大埋深特长山岭隧道技术挑战及对策

大埋深特长山岭隧道技术挑战及对策

郭冰

中铁隧道股份有限公司河南郑州450001

摘要：由于大埋深特长山岭隧道的建设面临各种技术挑战，如在地质勘察、建设工期、特殊地质（高地应力、高地温、高压水）、运营防灾以及未来社会发展等方面都对隧道工程提出了新要求。

关键词：大埋深隧道；特长隧道；山岭隧道；技术挑战；对策

特长高速隧道施工质量要求以及安全要求较高，部分区域地质情况复杂，会为隧道施工带来更多的困难，必须要严格按照高铁隧道施工标准进行，确保所有的施工技术都符合工程质量标准，从而保证整个铁路隧道的施工安全。

一、技术挑战

从大埋深特长山岭隧道工程本身来看，主要面临特长隧道引起的技术挑战、大埋深引起的技术挑战、山岭隧道引起的技术挑战以及未来社会发展对隧道工程提出的新要求。

1.特长隧道技术挑战。特长隧道工程投资巨大，如何降低工程建设成本或提高工程效益十分重要。目前解决施工工期长的问题主要靠多设辅助坑道的方式增加工作面，通过长隧短打来加快施工进度，但带来工程投资增大和环境影响等问题。随着国家环保力度的加大，未来特长隧道的修建将很难通过大量采用辅助导坑方式来加快施工进度，主要还应通过隧道机械化施工来解决快速施工问题。

2.大埋深隧道技术挑战。大埋深隧道面临诸多技术挑战，如无人区无法进行地面勘察，大埋深物探精度不满足要求，而深孔钻探成本又高等勘察问题以及与大埋深相关的高地应力、高地温、高压水的“三高”问题。这些问题给工程建设带来了巨大挑战。

3.山岭隧道技术挑战。大埋深特长山岭隧道的主要挑战是地下水保护和施工弃碴的利用和处理问题。由于埋深大，地下水位可能很高，如何保护地下水是一个技术难题。如果采用全堵方案，需要解决高压注浆技术难题以调动围岩承受水压的能力；采用堵、排结合的方案，则需要很好利用排出的地下水。另外，山岭隧道施工弃碴的利用和处理十分重要，需要尽量减少对环境的影响。

5.新要求挑战技术。超长隧道施工工期较长，加上围岩比较破碎，受到现场施工环境的限制，很容易出现各种突发事故，影响隧道施工的质量，因此现场施工过程中必须要加强施工技术控制工作。超前地质预报技术在高铁超长隧道施工中十分有必要，可以明显的预防隧道施工中各种突发性地质灾害，规避施工风险。超前地质预报主要有长期超前地质预报、短期超前地质预报、中期超前地质预报以及临兆预报四种技术手段。隧道超前地质预报需要根据隧道施工具体的地质情况等进行选择。

6.软弱围岩浅埋段挑战。为了确保工程的安全，需要采用钢管桩灌注施工方法对地表进行注浆加固。软弱地层隧道施工采用大拱脚预留核心土台法进行。施工过程中首先将隧道挖进过程分为三个阶段以及仰拱四个层面。由于隧道周围地质情况比较差，泥沙及岩层具有一定膨胀性，遇水容易软化崩解，可能会引起塌方，危害施工安全，因此软弱围岩施工时，需要根据地质监测结果控制好挖进距离。软岩隧道施工时，根据特长隧道的空间特长，可以同时进行多层次的作业，缩短工期的同时针对各阶段的不同地质情况，降低隧道围岩波动。隧道地质情况比较复杂时，可以进行分层处理，分层作业时，首先进行上导挖进，及时安装临时横撑装置，保证隧道稳定性，下导挖进时将横撑装置卸除。

二、应对措施及技术发展方向

1.勘察对策——通过技术创新提高隧道勘察的准确性和有效性。面对大埋深隧道无人区无法进行地面勘察、埋深大勘察精度难以保证以及埋深大钻探成本高等问题，建议在进一步提高地面物探精度的基础上，研究采用航空物探技术来解决无人区的勘察问题，研究采用水平定向钻加孔中物探技术来提高勘察效率，提高大埋深隧道勘察的准确性和有效性。（1）航空物探。航空物探，是指利用航空器携带的专门探测仪器和设备，从空中测量地球各种物理场（如磁场、重力场、导电性等）的变化，以进行地质构造勘察的飞行作业。与地面物探比较，它具有许多优点：①能克服不利的地理、地形以及气候条件的限制；②速度快，效率高，使用劳力少，能在短期内取得大面积的探测资料。（2）水平定向钻（HDD）加孔中物探技术目前常用的竖向钻孔得到的结果常常是“一孔之见”。特别是大埋深隧道工程，竖向钻孔作业成本很高，而且对于判断隧道位置的地质情况作用有限。因此，建议研究采用在隧道轴线位置的水平定向钻和孔中物探相结合的技术来勘察隧道轴线的地质。（3）进一步提高大埋深隧道地面物探的准确性目前地面物探技术应用较多，今后应向多参数、多功能、多学科综合发展，不仅可以探测电阻率、磁化率、激化率、密度、纵波速度，还可以利用横波速度、振幅的衰减程度、频谱的变化等各种能反映地质体物理性质变化的参数，进一步提高勘探精度。因此，利用多参数进行综合分析，将是今后隧道工程物探技术发展的主要方向。

2.设计对策——设计理念和技术创新。（1）设计理念在设计理念方面，首先是从单一功能到多功能设计理念的转变。特长隧道建设投资巨大，今后需要更新单一功能的设计理念，赋予隧道更多的功能，提高项目的经济效益。（2）隧道支护理论。首先是现有隧道支护理论及设计方法的深化研究，在确保隧道安全的同时，降低造价。我国目前硬岩隧道支护理论及设计方法尚不完善，尤其在锚喷单层衬砌技术应用上，还缺乏完善的设计、施工规范和工程质量验收标准。实际上，有许多硬岩隧道其整体稳定性并不存在问题，只是局部发育节理，采用锚杆和喷混凝土措施就能很好解决问题，但往往过度设计，造成不必要的浪费。其次，隧道支护新材料的研究也十分重要，通过采用更高效的支护材料，让施工更简单、更快捷，隧道支护也更耐久。（3）高地应力、高压水、高地温大埋深隧道容易遇到这“三高”问题。虽然在这类条件下建成了不少隧道，积累了一定的经验，但大多数隧道施工并不顺利。问题的关键不是在这类条件下隧道是否建成，而是我们的设计和施工方法是否是最恰当的，建成的代价是否过高。

3.山岭隧道BIM技术分析。作为BIM中的一类，三维地质信息模型可搭载不同地貌的地形、地质信息，并能通过可视化功能。相比于传统的地质素描或文字描述，三维地质信息模型对工程地质信息有更强的表达和存储能力，尤其适用于受工程地质环境影响较大的工程建设领域。山岭隧道作为穿山越岭的通道，工程地质复杂，可能遭遇断层、岩溶、滑坡等不良地质情况。采用三维地质信息模型作为山岭隧道BIM应用的信息模型，符合以围岩为BIM应用重心的思路，是明

智选择。将三维地质信息模型的建模和应用与山岭隧道的建设过程联系起来：通过隧道勘察阶段所获得的地形、地质资料，采用相应的BIM建模软件，建立初步的三维地质信息模型；依据三维地质信息模型所提供的地质资料，设计方开展隧道设计工作；施工方依据设计图纸和三维地质信息模型进行隧道施工，并根据洞内围岩出露情况，对三维地质信息模型进行动态更新；隧道施工完成后，生成最终的三维地质信息模型并存档，作为隧道运维阶段地质资料查询的数据库，

在探索山岭隧道BIM技术路线时，充分考虑了山岭隧道地质条件复杂的情况，并推荐选用对地质信息有较强存储和表达能力的三维地质信息模型作为BIM技术路线的核心。隧道工程是其中非常重要的构成部分，由于受到地质条件的限制，常常在施工时遇到特殊的地质条件，这便需要施工单位根据具体情况来选择相应的施工方法。

参考文献：

[1]袁晓熙.地球物理勘查技术与应用研究[J].地质学报，2017，11（11）：1744-1805.

[2]丁锋佳.岩石隧道激光开挖技术和面临的挑战[J].建筑机械化，2017，（4）：42-45.

[3]李米.一种用于隧道断面脆性硬岩的激光破岩原理探讨[J].自然科学版），2017，3（6）：55-58.