富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的应用

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的应用

朱晓丹

云南交投公路建设第五工程有限公司 云南省 昆明市650000

摘要：本文介绍了隧道固结开挖施工技术在富水软弱破碎岩层中的应用。该技术适应性强，质量稳定，适用范围广，可以提高施工效率和质量，同时减少施工风险。具体来说，该技术中采用预制支护结构、填充材料和涂布聚合物等材料，并配合排水系统和加固措施，从而确保隧道的结构和稳定性。此外，该技术还采用科学的施工工艺和操作流程，严格控制施工质量，从而提高施工效率和质量，并减少施工风险。

关键词：富水软弱破碎岩层；隧道固结开挖施工技术；施工效率和质量

引言

地下隧道工程作为交通、水利、能源等基础设施建设中的重要组成部分，在国民经济发展中发挥着至关重要的作用。而在地质条件较为复杂的地区，如软弱破碎岩层中的隧道工程建设，面临着诸多技术难题。本文旨在探讨以富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的应用，以期为类似情况下的隧道工程提供一定的参考和借鉴。

1 富水软弱破碎岩层隧道的特点和难点

1.1 富水软弱破碎岩层的定义和特点

富水软弱破碎岩层是指地层中含有大量水分，岩层的结构较弱，易破碎，同时存在较多的夹杂物、土石等杂质的一种地质条件。这种地质条件的岩层通常在隧道开挖、水电工程等工程中会遇到，给工程建设带来了很大的难度。

富水软弱破碎岩层的特点是岩石的强度较低、稳定性差，含水量高、渗透性大，易出现地下水涌泉、冒顶、坍塌等安全问题。此外，这种地层的岩石形态多样，夹杂杂质和土石等物质较多，开挖困难，施工风险大。因此，在富水软弱破碎岩层隧道的建设过程中，必须采用合适的支护措施和安全措施，确保隧道的安全性和稳定性。如图1所示，所述适用于富水湿陷性黄土隧道的固化结构。

注：1、竖向钻孔2、水平加固区3、水平钻孔4、混凝土层5、垫层6、桩孔7和减压孔

图2 富水湿陷性黄土隧道的固化结构

针对富水软弱破碎岩层的特点，施工方通常会采用多种措施，如钻孔注浆、锚杆支护、喷锚加固、网架支护、土钉墙加固等支护措施，以增强岩体的稳定性和承载能力。同时，加强隧道内的通风设备、消防设备等安全措施，严格遵守安全规范和操作规程，保障施工人员的安全[1]。

1.2 富水软弱破碎岩层隧道工程的难点

(1) 隧道围岩的不稳定性。富水软弱破碎岩层的物理性质不稳定，隧道围岩容易失稳、塌方，导致隧道工程安全问题。

(2) 施工过程中地层状况难以准确判定。由于富水软弱破碎岩层的复杂性和不稳定性，施工过程中地层状况难以准确把握，加大了隧道工程的施工风险。

(3) 工程施工周期长。由于富水软弱破碎岩层的不稳定性，工程施工周期长，增加了工程成本和施工难度。

(4) 地下水位高，导致施工困难。富水软弱破碎岩层中地下水位较高，且水体渗透性较强，容易引起隧道工程中的渗水问题，增加了隧道工程的施工难度和工程成本。

(5) 钻掘机械损耗严重。由于富水软弱破碎岩层的不稳定性和岩屑含量高，钻掘机械易损耗，增加了工程施工成本。
2 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术概述

2.1 固结开挖施工技术概述

固结开挖施工技术是在隧道施工中广泛采用的一种施工方法。其主要通过施加预制支护结构，如钢筋混凝土衬砌、钢拱架、预制混凝土梁等，对隧道围岩进行支撑，增加围岩的承载能力和稳定性。固结开挖施工技术相对于传统的钻爆法施工，具有施工周期短、质量稳定、安全性高等优点，被广泛应用于隧道工程中。

2.2 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的特点

(1) 适应性强。该技术可以根据岩层的特性，采取多种支护措施，如钻孔注浆、锚杆支护、喷锚加固、网架支护、土钉墙加固等，灵活应对不同的地质条件，适应性强。此外，该技术在施工过程中能够及时掌握岩层的情况，根据情况进行及时调整和改进，以提高施工效率和质量[2]。

(2) 施工周期短。采用该技术，在施工过程中可以利用机械化设备，实现隧道开挖和支护工作的同步进行，节省施工时间和人力成本。此外，该技术还可以减少岩石开挖量和排土量，减少对环境的影响，提高施工效率和质量。

(3) 高安全性。采用该技术，施工过程中可以对岩层进行充分的预处理，提前识别隧道围岩的稳定性，避免出现冒顶、坍塌等危险情况。同时，该技术还可以实现隧道内环境的监测，及时发现和解决安全问题，保证施工的安全性。

(4) 质量稳定。该技术在设计和施工过程中，通过对岩层的分析和探测，制定合理的施工方案和支护措施，确保隧道的稳定性和安全性。首先，该技术可以根据岩层的特性和环境因素，采用不同的支护措施。例如，对于较为稳定的岩层，可以采用锚杆支护或者喷锚加固等支护措施。而对于较为不稳定的岩层，可以采用钻孔注浆或者土钉墙加固等支护措施[3]。不同的支护措施可以有效地提高隧道的稳定性和安全性。其次，该技术在施工过程中可以进行实时的监测和调整。通过安装传感器和监测设备，可以及时掌握隧道施工过程中的变化情况，例如地压变化、变形量等，以便及时进行调整和改进。此外，该技术还可以通过岩体力学分析、支护结构设计等手段，制定合理的施工方案和支护方案，保证隧道的质量和稳定性。第三，该技术具有较高的施工效率和质量。在施工过程中，可以采用机械化设备和自动化控制技术，实现隧道开挖和支护工作的高效进行。此外，该技术还可以减少隧道开挖量和排土量，降低对环境的影响，提高施工效率和质量。

(5) 适用范围广。该技术不仅适用于富水软弱破碎岩层，而且还适用于其他类型的隧道施工。首先，该技术适用于地质条件复杂的隧道施工。在地质条件复杂的区域，岩层的稳定性往往难以保证。而该技术通过合理的施工方案和支护措施，可以提高隧道的稳定性和安全性，从而适用于地质条件复杂的隧道施工；其次，该技术适用于需要大量排水和防渗的隧道施工。在富水软弱破碎岩层中，水位较高，隧道开挖时需要大量排水和防渗处理。而该技术通过合理的支护措施和防渗措施，可以有效地控制隧道内的水位和水流，适用于需要大量排水和防渗的隧道施工；此外，该技术还适用于需要高效施工的隧道工程[4]。在该技术中，可以采用机械化设备和自动化控制技术，实现隧道开挖和支护工作的高效进行，提高施工效率和质量，适用于需要高效施工的隧道工程。

2.3 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的主要措施

(1) 预制支护结构。预制支护结构是富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术中一种重要的支护形式。该结构是在隧道施工前，通过工厂预制成型，然后在现场进行组装安装的。首先，预制支护结构可以提高支护质量和效率。预制支护结构采用工厂预制成型，通过质量管理体系的控制，可以提高支护结构的质量和可靠性，从而确保隧道施工的安全和稳定。此外，预制支护结构采用组装安装方式，可以快速安装，提高支护效率，缩短施工周期，降低施工成本。其次，预制支护结构可以适应多种隧道形状和支护需求[5]。预制支护结构可以根据不同隧道的形状和支护需求进行定制，适应不同的施工环境和工程要求。此外，预制支护结构还可以进行加固和改造，提高其适应性和稳定性。最后，预制支护结构可以有效地控制隧道变形和破坏。富水软弱破碎岩层隧道开挖时，地层变形和破坏是不可避免的，而预制支护结构可以通过有效的支护措施，控制隧道的变形和破坏，确保隧道的稳定性和安全性。

(2) 涂布聚合物。涂布聚合物是一种常用于隧道固结开挖施工技术中的防水材料。可以在混凝土、砖石、钢筋等隧道支护结构表面形成一层坚韧、耐水、耐酸碱、耐磨损的防水层，有效地防止地下水和地下河水侵入隧道，保护隧道结构的安全和稳定[6]。首先，涂布聚合物具有良好的防水性能。涂布聚合物采用高分子材料制成，其分子链结构中包含大量的亲水基团，能够与水分子发生相互作用，形成坚韧的防水层。此外，涂布聚合物还具有较高的抗水压性能和抗渗透性能，能够有效地抵御地下水和地下河水的渗透和侵蚀。其次，涂布聚合物具有较好的耐久性和耐候性。涂布聚合物的分子链结构中含有许多稳定的化学键，能够有效地抵御紫外线、氧化、酸碱等化学和物理因素的影响，保持长久的防水效果。最后，涂布聚合物具有施工方便、环保、经济实用等特点。涂布聚合物可以采用喷涂、刷涂等方式进行施工，施工简便快捷，适用于不同形状和结构的隧道支护面。同时，涂布聚合物不含有有害物质，对环境和人体无毒无害，符合环保要求。另外，涂布聚合物的价格相对较低，经济实用。

(3) 填充材料。填充材料是隧道固结开挖施工技术中常用的一种材料。填充材料的主要作用是填充隧道内部的空隙和裂缝，增加隧道支护结构的整体稳定性和承载力。首先，填充材料可以填补隧道内部的空隙和裂缝，使隧道支护结构形成一个整体，提高其抗压、抗弯和抗剪等力学性能，从而增加其承载能力和稳定性。其次，填充材料可以起到隔水、隔气、隔热、隔音等作用。填充材料可以填满隧道支护结构的空隙，形成一个密闭的隧道结构体系，有效地隔绝了隧道内外的水、气、热、声等因素的传递和影响，保证隧道的正常使用和运行。最后，填充材料还具有施工方便、环保、经济实用等特点[7]。填充材料可以采用注浆、灌浆、泡沫混凝土、膨胀土等方式进行施工，施工简便快捷，适用于不同形状和结构的隧道支护面。同时，填充材料不含有有害物质，对环境和人体无毒无害，符合环保要求。另外，填充材料的价格相对较低，经济实用。

(4) 排水系统。排水系统是一种用于排除洞内积水的系统。在富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工中，排水系统可以有效地减少洞内积水，降低渗水对隧道工程的影响，提高隧道工程的施工效率和质量。排水系统通常包括预留排水孔、排水管道、排水井、排水泵站等。预留排水孔一般设置在隧道底部，可以将隧道内的积水排除。排水管道可以将积水导出隧道外，起到排水的作用。排水井通常设置在隧道两侧，可以收集并引导排出隧道内的水。排水泵站则用于排除隧道内的大量水量。排水系统的设计和施工应该考虑到地质条件、施工工艺和运营要求等多方面的因素。排水系统应该合理布局，保证排水的畅通和有效性。同时，应该采用合适的材料和设备，提高排水系统的耐久性和稳定性[8]。

3 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的应用

3.1 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的应用实例

(1)云南玉磨铁路中的曼勒一号隧道为重点控制工程，位于勐远至曼勒区间，隧道全长 8 280 m，主要为单线隧道，仅进口处是 85 m 长双线隧道，线路最大坡度为 9. 9‰，隧道最大埋深为 700 m。由于高地应力、富水、软弱围岩等特征影响，隧道初支受围岩挤压出现大变形现象，钢拱架出现扭曲变形、喷混开裂向洞内侵限，隧道施工存在着施工隐患及安全风险。该工程的固结开挖施工技术主要采用了钢筋混凝土衬砌、隧道断面及探地雷达测线布置（如图2所示）、涂布聚合物、填充材料和排水系统等技术措施。在施工过程中，钢筋混凝土衬砌起到了很好的支护作用，地质雷达探测为施工提供了准确的地质信息，涂布聚合物和填充材料有效地减少了渗水和隧道变形等问题的发生，排水系统则有效地降低了施工的风险。

图2 隧道断面及探地雷达测线布置

(2)国家一带一路重点项目云南省临清高速公路马家寨隧道，右洞全长2603m，左洞全长2543m，左右洞间距约为36m,左洞最大埋深约486m，右洞最大埋深约517m.场区内海拔为1464.6～2045.1m，相对最大高差580.5m.路线轴线海拔为1474.20～1957.97m，相对最大高差483.77m。隧道穿越山体，进出口端均位于斜坡上。微地貌类型属构造-侵蚀、剥蚀型低中山地貌，场区地下水的补给来源主要靠大气降水的垂直渗入，具有补给面积小、径流途径短、排泄速度快特点.大气降雨向下补给第四系碎石土、粉质黏土，少部分赋存于土层孔隙内和向下伏基岩裂隙运移，大部分雨水则以坡面流形式进出口外地势低洼处径流排泄。为了保证施工的安全和效率，该工程采用了固结开挖施工技术。施工过程中，采用了预制支护结构、涂布聚合物、填充材料和排水系统等技术措施。通过这些措施，成功地保证了施工的稳定性和安全性，为工程的顺利建设提供了有力的支持。

3.2 富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术的优势

(1) 提高施工效率

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术在提高施工效率方面有其独特的优势。首先，该技术中使用的先进设备和工艺能够大幅提高施工速度和效率。例如，采用先进的掘进机和液压爆破技术可以减少掘进时间，增加掘进进度，大幅提高施工效率。同时，隧道固结开挖施工技术中使用的预制支护结构、填充材料和涂布聚合物等材料都可以快速安装和固化，进一步提高施工效率。其次，隧道固结开挖施工技术中实施的预应力和加固措施可以增强隧道结构的承载能力，减少支护工作的时间和投入，从而提高施工效率。最后，该技术中还采用了严格的质量控制措施，避免了由于施工过程中出现的质量问题所导致的返工和修补，从而减少了施工时间和成本。

(2) 提高施工质量

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术采用了一系列支护措施，可以有效地提高隧道施工的质量。首先，该技术中使用的预制支护结构、填充材料和涂布聚合物等材料均采用高品质、高性能的材料，能够保证隧道的结构稳定性和耐久性。同时，采用的质量控制措施也能够有效避免因施工过程中出现的质量问题而导致的安全隐患和工程质量问题。其次，隧道固结开挖施工技术中实施的预应力和加固措施可以有效提高隧道结构的承载能力和稳定性，确保隧道在使用过程中不会出现因结构失稳而导致的事故和故障。

(3) 减少施工风险

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术采用了一系列支护措施和安全措施，可以有效地降低施工风险。首先，该技术在施工前进行了充分的勘察和分析，对隧道围岩的地质、水文、地形等特征进行了详细的调查和分析，确定了合理的施工方案，从而避免了因施工前期准备不充分而导致的施工风险。其次，隧道固结开挖施工技术中使用的预制支护结构、填充材料和涂布聚合物等材料，均经过充分的试验和检测，确保其质量和性能符合要求。同时，施工过程中采用严格的质量控制措施，确保材料的正确使用和施工质量的可控。最后，该技术中实施了预应力和加固措施，可以有效提高隧道结构的承载能力和稳定性，确保隧道在使用过程中不会出现因结构失稳而导致的事故和故障，降低施工过程中的风险。

(4) 降低施工成本

富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术采用了一系列支护措施和工程材料，可以有效地降低施工成本。在施工过程中，这些措施可以有效地减少洞口坍塌和隧道变形等问题的发生，从而减少了修复和维护的成本。

4 结论

随着交通建设的不断发展，富水软弱破碎岩层隧道的建设越来越普遍，而富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术作为一种有效的开挖方法已经得到广泛应用。该技术采用了一系列支护措施和安全措施，能够有效地解决富水软弱破碎岩层隧道开挖时的稳定性和安全性问题，同时还能够提高隧道的使用寿命和降低施工风险和成本。

参考文献：

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[2]彭建军.富水软弱破碎岩层隧道固结开挖施工技术[J].价值工程,2022,41(13):89-93.

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[7]黄国春,张国良.隧洞开挖中断层带的处理技术及应用[J].华北水利水电学院学报,2001(02):30-32+37.

[8]贾正滴, 砂卵石河床水下承台基坑开挖施工技术研究. 云南省,中国水利水电第十四工程局有限公司,2020-10-15.

作者简介：朱晓丹，（1985-）男，彝族，云南省昆明市人，本科，工程师，研究方向：公路施工。