综述地质分析在隧道施工中的重要性

摘 要：根据我国的国情需求大力发展西部地区的经济繁荣，而交通的运输极其不便制约了城市的发展，因此，开展隧道是一条必经之路。隧道施工中的地质工作既复杂又非常重要,做好隧道施工长短期超前地质预报、隧道围岩类别准确判别、重大地质灾害监测及判断,提出与地质条件匹配的隧道施工方法,是保证隧道施工安全、隧道施工质量及隧道施工快速修建的关键因素之一。

关键词：隧道;地质灾害;结构;技术

1 隧道施工中的地质工作现状

1.1国外隧道施工地质工作现状

目前，在瑞士、日本等发达国家在隧道修建过程中,隧道施工地质工作都是非常重要的、不可缺少的工序,重视隧道施工地质工作已成为管理部门和广大工程技术人员的共识。有些施工单位配备有专门从事隧道施工的地质工程技术人员,有些则由业主提供施工地质队伍,并拨出专款开展这项工作。在施工过程中,还要求做好超前地质预报和围岩量测工作。这是因为隧道施工地质工作和高水平的隧道施工地质技术能极大地减少塌方、突水、突泥等地质灾害,保证施工顺利进行,又能大大地降低成本。

1.2国内隧道施工地质工作现状

国内除水电行业某些施工单位外,绝大多数施工单位没有自己的地质队伍,设计院驻点的地质人员也不承担具体的施工地质工作。由于勘察设计精度的限制或其他各种原因,在隧道掘进过程中发现大量不良地质体及与设计不符的围岩类别。然而,由于没有施工的地质工作工序,大多施工单位只得处于盲目施工状态。在个别长大隧道施工过程中,设计院可能会派驻少量人员,但也大多不从事具体的施工地质工作,绝大多数隧道的施工地质技术工作几乎等于零。总体说,我国隧道施工中地质工作十分薄弱,尚没有真正起步,从上到下也没有对其给予足够的重视。具体施工中会出现一些盲目施工,"靠侥幸"施工和"地质科盲"施工现象。

2　隧道施工的地质灾害及原因

2.1隧道施工的地质灾害

我国是一个多山国家,铁路线路大多要通过山区,隧道多而复杂。以南(宁)昆(明)线为例,有隧道250座,总长190km,隧道长度几乎占全线的1/4。而且隧道工程地质条件复杂,工作难度大。在勘测设计阶段,虽对隧道的地质问题作了大量的勘测工作,有一定的认识,但限于时间、机具、勘测点布置等因素的影响及地质条件本身的复杂性,往往对线路条件认识不全面或有一定的局限性。因而,在施工中常常会有意想不到的地质灾害发生。据不完全统计,我国在20世纪 90年代前已建成的隧道中有80%曾遇到突水灾害,有31座隧道突水量大于1×104t/d,并引发了坑道失稳、涌沙涌泥、地表坍陷、地表水枯竭等一系列地质灾害。成昆铁路的427座隧道中84%发生过坍方,有的隧道甚至发生瓦斯爆炸等等。在隧道工程中,由于地质问题而引发的地质灾害及其产生原因,主要有以下几方面:

2.1.1岩体结构

岩体结构是指岩体的结构面和结构体。隧道的稳定性取决于结构面的空间展布与组合、结构体的形状。结构面包括各种不连续面、软弱面,如断层面、层理、节理面等。这些构造的存在及其对岩体的切割形态的组合,对围岩稳定性影响极大。

2.1.2地下水

隧道施工中,当切穿地下水通道时,将产生大量涌水。如大瑶山隧道在施工中曾造成大量涌水,使山上的鱼塘干枯;成昆线隧道施工中多处涌水,损失惨重;沙通线桃山隧道为片麻岩地层,受构造影响,山顶原有供居民饮用的泉水枯竭。

2.1.3围岩应力状态

由于开挖隧道,破坏了岩体原有的平衡状态,使围岩应力状态发生变化,洞室周边具有最不利的应力条件,导致周边围岩破坏而向里扩展,促使围岩变形失稳而引起隧道坍方。在高地应力区开挖隧道,往往可引发岩爆。研究隧道开挖后围岩的应力问题,对评价围岩稳定性具有十分重要的意义。

2.1.4其他

隧道开挖遇到煤层时,往往会引起瓦斯爆炸等灾害。

2.2隧道施工中地质灾害主要原因

施工实践证明,由于设计阶段的精度所限或其它原因,除个别长大隧道设计精度稍高外,其余90%以上的隧道设计与实际地质不符或严重不符。在施工中没有地质技术人员的参与、没有施工中地质工作这道工序严格把关、具体施工人员又不懂地质的情况下,只得盲目施工,因而塌方、突水突泥等地质灾害时有发生。我国隧道施工与国外相比,除施工质量以外,最大的差距就是塌方比例过大,次数过频。从施工地质的角度看,如果超前预报和不良地质的鉴别准确,施工支护和施工工艺得当,隧道施工塌方是完全可以避免的。

3 隧道施工地质工作的主要内容

隧道施工中地质工作的主要内容有:

(1)超前地质预报,即超前预报工作面前方地质状况,特别是不良地质的位置和规模;

(2)隧道围岩类型的准确鉴别并提出与之相匹配的支护方案;

(3)对造成塌方等重大地质灾害的不良地质现象(地质体)的准确辨认、塌方可能性的准确判断并提出防治对策;

(4)依据围岩地质条件提出与之相匹配的施工方法和施工工艺[1]、[2]。

3.1超前地质预报

超前地质预报是隧道施工地质工作的首要任务之一。依据预报的距离,又分为长期(长距离)超前地质预报和短期(短距离)超前地质预报两类。

长期(长距离)超前地质预报的任务主要是较准确的查明工作面前方250～300m范围内规模较大、严重影响隧道施工(造成塌方等地质灾害)的不良地质体的性质、位置、规模及含水性;按照不良地质体的理论特征、断层影响带的理论特征,结合预测段内出露的岩石及涌水量进行理论分析,初步预测围岩类别。它的目的是为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓,使施工决策人对不良地质和围岩类别的变化作好思想准备,做到心里有数,防患于未然。

短期(短距离)超前地质预报,又称为追踪预报。预报距离一般在20～30m,它的任务是依据导洞工作面的特征,通过观测、鉴别和分析,并结合长期超前预报成果,推断工作面前方20～30m范围内可能出现的地层、岩性情况,推断掌子面实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况;通过对掌子面涌水量的观测,结合岩性、构造特征,推断工作面前方20～30m范围内可能的地下水涌出情况;并在上述推断基础上、预测工作面前方20～30m范围内的隧道围岩类别,提出正确的超前支护建议,并对施工支护提出初步建议。

3.2鉴定围岩类别,提出支护方案

伴随隧道掘进,通过导洞中围岩工程地质特征、围岩结构及完整状态、地下水和地应力情况,以及导洞初步开挖后的稳定状态等资料的观测整理综合分析,依据隧道围岩类别的划分标准,准确判定围岩类别。其目的是在原设计的基础上,进一步准确判定观测段的围岩类别,提出相匹配的施工支护方案。

3.3地质灾害监测、判断与防治

是隧道施工地质工作最重要的、最艰巨的任务。在隧道施工中,塌方、突泥突水、煤与瓦斯突出等等地质灾害的发生,都与施工中有没有成熟的施工地质人员参与、施工地质这道工序是否缺失有关。如果有成熟的施工地质技术人员对隧道(特别是各类导洞)开挖中出现的各种不良地质现象(地质体)给以准确的识别,对不良地质体的规模、涉及隧道的长度及对应的围岩类别给予准确的判定,在对隧道所属地区地应力状态有一定了解的基础上,能提出与之相匹配的施工支护方案,或在对地质灾害有效监测的基础上提出有效的防治措施,而且这些支护方案、防治措施为施工决策人不打折扣的采纳,则各类地质灾害是可以避免或消除的,至少可以极大减少的。

3.4隧道施工方法、技术建议

在隧道开挖的过程中,采取的施工方法和运用的施工技术均与开挖段的地质条件密不可分。所以,隧道施工中地质工作另一任务是以设计为基础,再依据开挖段的具体地质条件,对施工方法和可能运用的施工技术提出建议,供施工决策人参考。目标是从地质条件的角度出发,结合施工机械化水平 隧道断面大小等因素,为准确的施工决策当好参谋。例如开挖方法:对于坚硬、呈大块状、巨块状完整状态的V、VI类围岩来说,在机械化程度高、具有大型机具条件下,可采用一次全断面开挖法;对于坚硬、砌体状结构的IV～V类围岩,可采用下导洞先行的分部开挖法施工;而对于较松软破碎的、地下水又较发育的Ⅱ～Ⅲ类围岩,则可采用短台阶上导洞先行的分部开挖法,而且要随挖随支护;对于那些极松软破碎、地下水又很发育的I～Ⅱ类围岩,则应采取特殊的开挖方法,如侧壁导坑开挖法、中隔壁法、品字型开挖法、中导洞法、三导洞法、环型开挖法等。

总之,具体施工方法应由施工决策人决定,具体施工技术应由具体施工人员依据自己技术和经验来确定。但是,由于施工方法和施工技术与围岩具体地质条件密切相关,而洞内地质条件又是千变万化的,在这种情况下,对围岩地质条件了解多、又内行的施工地质技术人员,为施工决策人和具体施工人员当好参谋,提出良好建议。

4 结论

近年来,随着我国西部大开发战略的深入开展,在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、道路交通网密度远低于全国平均水平的西部地区,在铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会修建更多的长大隧道工程。纵观隧道的修建历史,地质条件是制约隧道修建的主要因素之一。

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