)據(jù)，選取圍巖的彈性模量E、泊松比μ、圍巖密度等參數(shù)。

（2）判斷隧道深淺埋，計算隧道周邊原始地應(yīng)力。

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，按照荷載等效高度判定隧道深淺埋分界。

式中，Hp——淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度（m）；q——深埋隧道垂直均布壓力（kN/m2）；γ——圍巖重度（kN/m3）。

當埋深H小于或等于等效荷載高度hq時，垂直壓力視為均布：q=γ·H。

式中，q——垂直均布壓力（kN/m2）；γ——隧道上覆圍巖重度（kN/m3）；H——隧道埋深（m）。

側(cè)向壓力e按均布考慮時，其值為：

式中，e——側(cè)向均布壓力（kN/m2）；Ht——隧道高度（m）；φc——圍巖計算摩擦角（°）。

（3）用ANSYS 2012進行建模前的參數(shù)設(shè)定。

選擇SOLID實體單元，定義單元類型為PLANE 82，采用分析方式為平面應(yīng)變模型PLAINSTRAIN，定義材料屬性輸入圍巖相關(guān)參數(shù)E、μ、密度等。

（4）建立模型和劃分網(wǎng)格

依照隧道輪廓線創(chuàng)建各個關(guān)鍵點，并依次連接，并通過布爾運算生成隧道模型，然后劃分網(wǎng)格，實現(xiàn)有限元劃分。

（5）施加荷載和約束

沿ΔX、ΔY、ΔZ方向施加約束，在周邊施加前面計算的地應(yīng)力荷載以及重力荷載，其余荷載根據(jù)前面3個階段分別加上。

（6）求解計算

選擇塑性分析類型對模型進行有限元分析求解。分別進行初始狀態(tài)、開挖階段、支護階段求解。

（7）對結(jié)果進行相關(guān)處理

控制單位類型后，繪制結(jié)構(gòu)變形圖以及應(yīng)力分布云圖。

（8）力學(xué)特性分析，確定圍巖塑性變形區(qū)半徑、界面的接觸壓力。

2.4 巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖變形控制技術(shù)分析

在K14+840.5～K14+777.5、K14+670～K14+589.4、K14+430～K14+502.4、ZK14+659.4～ZK14+587、ZK14+517～ZK14+444.6五個段落設(shè)置試驗段，以對既有的開挖方式進行改善，形成一種新的開挖方式，同時探究對巖溶區(qū)新的封口方式，支護鋼拱架剛性支護為剛彈性支護，結(jié)合鋼筋網(wǎng)、錨桿施作形成新型非對稱剛彈性支護，允許圍巖通過一定的變形釋放一定的圍巖應(yīng)力，避免拱架扭曲變形。

（1）針對巖溶發(fā)育區(qū)與節(jié)理裂隙發(fā)育薄層軟巖圍巖的特點，允許鋼拱架有一定的柔性形變，采用可伸縮式鋼拱架。工作流程如下：

1）工字鋼連接板由4個高強螺栓連接改成1個橡膠墊塊和1個限位鋼箱連接，橡膠墊塊尺寸為200 mm×150 mm×40 mm，限位鋼箱尺寸為250 mm×200 mm×100 mm。

2）限位鋼箱通過工字鋼的兩邊的定位錨桿焊接固定，緊貼巖壁安裝。

3）限位鋼箱安裝好后，下部工字鋼連接板裝入限位鋼箱內(nèi)，下部工字鋼外邊緣與鋼箱外壁焊接為固定端，后安裝上部工字鋼為活動端。

4）邊墻位置設(shè)置完成可伸縮式鋼拱架后，為單因素分析拱頂圍巖下沉量對拱架內(nèi)力影像，要求限制拱腳水平收斂，在拱腳位置設(shè)置臨時鋼架作為橫向支撐，確保單一變量，待分析完成后，對臨時拱架進行拆除。

（2）非對稱式錨桿支護試驗

進行不同錨桿布置形式、長度、數(shù)量、直徑的對比試驗研究，以期得到新型錨桿參數(shù)研究方案。施工工藝流程如下：

1）錨桿加工、除銹、涂油。

2）鉆孔：孔徑42～50 mm，孔深不小于桿體有效長度且不大于有效長度30 mm。

3）吹孔，用桿體藥卷送至孔底，然后插入錨桿桿體。

4）桿體插入完畢15 min后，安裝墊板、螺母、臨時固定桿體。錨桿拉拔力大于10 kN（一般藥包送入完畢后0.5 h）后，擰緊螺母。

藥卷錨桿試驗流程如下：

1）由開挖班人員進行錨桿孔鉆孔，鉆孔時，首先鉆拱圈頂孔，再逐次向下鉆孔。

2）由一人手持鑿巖機，一人扶鉆桿定位鉆桿起鉆點及調(diào)整鉆孔方向，待鉆孔鉆進10 cm左右時，扶鉆桿人不再繼續(xù)扶鉆桿，鉆孔時跳孔開鉆，即先鉆奇數(shù)孔，再鉆偶數(shù)孔。

3）成孔后立即用高壓風吹孔，吹孔完成后，支護班組立即用炮棍將完全潤濕的錨固劑送入孔內(nèi)，并裝滿孔眼。

4）將超前錨桿或系統(tǒng)錨桿打入孔內(nèi)。

5）打入孔底后立即安裝墊板及螺母，將墊板及螺母臨時固定，30 min后將墊板及螺母擰緊。

6）在鎖腳錨桿施工時，尤其要將鎖腳錨桿鉆孔方向斜向下，鎖腳錨桿與鋼拱架必須連接牢固。

（3）非對稱式雙層鋼筋網(wǎng)支護試驗

進行不同鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑、網(wǎng)格間距、鋪掛層數(shù)的對比試驗研究，探究試驗段內(nèi)新型鋼筋網(wǎng)試驗方案。根據(jù)設(shè)計要求，隧道V級初期支護鋼筋網(wǎng)采用Φ8/Φ10鋼筋，網(wǎng)格尺寸：Ⅴ級圍巖為Φ8/Φ10鋼筋15 cm×15 cm/20 cm×20 cm/25 cm×25 cm。

施工工藝流程為：鋼筋除銹→鋼筋網(wǎng)制作→鋼筋網(wǎng)成品存放→鋼筋網(wǎng)轉(zhuǎn)運→鋼筋網(wǎng)掛網(wǎng)→安裝質(zhì)量檢查。

試驗流程如下：

1）鋼筋網(wǎng)加工制作

制作鋼筋網(wǎng)片時，先用鋼筋調(diào)直機把鋼筋調(diào)直，再用鋼筋切割機將調(diào)直光圓鋼筋切為2.5 m橫筋及2 m豎筋，分類擺放整齊。將橫向鋼筋和縱向鋼筋按照間距擺放在鋼筋加工平臺上，逐點焊接縱橫筋交點。焊成間距15 cm×15 cm/20 cm×20 cm/25 cm×25 cm、長2.5 m、寬2 m的鋼筋網(wǎng)片，最后使用時將鋼筋網(wǎng)片整體運到洞內(nèi)牢固焊接在錨桿、鋼拱架上。

1）鋼筋網(wǎng)成品存放

鋼筋網(wǎng)片成品需妥善存放于指定場地，遠離加工區(qū)，避免潮濕環(huán)境，以預(yù)防銹蝕、污染及變形，確保其質(zhì)量與性能在存放和運輸過程中不受損害。

1）鋼筋網(wǎng)安裝

安裝鋼筋網(wǎng)片時，從上至下依次安裝，根據(jù)現(xiàn)場情況加密或采用雙層網(wǎng)片，并保證搭接長度，搭接鋼筋網(wǎng)片用扎絲簡易固定。鋼筋網(wǎng)應(yīng)隨受噴面起伏鋪設(shè)，與受噴面的最大間隙不宜大于30 mm。

（4）新型復(fù)合式濕噴技術(shù)研究試驗

試驗流程如下[4]：

1）安裝調(diào)試混凝土噴射機后，安裝10 mm篩孔的振動篩于料斗，防超粒徑骨料進入。噴射前，修整巖面，清除松動巖塊，鑿除欠挖部分，用噴射混凝土補平超挖處。用高壓水或風清掃巖面，確保無水潮解巖層。檢查噴射機工作正常后，進行噴射試驗，一切正常即可開始混凝土噴射工作。

2）在混凝土噴射送風前，需先開啟計量泵并確保噴嘴朝下，防止速凝劑進入輸送管，從而避免高壓混凝土拌和物堵塞速凝劑環(huán)噴射孔。送風后，應(yīng)將風壓控制在0.15～0.2 MPa范圍內(nèi)，風壓過低會導(dǎo)致粗骨料無法沖入砂漿層而脫落，風壓過高則會增加回彈量。

3）為確保噴射混凝土的厚度和質(zhì)量，分兩次完成：初噴和復(fù)噴。以濕噴為主，含水量大時采用潮噴?；炷猎诙赐獍韬驼局苽?，由混凝土輸送車運至噴射地點。

4）初噴在刷幫、找頂后進行，混凝土厚度控制在4～5 cm，迅速封閉圍巖。放炮后，人工在渣堆上實施噴護。

5）復(fù)噴在初噴混凝土層及加固圍巖保護下，完成立拱架、掛網(wǎng)、錨桿工序后進行，采用濕噴工藝，由噴射機械手施工，可減小回彈量、粉塵，降低環(huán)境污染。

6）噴射混凝土分段、分片、分層，自下而上，從無水或少水至有水或多水地段集中。多水處設(shè)導(dǎo)管排水。噴頭與受噴面垂直，距離1.5～2.0 m。

7）鋼架與巖面間隙用噴射混凝土充填密實，噴射順序自下而上對稱進行，先噴鋼架與圍巖間空隙，后噴鋼架間，確保鋼架被混凝土覆蓋，保護層不小于4 cm。

8）噴射前需對受噴面凹處進行找平處理，隨后將噴頭以螺旋形軌跡緩慢均勻移動，每圈重疊前圈的一半，繞圈直徑約為30 cm，以確保噴射出的混凝土層面平滑順直。

3 喀斯特地貌區(qū)隧道施工質(zhì)量控制措施

喀斯特地貌區(qū)隧道施工質(zhì)量控制措施包括以下幾個方面[5]：

（1）詳盡的地質(zhì)勘查與評估：施工前應(yīng)進行高精度、全方位的地質(zhì)勘查工作，利用先進的物探技術(shù)手段，準確揭示地層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育情況及地下水分布特征。

（2）動態(tài)優(yōu)化的設(shè)計與施工方案：針對喀斯特地貌區(qū)特有的軟弱破碎圍巖和地下水豐富等問題，采用動態(tài)設(shè)計方法，根據(jù)現(xiàn)場實際情況實時調(diào)整支護參數(shù)和開挖方案。

（3）嚴格細致的地下水管理：建立完善地下水監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測地下水位變化，預(yù)測可能出現(xiàn)的突涌水現(xiàn)象，并采取有效的疏排水、封堵或改道等措施進行處理。

（4）精細化的施工過程監(jiān)控與質(zhì)量檢測：利用現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)對隧道開挖、支護、襯砌施工等全過程的動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的質(zhì)量問題。

4 結(jié)語

該文圍繞喀斯特地貌區(qū)軟巖大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)進行了全面而深入的研究。通過科研攻關(guān)，成功構(gòu)建了一套喀斯特地貌區(qū)軟巖大斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)體系。在實際工程應(yīng)用中，此關(guān)鍵技術(shù)顯著提升了隧道施工安全性，有效地解決了軟巖大斷面隧道在喀斯特地貌區(qū)施工過程中的諸多難題。

鑒于喀斯特地貌的多樣性和復(fù)雜性，后續(xù)研究還需進一步完善與優(yōu)化相關(guān)技術(shù)，并積極開展更多實地應(yīng)用研究，以期更好地適應(yīng)各類復(fù)雜的喀斯特地質(zhì)條件。

參考文獻

[1]李新明，張春龍，桂磊.喀斯特地貌巖溶發(fā)育區(qū)隧道施工安全技術(shù)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2021（S2）：74-79.

[2]吳常燦.喀斯特地貌隧道串珠狀環(huán)向連續(xù)溶洞處理技術(shù)研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2019（4）：101-102.

[3]黎卓勤，余意，青志剛.喀斯特地貌條件下山區(qū)高速公路隧道施工方案優(yōu)化[J].公路，2018（11）：326-328.

[4]張志彬.喀斯特地貌山區(qū)隧道不良地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)[J].四川水泥，2017（6）：36.

[5]韋世明，李大超.喀斯特地貌山區(qū)隧道不良地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)探討[J].西部交通科技，2013（5）：56-59.

收稿日期：2024-02-23

作者簡介：張桂鑫（1990—），男，本科，工程師，從事高速公路施工管理工作。

通信作者：毛乙?。?990—），男，本科，工程師，從事公路、鐵路工程管理、成本控制相關(guān)工作。