長大可溶巖段落隧道施工關鍵技術淺析

劉士波

(中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

新建貴陽—南寧鐵路貴州段獨山一號隧道全長8 488 m，位于貴州黔南州都勻市，設計時速350 km/h，線路曲線半徑9 000 m，線路縱坡為單面上坡，進口至出口依次為：1 175 m的5.5‰上坡、2 400 m的23‰上坡、4 913 m的14.7‰上坡。洞身段最大埋深約445 m，洞身段最大埋深約445 m，Ⅲ級圍巖2 765 m，Ⅳ級圍巖4 675 m，Ⅴ級圍巖1 048 m，分別占隧道總長的32.6%，55.1%，12.3%。

洞身通過灰巖、白云巖為主的可溶巖地層，可溶巖段落長7 052 m，除DK84+775～DK87+320段巖溶中等～強烈發育外，其余可溶巖段落巖溶均為弱～中等發育；非可溶巖地層主要為頁巖、砂巖、石英砂巖，長約1 436 m。洞身穿越5條斷層，3處可溶巖與非可溶巖接觸帶。隧址區屬于中低山侵蝕、溶蝕地貌區，洞身穿過地層巖性復雜多變，地下水補給、徑流條件復雜，隧道涌水量4.14萬m3/d。

隧址區屬侵蝕、溶蝕中低山地貌，溝壑縱橫、山巒重疊，坡體溝壑縱橫，多為“V”型溝，切割深，坡面陡峻，自然橫坡20°～50°，局部陡立，坡面植被發育。

2 隧道穿越特殊地質構造和潛在施工風險

2.1 特殊地質構造

隧址區位于揚子準地臺、川黔經向構造帶南段。隧址區斷裂較發育，斷裂構造以北西向組最為發育，均為多期性的陡傾角斷層。隧道洞身穿過的斷層共5條，分別為：

1)王司正斷層：上盤為奧陶系下統紅花園組灰巖、白云巖地層，下盤為寒武系上統廬山組白云巖地層，與洞身交角約50°，帶寬約50 m。

2)孟娃埡口正斷層：兩側均為志留系中統翁項組石英砂巖、頁巖夾灰巖、砂巖地層。與洞身交角約89°，帶寬約50 m。

3)老寨逆斷層：兩盤均為志留系中統翁項組石英砂巖、頁巖夾灰巖、砂巖地層。與洞身交角約86°，帶寬約50 m。

4)觀音山逆斷層：上、下盤均為志留系中統翁項組石英砂巖、頁巖夾灰巖、砂巖地層。與洞身交角約43°，帶寬約50 m。

5)苦李溝正斷層：上盤為志留系中統翁項組石英砂、頁巖夾灰巖、砂巖地層，下盤為奧陶系下統紅花園組灰巖、白云巖。與洞身交角約75°，帶寬約70 m。

2.2 潛在的施工風險

1)隧道通過洞身各斷裂構造時，因地下水的集中富集，有可能會發生斷層帶地下水的局部突然涌出。隧址區地形為南高北低，地下水的總體流向為NW向，既有隧道大里程端向小里程端排泄。

2)巖溶水主要賦存于可溶巖的溶孔、溶蝕裂隙及巖溶管道中，除接受上覆地層補給外，主要通過地表洼地、落水洞、溶洞匯集大氣降水的補給，水量豐富。可溶巖與非可溶巖接觸部位遇較大巖溶管道水的可能性大。

3)受斷層的影響，破碎帶巖體節理裂隙破碎，圍巖穩定性差，富水性好，施工中發生坍塌、掉塊等現象，遭遇突水、突泥可能性大。

4)洞身巖性以灰巖、頁巖、砂巖為主，巖層平緩，巖質軟硬不均，且受構造影響，巖體較破碎，完整性差，巖質軟，開挖揭示后風化，遇水易軟化，施工過程中易出現掉塊、坍塌、基底軟化及坍塌。

3 可溶巖段落隧道襯砌構造設計關鍵技術

針對隧道特殊的地質構造和潛在風險，施工期間緩傾軟質巖隧底變形控制、拱部塌方、局部巖溶段突水、突泥風險防范，運營期間的結構安全是隧道襯砌構造設計的重點。

1)超前支護：穿越破碎帶時，根據圍巖揭示的情況，采取中管棚或小導管超前支護，進尺控制在0.6 m。圍巖破碎程度較為嚴重時，可采取大管棚支護；在富水、破碎的斷層位置，帷幕注漿的效果較差，盡量不采用帷幕注漿進行加固。其他段落的支護按圍巖級別相應的采取型鋼拱架或格柵拱架進行初期支護。

2)二次襯砌構造：洞門結構及洞口段襯砌予以加強，采用鋼筋混凝土結構。洞身Ⅳ，Ⅴ級圍巖段落二次襯砌作為承載結構，采用鋼筋混凝土結構；Ⅲ級圍巖中二次襯砌作為安全儲備，采取素混凝土+三肢格柵拱架弧面鋼筋。

3)隧道襯砌加強：在軟弱緩傾巖層段落，對仰拱進行加深、加厚，將原設計仰拱曲率1/4調整為1/8。完工后按30 m每斷面設置變形觀測，持續至運營后1年。

4)隧道排水：暗洞段襯砌拱墻背后設環向φ50、縱向設φ80打孔波紋管(外裹無紡布)，管口接入側溝；間距2 m，環向距施工縫50 cm，縱向距施工縫30 cm。隧道邊墻泄水管(孔)由兩部分組成：Ⅰ期工程為仰拱及矮邊墻施作前預留φ110 PVC管，距離施工縫1 m，縱向間距2 m；Ⅱ期工程為襯砌施作完畢后，采用沖擊鉆頭疏通結晶物并鉆入圍巖0.5 m。揭示的溶洞預留排水通道，增設泄水廊道。

5)巖溶處置：二襯施工前后，開展隱伏性巖溶探測；空溶洞處置采取支護、護墻、護拱、回填等處置，充填溶洞可采取注漿加固或不做處置。

4 長大可溶巖隧道施工組織關鍵技術

4.1 工作界面劃分

本隧道工期為48個月，全隧分進口、橫洞、斜井及出口工區共3個工區組織施工。各工區承擔施工任務如表1所示。

表1 獨山一號3個工區施工任務劃分表

4.2 施工機械配置

進口、橫洞及斜井等4個掌子面配置了中等強度的機械作業，礦山法爆破三臂鑿巖臺車。配備4臺40 m長自行式全幅模板仰拱棧橋，實現施工一環仰拱、一環填充、等強一環；仰拱模板的端部全部配置了“L”形端模板，加強環向止水帶的固定。

在Ⅳ，Ⅴ級圍巖掌子面，除自行式全幅模板仰拱棧橋還配備了開挖小棧橋，實施雙棧橋配置，Ⅴ級、Ⅳ級圍巖平均工效80 m/月以上。每個掌子面配備了多功能錨桿鉆機1臺，專用超前水平鉆機1臺。

4.3 隱伏性巖溶探測及邊墻泄水孔施作

每掌子面配置不少于6套人工風槍鉆機，用于隱伏性巖溶探測及隧道邊墻泄水孔、減壓孔的施工。每循環進尺開展的隱伏性巖溶探測應控制在2 h～3 h內；隱伏性巖溶探測需由人工鉆孔探測完成，以便實時的掌握鉆進卡鉆、突進等異常情況。邊墻泄水孔Ⅱ期鉆孔應在二襯砌完成2個～3個循環內完成，以便及時釋放襯砌背后水壓力。

5 長大可溶巖隧道超前地質預報實施關鍵技術

5.1 超前地質預報綜合實施

充分利用“看、測、探、驗”四種手段開展超前地質預報?？醇吹乇碚{查和掌子面地質素描。地表調查主要核實隧道經過區域內是否存在洼地、水塘、水庫、溝渠及可見的暗河等與隧道之間的位置關系，結合巖層的走向，預判隧道裂隙水發育程度、掌子面出水的補給等；掌子面素描主要記錄掌子面圍巖的情況，測定圍巖的走向、傾角和巖層質地是否發生變化，特別是掌子面圍巖出現了方解石、石膏及圍巖出現了黃色水銹時，出現了巖溶或突泥突水的可能性增大。測即開展地質雷達、瞬變電磁等物探。探即開展超前水平鉆孔、加深炮孔進行探測，超前水平鉆孔施作時技術人員需值守記錄，對于突進、冒水等異常情況，應探明原因；若加深炮孔或超前水平鉆孔出現冒水或帶壓水，應釋放水后再次擴大鉆孔范圍，以確保出水為非溶洞水或存水基本卸流完成。驗即風槍進行隱伏性巖溶探測和完工后開展物探進行驗證。

5.2 超前地質預報實施要點

1)嚴格按照設計圖要求進行物探，遵循“先探后挖、不探不挖、有疑必鉆”原則，對于異常部位的鉆探，預報單位需派人旁站。有特殊異常段落，經各方會商后可增加物探手段。

2)施工單位應針對預報成果異常的部位施作超前水平鉆探，并建立起高效溝通機制，及時查明特殊異常。施工單位現場應按設計要求進行施作加深炮孔，貫徹 “3+2 原則(即保證開挖輪廓線外縱向不小于3 m，橫向不小于2 m)”施鉆；加強施鉆人員崗位培訓，提高安全意識，增強技術人員對臨近不良地質體的判識能力(掌子面揭示方解石巖脈增多、水銹增加的情況，前方可能存在大型溶洞。背斜兩翼、向斜核部、可溶巖與非可溶巖接觸帶、斷層等部位是富水的風險點)，做到及時發現異常，并在異常區附近多次施鉆查明具體病害形態。

3)隧道工點地質工程師必須配備鋼尺、羅盤、地質錘等地質常規工具，準確描述掌子面情況；掌子面地質素描附圖應體現巖層走向、節理位置及角度等信息，且描述中應包含巖層厚度，巖層產狀，節理裂隙發育情況(長寬、形態)、充填物等信息。

4)要求預報單位應對各種物探手段進行綜合分析、判識，形成的綜合報告應包含上次報告結論與實際開挖揭示情況的對比，以地質展示圖的形式附入綜合分析報告。

5)每次超前水平鉆和加深炮孔施作完成后，現場監理必須進行及時核查、驗孔，保證鉆探的精確性；施工單位帶班領導不定期檢查，發現不按規定開展超前地質預報的，應給予嚴厲內部考核和處罰。

6)對隧道地表巖溶洼地、漏斗等進行踏勘(或航拍)；巖溶洼地位置應設置雨量監測計，并根據洞內開挖里程實時調整位置。

6 結語

長大可溶巖隧道施工過程的難度集中體現在隧道的防排水、施工過程中的突泥突水及過程中破碎、坍塌、出水、溶洞等對工期影響的不可控，在設計階段應對隧道穿越的地質情況進行探明并采取措施，特別是完善、疏導原有圍巖中排水體系，避免地下水、地表補給水給隧道帶來水壓荷載；設計階段應細化應對巖溶、破碎帶等地質復雜的超前地質預報手段，應進行專項設計。施工階段嚴格按設計要求的超前地質預報手段進行探測，并結合圍巖的變化動態調整；在穿越破碎帶地段，宜動態調整超前支護的措施，如間距、長度等；帷幕注漿的超前加固措施不宜在富水、可巖溶段的破碎帶運用。施工中突遇溶洞或隧道突水，工期影響較大，要求在圍巖探明地質條件好的段落，配足機械設備、向設備要進度，確?？傮w工期可控。