隧道施工突出问题的发展及现状综述

部分隧道施工突出问题的发展及现状综述

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摘要：我国地域辽阔，地质情况复杂而多变，而岩土工程界的发展总是建立在工程难题逐渐攻克之上的，这样，我国的地质情况多样性和复杂性也就促进了我国岩土工程技术的发展。本文就隧道测量定位技术，部分特殊地质土下的隧道施工技术，隧道超前地质预报技术的发展过程及现状在参考大量相应论文文献的基础上进行了系统的分析和总结，特别是特殊地质土隧道工程问题处理方法的总结可以为相类似工程提供借鉴。

关键词：测量定位；特殊土；岩溶区；膨胀土；冻土；超前地质预报

中图分类号：U45文献标识码：A

Some outstanding problemsof tunnel construction’s development and the present situation

FENG Zhi qiang1

(1.School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science and Technology，Changsha

410114)

Abstract:China's region is very wide, the geological condition is complex and changeable, while the development of geotechnical engineering is based on the engineering problem gradually overcome, in this way, diversity and complexity of the geological condition in our country will promote the development of geotechnical engineering technology. I have maken ananalysis and summaryon the basis ofreferencing to the vast articals for the tunnel measurementsof positioning technology, tunnel construction technology with some special geological soil and tunnel geological forecast,especially the special tunnel engineering geological soil treatment method’s conclusions can provide references for similar projects.

Key words:measurement positioning;special soil;karst area;expansive soil; frozen earth;fore geological forecast.

1引言

随着全球经济的发展，世界交通网建设也发生着日新月异的变化。对于我国来讲，无论是从交通基础设施多样性还是从交通网络规模化上来讲，我国的公路、桥梁、隧道都有了长足的进步，并在相关领域上已走在世界的前列，特别是隧道工程[1,2]。如获得了高速公路隧道建设史上六项“之最”的秦岭终南山隧道[3]。除此之外，秦岭终南山隧道作为我国一个里程碑式的隧道建筑，在对其关键技术的研究中，我国土木工程学者，在我国核心期刊上发表了高质量论文62篇，以及专著书籍两本，对我国公路隧道的发展做出了重大意义[4]。同时，秦岭终南山隧道采用“蓝天白云”的特殊灯光设计，这不但在隧道建设领域和照明界都属于首创，更是进一步体现了人文和谐的思想[5]。而适应时代的潮流，缓解城市的交通压力，城市地铁隧道同样在我国的各大城市如雨后竹笋

纷纷发展起来[6]。因此，各类地下工程高速发展的现实挑战，相关工程技术难题的有待克服，岩土体本构关系等理论的进一步优化研究，预测结果误差率和随机性较大的本质原因，是新世纪给予岩土工作者时代任务[7,8]。虽然，岩土工程中还有很多的技术难题有待我们来解决，但近年来，岩土工作者在建设地下工程的过程中，在相关技术领域内亦有了长足的进步。

2隧道工程的测量定位

隧道测量定位的精确程度直接关系到隧道工程的贯通误差，是隧道工程修建的一个重要研究课题。长期以来，众多岩土工作者在这一领域做出了突出贡献。

1956年，李俨概述了隧道定位的重要性，以及介绍了当时隧道定位的常用方法，如：地下曲线测量常用方法、井坑（直井）测量方法、隧道内的水准测量、隧道断面测量，奠定了我国隧道测量定位的基础[9]。1972年，毛智甲用公式论证了如何控制所量导线边长和量边相对中误差是提高隧道贯通精度的办法之一，并在实际工作中仅用测角精度为m?=3”.3时的J2 光学经纬仪，利用提高量边的精度满足了贯通精度要求[10]。1985年，虞定麒采用贯通点相对误差椭圆预计隧道横向贯通误差的方法，打破了在这之前人们只是重视地面控制网测量误差的影响，而忽视地下控制网测量误差的影响这一工程现状，大大提高了隧道工程的贯通精度[11]。1989年，长岛敏正，孙志宏在海底隧道的实际工程中，探究了光的折射，掘进时巷道产生的变形对隧道测量定位的影响并提出了修正公式[12]。1995年，张项铎结合GPS控制网的布测特点，探讨了其在高程测量、坐标转换网形设计、技术方案等有关工程问题，通过实验验证了采用GPS技术布测隧道控制网其相对精度可达到1~2*10^-6，并在文章中提出了如何削弱高程分量误差的方法[13]。1998年，冯仲科与其工作团队开发出了全站仪三维导线测量定位系统，即在引进全站仪的基础上，以E500控制自动采集全站仪独立三元观测值(H,V,D)，并自动转化为三维坐标系统，大大提高了测量工作的效率[14]。2002年，初东，田永瑞，田茂杰根据

GPS直伸型隧道布网的特点，作者推导出了GPS直伸型隧道控制网纵、横向贯通误差的标准偏差与相关的计算公式，并对GPS直伸型隧道控制网内、外可靠性标准进行了研究，给出了GPS内、外可靠性相应连接的公式，为GPS直伸型隧道测量最优化设计的贯通精度和可靠性标准提供了相关依据[15]。2007年，唐争气，赵俊三，彭国新结合隧道盾构机姿态自动测量法，根据安装在盾构机机体上纵、横两个精密测倾仪, 实时采集盾构机的俯仰角、滚动角, 来确定盾构机的实时空间位置和水平方向的偏航角的方法，根据3个欧拉角描述姿态测量的原理推导出其姿态计算方法, 并给出姿态计算的程序实现流程，事工程师们能够更加迅速精确的了解盾构机位置，以及姿态情况[16]。2014年，邹进贵，童魁，朱勇超利用全球卫星定位系统建立高等级控制网，进而获得准确的控制点坐标，进一步提高了导线定向边的精度[17]。

3部分特殊土区隧道施工方法

3.1岩溶区隧道施工

我国岩溶区分布广泛，且岩溶区地质条件多变而复杂，给隧道施工造成了很大的困难，因此在岩溶区进行隧道施工时，除应重视“规避风险”四字诀外，还应重视“超前地质预报原则、分类管理原则、二衬紧跟原则、信息化施工原则”这一隧道突水防治五大基本原则，同时由于在山岭隧道中多采用爆破施工，而爆破震动所产生的裂隙可能会造成隧道与岩溶导通，进而导致涌泥突水，因此在采用爆破开挖隧道时更应注意超前地质预报的作用[18-20]。

谭毓浚以典型的石灰溶岩发育区南岭隧道生潮垄地段为工程背景，叙述了管棚法的施工工序，并在隧道开挖的过程中综合分析了管棚法施工的优缺点，同时在京广线石灰岩溶路基坍陷加固整治过程中，采用注浆加固的方法对石灰岩路基坍陷危害进行了有效的加固治理，并在相关文献中详细叙述

了注浆加固法的施工步骤以及技术参数，同时分析了注浆加固法的改良趋势[21,22]。1990年，谭毓浚，陈晓春南岭隧道大突水突泥记实与整治方案记录了南岭隧道大突水突泥，发生断河与地陷事故整治的整个过程，为今后的隧道突水突泥灾害提供了宝贵的资料，并用实践论证了由于浅埋岩溶隧道的地质复杂的复杂性，采用常规的以排为主的隧道施工方法可能会危及隧道及基底结构稳定[23]。2014年，康勇，杨春，张朋引用自然致灾因子与外部致灾因子的概念，来叙述影响浅埋岩溶隧道的灾害因素。并总结出隧道施工揭穿溶洞连通地表水是导致塌方规模扩大的根本原因[24]。2014年，郑小战，郭宇，戴建玲，李晶晶，陈小月广州市典型岩溶塌陷区岩溶发育及影响因素通过对广州市内的夏茅、金沙洲和大坦沙3个典型重大岩溶塌陷区的地质情况进行实际分析，得出了断裂构造控制着岩溶发育的方向，断裂切割使岩石破碎，增加地下水与可溶岩的接触面积，同时地下水的作用是岩溶发育的主导因素，影响着岩溶发育的规模和大小，在水动力条件较好的地段，岩溶相对发育的结论，为对岩溶发展的本质研究做出了贡献[25]。3.2冻土区隧道施工

我国地域辽阔，因此我国的地质情况也有多样性。在我国，季节性冻土区域占我国总面积的一半以上，多年冻土区域占我国总面积的1/5左右，而由于冻胀、融沉和冻融的循环作用必将使冻土与普通土体有不一样的力学性质，所以人们应将在冻土区施做岩土工程与非冻土区施做岩土工程区分开来进行考虑，无论是从施工工艺上来说，还是从辅助设备施工上来看都应充分考虑冻土区岩土工程的独有特性[26-29]。

在05年之前，我国尚未有高原冻土隧道围岩温度场变化规律的理论指导，江亦元运用微分方程对冻土隧道围岩温度场进行了数学上的理论研究，结合实测温度数据进行分析处理，对高原冻土隧道围岩温度场变化规律有了一定的了解，而这也就为“尽量减少施工对冻土围岩的扰动”这一施工理念提供了理论支持[30]。在我国，对冻土区隧道的研究中得到的突出问题为“冻融循环导致结构破坏导致渗漏水进一步导致冻融循环的扩大”这一冻坏环。因此，在冻土区如何进一步提高隧道结构物的抗裂性，如何使防排水措施更加有效，如何更好的实现隧道的保温将是冻土区隧道技术研究的重点方向[31]。长期以来，在提高混凝土抗裂方面，研究者对MgO技术进行了相关研究，也证明除了外掺MgO膨胀材料是最理想、最根本的温控防裂新措施，而这也为隧道结构物抗裂提供了借鉴[32]；其次，在冻土区隧道防排水技术中，乐晟，杨春勃，杨艳玲以拉法山隧道为工程背景，创新的采用了挂设聚氨酯保温层的施工方法，在隧道的仰拱纵向刚边止水带等部位采用了特制的定型钢模板施工，有效地解决了隧道防排水系统施工的质量通病[33]；再者，由于冻土的承载能力相应非冻土有明显的提高，所以，冻土的保温技术一直作为冻土区隧道的重点研究问题，基于此，范东方，夏才初，韩常领对不同类型冻土中隧道隔热保温层铺设方法进行了一定的研究[34]。当然，冻土区隧道的施工工艺是方法，而冻土的应力应变关系是理论[35-37]，虽然冻土区隧道施工有一定的工程技术性难度，但是冻土的相关特性亦有很好的利用价值，因此，在未来的研究中应充分考虑两者的平衡，以求建设出更好的地下工程。3.3膨胀土区隧道施工

膨胀土在我国的分布范围相当广泛，像云南、四川、广西、广东、湖南等其他20多个省份均有大量分布，其在我国总面积达到10万Km2以上。由于膨胀土的多裂隙性，以及收缩特性，致使在膨胀土区域修建隧道工程时无论是从隧道主体的修建还是从隧道支护上来说都有很大的特殊性[38,39]。多年来，人们通过对膨胀土的化学成分、物质组成、微观结构、物理学性质、强度特性、工程病害成因的分析，总结出了大量膨胀土应变特性以及工程病害的处治方案，并在实际工作中取得了令人满意的效果[40-43]。同时膨胀土的变形预测亦取得了很好的成绩[44-46]。总结来看，在膨胀土区修建隧道工程时，应注意以下几大要点[47]：

（1）由于膨胀土的雨水膨胀和失水收缩特性，因此在地下水丰富，渗透较好的环境下，应尤为重视隧道的检测预警作用；

（2）在膨胀土区进行洞身开挖时应预留3~4m以上的核心土，以此来避免因为膨胀土开挖面应力释放而导致预留核心土向外坍塌，造成工程事故；

（3）各个隧道施工工序应经量紧凑有序的进行，避免膨胀土暴露时间过长。特别是对于隧道仰拱的施工，要竟可能早的施做仰拱，以使隧道尽早的形成环向受力；

（4）应注意膨胀土区的隧道地表开裂现象，及时回填开裂的地表，防止水流下渗，同时还应加强隧道地表排水措施；

（5）因为膨胀土的水稳性较差，因此对于锚杆的施工尤为重要，所以当导坑开挖后应及时的进行锚杆的施工，以避免隧道围岩有较大的变形。

在膨胀土区修筑隧道施工时，仰拱的施工与围岩的不稳定变形是重中之重。陈鸿，汪大新[48]结合团山子隧道膨胀土地段的仰拱施工证明了锚杆对于膨胀土区仰拱施工的重要作用，并叙述了在其实际施工时的相应工序，对于与同类工程来说有一定的借鉴作用。同时，对于膨胀土区隧道仰拱经常出现的隧道底鼓工程灾害，汪洋，唐雄俊等[49]，参考漫高速公路云岭隧道建设总结出了隧道底鼓的发展过程，以及隧道底鼓的表达式，为膨胀区隧道优化支护体系提供了理论依据。在膨胀区围岩变形方面，曾仲毅，徐帮树等人推导出热传导膨胀模拟增湿膨胀的替代方程，并运用有限差分软件对不同膨胀力模型的增湿过程进行仿真模拟，得出了关键含水率和膨胀力值[50]。在膨胀围岩变形理论的基础之上，高学华[51]详细叙述了膨胀区隧道围岩支护方案，施工方法以及在施工过程中需要注意的问题，对同类工程具有借鉴作用。

4 超前地质预报

在当今工程界，山岭长大隧道，城市地下轨道工程，跨海隧道等高难度地下工程正在突飞猛进的发展建设中，其对工程地质勘查的要求也将越来越高[52,53]。在实际工作中，掌子面前方的地质情况不明，人们无法判断出是否为岩层破碎带，是否为岩溶发育带，是否为高地应力带等不良地质，在不明朗的情况下进行隧道的开挖难免会造成隧道的突水突泥，坍塌等地质灾害因此，隧道工程超前地质预报既有实用价值，也是迫在眉睫[54]。时至今日，在我国的山岭隧道修建中已经逐步形成了定量化探测思想和综合超前预报技术，然而TBM施工隧道的超前地质预报技术尚无法满足工程的需要，同样的适应城市轨道的发展，TBM施工隧道的超前地质预报技术也是超前地质预报发展的重要方向[55]。

每一项工程技术都是伴随着工程的需要而逐渐发展起来，都是为适应现有工程的要求而逐渐完善的。在初期，我国多采用地质分析与物探相结合的方法来进行超前地质预报，随后由于弹射波反射法的优点而逐渐为工程界所接受[56]。在波反射法中目前常用的为地质雷达和TSP隧道地震波法，其中TSP隧道地震波法较地质雷达法有预测范围长等其他优点，值得工程界对其进行进一步的优化[57,58]。为提高超前地质预报的准确性，凌同华，张胜[59]等通过运用HHT分析法而提取出了各IMF分量的瞬时参数，对地质雷达的原始信号有了更加精确的解释。

5 结语

（1）通过参阅大量隧道测量定位问题的文献总结了隧道测量定位技术的发展及技术效果；

（2）对特殊地质土的物理状态进行了总结，以及对特殊体质土下的隧道施工方法、注意事项进行了总结和分析；

（3）对隧道超前地质预报技术的作用进行了分析和总结，以及对超前地质预报技术的发展现状进行了总结。

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