貴甕高速公路建中隧道施工難點(diǎn)及治理措施

齊　俊,孫　毅,戴李春,李國(guó)文,楊永斌

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100044； 2.貴州中交貴甕高速公路有限公司, 貴州甕安　550400；

3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京　100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安　710065)

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貴甕高速公路建中隧道施工難點(diǎn)及治理措施

齊俊1,孫毅1,戴李春2,李國(guó)文3,楊永斌4

(1.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100044； 2.貴州中交貴甕高速公路有限公司, 貴州甕安550400；

3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安710065)

摘要：溶腔、洞室和軟弱破碎帶是巖溶地區(qū)隧道施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。貴甕高速建中隧道在施工過(guò)程中出現(xiàn)了圍巖與設(shè)計(jì)情況不符以及溶洞塌方等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。為此,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)典型巖溶隧道設(shè)計(jì)施工案例進(jìn)行分析借鑒,結(jié)合建中隧道的工程地質(zhì)條件,在圍巖與設(shè)計(jì)情況不符段進(jìn)行方案修改,加強(qiáng)支護(hù)；在溶洞塌方段進(jìn)行掌子面封閉、深孔注漿、回填混凝土等治理措施。經(jīng)采取上述措施后,拱頂沉降和隧道周邊位移均小于控制標(biāo)準(zhǔn),效果良好。

關(guān)鍵詞：公路隧道；巖溶空洞； 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

巖溶作用是指地表水和地下水對(duì)地表及地下可溶性巖石(碳酸鹽巖類(lèi)、石膏及鹵素鹽類(lèi)等)所進(jìn)行的以化學(xué)溶解作用為主，機(jī)械侵蝕作用為輔的溶蝕作用、侵蝕-溶蝕作用以及與之相伴生的堆積作用的總稱(chēng)[1]?？扇苄詭r石在我國(guó)分布廣泛，這使得隧道工程不可避免地涉及巖溶問(wèn)題。影響巖溶發(fā)育的因素十分復(fù)雜，巖溶的類(lèi)型又豐富多樣，這給巖溶地區(qū)的隧道工程的施工帶來(lái)了巨大的困難[3-5]。本文介紹的建中隧道便是巖溶地區(qū)的典型隧道工程，在施工中遇到了圍巖與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況不符以及巖溶空洞等問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了施工的進(jìn)度，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右越鉀Q。

1工程概況

1.1工程基本情況

建中隧道為貴州省貴陽(yáng)市至甕安縣高速公路中的最長(zhǎng)隧道，位于甕安縣建中鎮(zhèn)，為雙向四車(chē)道分離式高速公路隧道，隧道主洞斷面輪廓：0.75 m(左側(cè)檢修道)+0.5 m(左側(cè)側(cè)向?qū)挾?+2×3.75 m(行車(chē)道)+0.75 m(右側(cè)側(cè)向?qū)挾?+0.75(右側(cè)檢修道)，共寬10.25 m，限高5 m，內(nèi)輪廓如圖1所示。

圖1　建中隧道內(nèi)輪廓(單位：cm)

建中隧道左線(xiàn)全長(zhǎng)3 287 m，里程樁號(hào)ZK79+013～ZK82+300；右線(xiàn)全長(zhǎng)3 302 m，里程樁號(hào)YK79+003～YK82+305。進(jìn)出洞門(mén)均采用削竹式。山頂最高高程約1 373.4 m，隧道洞頂最大埋深147.45 m，最小埋深在進(jìn)洞口，埋深約1 m。建中隧道長(zhǎng)度大于3 000 m，是特長(zhǎng)隧道，設(shè)置3個(gè)車(chē)行橫通道和8個(gè)人行橫通道。建中隧道洞身圍巖級(jí)別見(jiàn)表1。

表1　建中隧道基本情況

1.2工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)在地貌上屬于侵蝕地貌類(lèi)型，地形起伏較大。隧道出口處，地形較陡，坡度18°～26°，坡向朝西北；出口處為山坡，地形較陡，坡度27°～31°，坡向朝東。

建中隧道地質(zhì)情況：Ⅲ級(jí)圍巖為淺灰色中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性一般；Ⅳ級(jí)圍巖為淺灰色中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差；Ⅴ級(jí)圍巖主要為粉質(zhì)黏土夾雜淺灰色強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙很發(fā)育，局部溶洞貫通性發(fā)育，巖體很破碎，穩(wěn)定性差。

隧址區(qū)未見(jiàn)地表水發(fā)育。地下水主要為硅酸鹽巖類(lèi)巖溶水、基巖裂隙水，含水量較小，接受大氣降水的補(bǔ)給，水位埋藏度隨季節(jié)變化和地勢(shì)的高低變化而變化。

1.3施工方法

建中隧道主要施工方式為：Ⅲ級(jí)圍巖段采用全斷面開(kāi)挖；Ⅳ級(jí)圍巖段采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖；Ⅴ級(jí)圍巖土質(zhì)段采用CD法開(kāi)挖，粉質(zhì)黏土較少且整體性相對(duì)較好的巖石段采用預(yù)留核心土法開(kāi)挖。

按照上述施工方式，Ⅲ級(jí)圍巖巖石堅(jiān)硬，整體性好，擬采用全斷面光面爆破開(kāi)挖，對(duì)于整體性較好Ⅳ級(jí)圍巖段分上下斷面采用光面爆破，Ⅴ級(jí)圍巖視掌子面實(shí)際情況，對(duì)于圍巖整體性較差段主要采用機(jī)械結(jié)合松動(dòng)爆破開(kāi)挖，巖石段采用中間松動(dòng)爆破與周邊光面爆破相結(jié)合的爆破方法。

2工程難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

2.1工程難點(diǎn)

巖溶地區(qū)的隧道施工會(huì)經(jīng)常遇到軟弱的地質(zhì)帶、斷層以及巖溶空洞，有的巖溶空洞中還會(huì)有巖塊、松散土或泥漿作為填充物[6-7]。巖溶發(fā)育對(duì)隧道工程危害較大，溶洞、溶蝕裂隙、溶蝕小孔破壞了圍巖的整體性，降低了巖體的整體強(qiáng)度，影響圍巖穩(wěn)定，導(dǎo)致洞室坍塌及洞頂?shù)乇硭?。若破壞了巖溶水通道，則會(huì)導(dǎo)致涌水、突泥的發(fā)生，這些事故都十分危險(xiǎn)，會(huì)阻礙隧道施工的進(jìn)行，甚至出現(xiàn)人員的傷亡。

本工程中主要遇到的典型施工難點(diǎn)問(wèn)題如下。

(1)圍巖與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況不符

建中隧道掘進(jìn)至ZK79+722處，該處原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，實(shí)際掌子面圍巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙呈水平狀發(fā)育，巖體較破碎，且?jiàn)A雜大量的經(jīng)沉積作用形成的煤矸石，隧道開(kāi)挖后，受構(gòu)造影響，拱部松散巖體大量坍塌，極不穩(wěn)定。

(2)施工過(guò)程中突現(xiàn)溶洞(圖2)

圖2　隧道施工揭示溶洞情況

建中隧道掘進(jìn)至YK79+596處發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞處于拱頂及拱腰位置，豎向深度約25 m，呈不規(guī)則狀，環(huán)向影響范圍約10 m，溶洞為填充型干溶洞，洞壁巖體極其破碎，極不穩(wěn)定，填充物為破碎石塊夾泥，爆破開(kāi)挖后，填充物及洞壁四周破碎巖體夾雜泥塊失去支撐而大量掉落，掌子面上方難以穩(wěn)定，嚴(yán)重影響施工作業(yè)安全。

2.2一般預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施

2.2.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

巖溶地區(qū)施工過(guò)程中圍巖與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況不符的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，為盡可能減小這一幾率，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)便是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。若隧道的地質(zhì)情況復(fù)雜，存在溶洞、斷裂帶、巖石破碎帶等不良地質(zhì)帶，需結(jié)合地質(zhì)勘探設(shè)計(jì)予以查明。為此，要針對(duì)隧道輔助施工設(shè)置的具體情況，開(kāi)展綜合超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要手段有物探法、地質(zhì)分析法和超前鉆探法[8-9]。針對(duì)隧道的工程特點(diǎn)，可采用地貌、地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)推理相結(jié)合的方法，進(jìn)行定性預(yù)測(cè)。具體采取的措施有：對(duì)開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，方法有地質(zhì)素描法(常規(guī)地質(zhì)法)、首先采用TSP探測(cè)儀進(jìn)行遠(yuǎn)程較宏觀的地質(zhì)預(yù)報(bào)，再采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行近距離較微觀的地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)于較強(qiáng)富水地段以及主要斷層和寬度的斷層前后50 m范圍采用超前地質(zhì)鉆孔組合，對(duì)于涌水地段采用3孔組合，以對(duì)不良地質(zhì)地段進(jìn)行最后確認(rèn)。

施工中應(yīng)該將幾種預(yù)報(bào)手段綜合運(yùn)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互補(bǔ)充和印證。綜合監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)提出對(duì)不良地質(zhì)的處理措施，以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保工程質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)安全。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)若發(fā)現(xiàn)前方地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)不符時(shí)要及時(shí)通知設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，以便及時(shí)采取有效的設(shè)計(jì)變更方案。

2.2.2巖溶塌方處理辦法

當(dāng)溶洞位于隧道上方時(shí)常常會(huì)發(fā)生塌方，溶洞中的松散土、碎石等會(huì)隨之落下[10-12]。這時(shí)應(yīng)優(yōu)先保持塌方體的穩(wěn)定，一般采用噴射混凝土或注漿的方法實(shí)現(xiàn)。遇到上述情況，可在拱部小導(dǎo)管注漿或管棚預(yù)固結(jié)圍巖的保護(hù)下，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用拱部預(yù)留核心土，周邊采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖，核心土及中槽用挖掘機(jī)開(kāi)挖。溶洞位于隧道上方發(fā)生塌方時(shí)施工程序如圖3所示。

圖3　溶洞塌方地質(zhì)段施工程序

2.3建中隧道應(yīng)對(duì)措施

2.3.1圍巖與設(shè)計(jì)地質(zhì)情況不符的施工段方案修改

(1)以ZK79+722為起點(diǎn)，暫定縱向20 m范圍內(nèi)按照如下方案實(shí)施：將開(kāi)挖斷面按619 cm半徑開(kāi)挖，初期支護(hù)厚度24 cm，預(yù)留沉降量5 cm，二襯厚度35 cm；增設(shè)I18型鋼，每榀間距60 cm；采用φ22 mm的螺紋鋼單層連接，環(huán)向間距100 cm；間距20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm藥卷錨桿，L=3 m，間距60 cm×120 cm(縱×環(huán))，每環(huán)16/17根，梅花形布置。其余設(shè)計(jì)參數(shù)不變。

(2)結(jié)合該段地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，考慮到后續(xù)地質(zhì)情況可能存在變化， 暫定先按上述方案施工20 m，再根據(jù)圍巖情況確定后續(xù)方案。

2.3.2溶洞塌方地質(zhì)段具體治理措施

(1)立即撤離掌子面人員及機(jī)械設(shè)備，避免溶洞坍落造成損失，待穩(wěn)定后再清理堆積的填充物，進(jìn)行后續(xù)施工。

(2)YK79+596斷面開(kāi)始，溶洞環(huán)向14 m范圍設(shè)置雙排φ25 mm中空錨桿，單根長(zhǎng)度3.5 m，環(huán)向間距40 cm，搭接長(zhǎng)度50 cm，縱向范圍為溶洞影響全長(zhǎng)(預(yù)估縱向10 m范圍)，以穩(wěn)定洞頂松散巖體，便于后續(xù)施工。

(3)掌子面用碎石土反壓封閉，在溶腔底部設(shè)置φ8 mm(間距25 cm×25 cm)雙層鋼筋網(wǎng)，預(yù)留φ108 mm×6 mm注漿孔，在反壓土支撐下，泵送C25混凝土至溶洞腔內(nèi)，C25混凝土在溶洞裂隙范圍擴(kuò)散，與松散巖體相互結(jié)合形成支撐整體，一方面防止繼續(xù)坍塌，另一方面阻擋溶洞內(nèi)高處掉落的石塊，確保人員設(shè)備可以安全進(jìn)入掌子面附近施工。

(4)溶洞縱向影響范圍內(nèi)(YK79+596斷面開(kāi)始，預(yù)估縱向10 m范圍)支護(hù)加強(qiáng)處理：將開(kāi)挖斷面按630 cm半徑開(kāi)挖(原設(shè)計(jì)開(kāi)挖半徑605 cm，擴(kuò)大25 cm開(kāi)挖)，初期支護(hù)厚度28 cm，預(yù)留沉降量12 cm，二襯厚度35 cm；增設(shè)I22b型鋼，每榀間距40 cm；每榀鋼拱架采用4根，單根長(zhǎng)4 m的φ42 mm×4 mm的鋼花管鎖腳固定；采用φ25 mm的螺紋鋼雙層連接，環(huán)向間距50 cm；設(shè)φ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)滿(mǎn)鋪，間距20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm藥卷錨桿，L=3 m，間距40 cm×120 cm(縱×環(huán))，每環(huán)16/17根，梅花形布置。用φ108 mm×6 mm鋼管(長(zhǎng)100 cm，2根)焊接于工字鋼上，預(yù)留1個(gè)漿孔，1個(gè)排氣孔。

(5)待工字鋼、鋼花管、連接筋、系統(tǒng)錨桿、注漿孔及排氣孔安裝完成后噴射C20的混凝土。

(6)待噴射混凝土凝固后，用混凝土輸送泵通過(guò)預(yù)留的注漿孔往溶腔內(nèi)泵送C25混凝土。

2.3.3監(jiān)控量測(cè)

措施實(shí)施后需對(duì)該施工段進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，隧道斷面測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，拱頂布設(shè)三個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為測(cè)點(diǎn)A、B、C，在拱腰兩側(cè)分別布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，為周邊位移下測(cè)線(xiàn)。

圖4　隧道監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意

針對(duì)圍巖情況與設(shè)計(jì)不符段以及溶洞塌方段分別選取典型斷面進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，結(jié)果如下。

(1)圍巖情況與設(shè)計(jì)不符段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　圍巖情況與設(shè)計(jì)不符段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

注：控制標(biāo)準(zhǔn)按Ⅲ級(jí)圍巖考慮。

(2)溶洞塌方段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表2和表3可知，圍巖情況與設(shè)計(jì)不符段以及溶洞塌方段拱頂下沉值和下測(cè)線(xiàn)收斂值均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，變形量在可控制范圍內(nèi)。截至2014年3月8日，監(jiān)測(cè)斷面圍巖已基本趨于穩(wěn)定，可推斷所處施工段圍巖應(yīng)力場(chǎng)重分布完畢，后續(xù)施工能順利進(jìn)行。

表3　溶洞塌方段監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

注：控制標(biāo)準(zhǔn)按Ⅳ級(jí)圍巖考慮。

3結(jié)語(yǔ)

針對(duì)建中隧道在施工過(guò)程中遇到圍巖情況與設(shè)計(jì)不符、溶洞塌方問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)其他工程實(shí)例，采取了如下措施。

(1)針對(duì)圍巖與設(shè)計(jì)不符的情況，及時(shí)修改設(shè)計(jì)方案，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

(2)針對(duì)隧道個(gè)別出現(xiàn)溶洞塌方的情況，在等待塌方穩(wěn)定后，采用深孔注漿的方法穩(wěn)定塌方體，在掌子面封閉的情況下加固松散巖體，之后向溶洞中回填混凝土。

通過(guò)采取上述治理措施，兩段拱頂下沉最大值分別為6.39，8.82 mm；隧道周邊位移最大值分別為4.85，5.96 mm，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，后期圍巖基本趨于穩(wěn)定。治理措施效果良好，后續(xù)施工能夠順利進(jìn)行。

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Construction Difficulties and Treatment Measures of Jianzhong Tunnel on Guiweng HighwayQi Jun1, Sun Yi1, Dai Li-chun2, Li Guo-wen3, Yang Yong-bin4

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,

China; 2.China Communications Construction Company Guiweng Highway Company Limited, Weng’an 550400;

3.China Communications Construction Company Highway Consultant Company Limited, Beijing 1000088;

4.China Communications Construction Company Second Highway Engineering Company Limited, Xi’an 710065)

Abstract：Dissolved cavity, cavern, soft and shear zone are difficult points in the construction of karst tunnels. During the construction of Jianzhong tunnel on Guiweng highway, great differences appeared between the local surrounding rock conditions and those indicated in the design and some caverns were collapsed. These seriously affected the construction progress. Therefore, through analyzing the domestic typical karst tunnel design and construction cases, based on the engineering geological conditions of Jianzhong tunnel, programs in the area with conflicted surrounding conditions against the design are modified with reinforced support. In the area of dissolved cavern collapse, such measures are taken as tunnel face closing, deep hole grouting and concrete backfilling. With the measures taken, crown settlement and tunnel inner perimeter displacement are less than the control limits and the effect is good.

Key words：Highway tunnel; Dissolved cavity; Advance geological forecast

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.021

文章編號(hào)：1004-2954(2015)02-0087-04

作者簡(jiǎn)介：齊俊(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：13121075@bjtu.

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2012JBM081)

收稿日期：2014-05-12； 修回日期：2014-05-28