长大可溶岩段落隧道施工关键技术浅析

刘士波

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

新建贵阳—南宁铁路贵州段独山一号隧道全长8 488 m，位于贵州黔南州都匀市，设计时速350 km/h，线路曲线半径9 000 m，线路纵坡为单面上坡，进口至出口依次为：1 175 m的5.5‰上坡、2 400 m的23‰上坡、4 913 m的14.7‰上坡。洞身段最大埋深约445 m，洞身段最大埋深约445 m，Ⅲ级围岩2 765 m，Ⅳ级围岩4 675 m，Ⅴ级围岩1 048 m，分别占隧道总长的32.6%，55.1%，12.3%。

洞身通过灰岩、白云岩为主的可溶岩地层，可溶岩段落长7 052 m，除DK84+775～DK87+320段岩溶中等～强烈发育外，其余可溶岩段落岩溶均为弱～中等发育；非可溶岩地层主要为页岩、砂岩、石英砂岩，长约1 436 m。洞身穿越5条断层，3处可溶岩与非可溶岩接触带。隧址区属于中低山侵蚀、溶蚀地貌区，洞身穿过地层岩性复杂多变，地下水补给、径流条件复杂，隧道涌水量4.14万m3/d。

隧址区属侵蚀、溶蚀中低山地貌，沟壑纵横、山峦重叠，坡体沟壑纵横，多为“V”型沟，切割深，坡面陡峻，自然横坡20°～50°，局部陡立，坡面植被发育。

2 隧道穿越特殊地质构造和潜在施工风险

2.1 特殊地质构造

隧址区位于扬子准地台、川黔经向构造带南段。隧址区断裂较发育，断裂构造以北西向组最为发育，均为多期性的陡倾角断层。隧道洞身穿过的断层共5条，分别为：

1)王司正断层：上盘为奥陶系下统红花园组灰岩、白云岩地层，下盘为寒武系上统庐山组白云岩地层，与洞身交角约50°，带宽约50 m。

2)孟娃垭口正断层：两侧均为志留系中统翁项组石英砂岩、页岩夹灰岩、砂岩地层。与洞身交角约89°，带宽约50 m。

3)老寨逆断层：两盘均为志留系中统翁项组石英砂岩、页岩夹灰岩、砂岩地层。与洞身交角约86°，带宽约50 m。

4)观音山逆断层：上、下盘均为志留系中统翁项组石英砂岩、页岩夹灰岩、砂岩地层。与洞身交角约43°，带宽约50 m。

5)苦李沟正断层：上盘为志留系中统翁项组石英砂、页岩夹灰岩、砂岩地层，下盘为奥陶系下统红花园组灰岩、白云岩。与洞身交角约75°，带宽约70 m。

2.2 潜在的施工风险

1)隧道通过洞身各断裂构造时，因地下水的集中富集，有可能会发生断层带地下水的局部突然涌出。隧址区地形为南高北低，地下水的总体流向为NW向，既有隧道大里程端向小里程端排泄。

2)岩溶水主要赋存于可溶岩的溶孔、溶蚀裂隙及岩溶管道中，除接受上覆地层补给外，主要通过地表洼地、落水洞、溶洞汇集大气降水的补给，水量丰富。可溶岩与非可溶岩接触部位遇较大岩溶管道水的可能性大。

3)受断层的影响，破碎带岩体节理裂隙破碎，围岩稳定性差，富水性好，施工中发生坍塌、掉块等现象，遭遇突水、突泥可能性大。

4)洞身岩性以灰岩、页岩、砂岩为主，岩层平缓，岩质软硬不均，且受构造影响，岩体较破碎，完整性差，岩质软，开挖揭示后风化，遇水易软化，施工过程中易出现掉块、坍塌、基底软化及坍塌。

3 可溶岩段落隧道衬砌构造设计关键技术

针对隧道特殊的地质构造和潜在风险，施工期间缓倾软质岩隧底变形控制、拱部塌方、局部岩溶段突水、突泥风险防范，运营期间的结构安全是隧道衬砌构造设计的重点。

1)超前支护：穿越破碎带时，根据围岩揭示的情况，采取中管棚或小导管超前支护，进尺控制在0.6 m。围岩破碎程度较为严重时，可采取大管棚支护；在富水、破碎的断层位置，帷幕注浆的效果较差，尽量不采用帷幕注浆进行加固。其他段落的支护按围岩级别相应的采取型钢拱架或格栅拱架进行初期支护。

2)二次衬砌构造：洞门结构及洞口段衬砌予以加强，采用钢筋混凝土结构。洞身Ⅳ，Ⅴ级围岩段落二次衬砌作为承载结构，采用钢筋混凝土结构；Ⅲ级围岩中二次衬砌作为安全储备，采取素混凝土+三肢格栅拱架弧面钢筋。

3)隧道衬砌加强：在软弱缓倾岩层段落，对仰拱进行加深、加厚，将原设计仰拱曲率1/4调整为1/8。完工后按30 m每断面设置变形观测，持续至运营后1年。

4)隧道排水：暗洞段衬砌拱墙背后设环向φ50、纵向设φ80打孔波纹管(外裹无纺布)，管口接入侧沟；间距2 m，环向距施工缝50 cm，纵向距施工缝30 cm。隧道边墙泄水管(孔)由两部分组成：Ⅰ期工程为仰拱及矮边墙施作前预留φ110 PVC管，距离施工缝1 m，纵向间距2 m；Ⅱ期工程为衬砌施作完毕后，采用冲击钻头疏通结晶物并钻入围岩0.5 m。揭示的溶洞预留排水通道，增设泄水廊道。

5)岩溶处置：二衬施工前后，开展隐伏性岩溶探测；空溶洞处置采取支护、护墙、护拱、回填等处置，充填溶洞可采取注浆加固或不做处置。

4 长大可溶岩隧道施工组织关键技术

4.1 工作界面划分

本隧道工期为48个月，全隧分进口、横洞、斜井及出口工区共3个工区组织施工。各工区承担施工任务如表1所示。

表1 独山一号3个工区施工任务划分表

4.2 施工机械配置

进口、横洞及斜井等4个掌子面配置了中等强度的机械作业，矿山法爆破三臂凿岩台车。配备4台40 m长自行式全幅模板仰拱栈桥，实现施工一环仰拱、一环填充、等强一环；仰拱模板的端部全部配置了“L”形端模板，加强环向止水带的固定。

在Ⅳ，Ⅴ级围岩掌子面，除自行式全幅模板仰拱栈桥还配备了开挖小栈桥，实施双栈桥配置，Ⅴ级、Ⅳ级围岩平均工效80 m/月以上。每个掌子面配备了多功能锚杆钻机1台，专用超前水平钻机1台。

4.3 隐伏性岩溶探测及边墙泄水孔施作

每掌子面配置不少于6套人工风枪钻机，用于隐伏性岩溶探测及隧道边墙泄水孔、减压孔的施工。每循环进尺开展的隐伏性岩溶探测应控制在2 h～3 h内；隐伏性岩溶探测需由人工钻孔探测完成，以便实时的掌握钻进卡钻、突进等异常情况。边墙泄水孔Ⅱ期钻孔应在二衬砌完成2个～3个循环内完成，以便及时释放衬砌背后水压力。

5 长大可溶岩隧道超前地质预报实施关键技术

5.1 超前地质预报综合实施

充分利用“看、测、探、验”四种手段开展超前地质预报。看即地表调查和掌子面地质素描。地表调查主要核实隧道经过区域内是否存在洼地、水塘、水库、沟渠及可见的暗河等与隧道之间的位置关系，结合岩层的走向，预判隧道裂隙水发育程度、掌子面出水的补给等；掌子面素描主要记录掌子面围岩的情况，测定围岩的走向、倾角和岩层质地是否发生变化，特别是掌子面围岩出现了方解石、石膏及围岩出现了黄色水锈时，出现了岩溶或突泥突水的可能性增大。测即开展地质雷达、瞬变电磁等物探。探即开展超前水平钻孔、加深炮孔进行探测，超前水平钻孔施作时技术人员需值守记录，对于突进、冒水等异常情况，应探明原因；若加深炮孔或超前水平钻孔出现冒水或带压水，应释放水后再次扩大钻孔范围，以确保出水为非溶洞水或存水基本卸流完成。验即风枪进行隐伏性岩溶探测和完工后开展物探进行验证。

5.2 超前地质预报实施要点

1)严格按照设计图要求进行物探，遵循“先探后挖、不探不挖、有疑必钻”原则，对于异常部位的钻探，预报单位需派人旁站。有特殊异常段落，经各方会商后可增加物探手段。

2)施工单位应针对预报成果异常的部位施作超前水平钻探，并建立起高效沟通机制，及时查明特殊异常。施工单位现场应按设计要求进行施作加深炮孔，贯彻 “3+2 原则(即保证开挖轮廓线外纵向不小于3 m，横向不小于2 m)”施钻；加强施钻人员岗位培训，提高安全意识，增强技术人员对临近不良地质体的判识能力(掌子面揭示方解石岩脉增多、水锈增加的情况，前方可能存在大型溶洞。背斜两翼、向斜核部、可溶岩与非可溶岩接触带、断层等部位是富水的风险点)，做到及时发现异常，并在异常区附近多次施钻查明具体病害形态。

3)隧道工点地质工程师必须配备钢尺、罗盘、地质锤等地质常规工具，准确描述掌子面情况；掌子面地质素描附图应体现岩层走向、节理位置及角度等信息，且描述中应包含岩层厚度，岩层产状，节理裂隙发育情况(长宽、形态)、充填物等信息。

4)要求预报单位应对各种物探手段进行综合分析、判识，形成的综合报告应包含上次报告结论与实际开挖揭示情况的对比，以地质展示图的形式附入综合分析报告。

5)每次超前水平钻和加深炮孔施作完成后，现场监理必须进行及时核查、验孔，保证钻探的精确性；施工单位带班领导不定期检查，发现不按规定开展超前地质预报的，应给予严厉内部考核和处罚。

6)对隧道地表岩溶洼地、漏斗等进行踏勘(或航拍)；岩溶洼地位置应设置雨量监测计，并根据洞内开挖里程实时调整位置。

6 结语

长大可溶岩隧道施工过程的难度集中体现在隧道的防排水、施工过程中的突泥突水及过程中破碎、坍塌、出水、溶洞等对工期影响的不可控，在设计阶段应对隧道穿越的地质情况进行探明并采取措施，特别是完善、疏导原有围岩中排水体系，避免地下水、地表补给水给隧道带来水压荷载；设计阶段应细化应对岩溶、破碎带等地质复杂的超前地质预报手段，应进行专项设计。施工阶段严格按设计要求的超前地质预报手段进行探测，并结合围岩的变化动态调整；在穿越破碎带地段，宜动态调整超前支护的措施，如间距、长度等；帷幕注浆的超前加固措施不宜在富水、可岩溶段的破碎带运用。施工中突遇溶洞或隧道突水，工期影响较大，要求在围岩探明地质条件好的段落，配足机械设备、向设备要进度，确保总体工期可控。