長大可溶巖段落隧道施工關(guān)鍵技術(shù)淺析

劉士波

(中鐵三局集團(tuán)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(dú)山一號隧道全長8 488 m，位于貴州黔南州都勻市，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，線路曲線半徑9 000 m，線路縱坡為單面上坡，進(jìn)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?guī)r、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(qiáng)烈發(fā)育外，其余可溶巖段落巖溶均為弱～中等發(fā)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(qū)屬于中低山侵蝕、溶蝕地貌區(qū)，洞身穿過地層巖性復(fù)雜多變，地下水補(bǔ)給、徑流條件復(fù)雜，隧道涌水量4.14萬m3/d。

隧址區(qū)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(fā)育。

2 隧道穿越特殊地質(zhì)構(gòu)造和潛在施工風(fēng)險(xiǎn)

2.1 特殊地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、川黔經(jīng)向構(gòu)造帶南段。隧址區(qū)斷裂較發(fā)育，斷裂構(gòu)造以北西向組最為發(fā)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(tǒng)紅花園組灰?guī)r、白云巖地層，下盤為寒武系上統(tǒng)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(cè)均為志留系中統(tǒng)翁項(xiàng)組石英砂巖、頁巖夾灰?guī)r、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(tǒng)翁項(xiàng)組石英砂巖、頁巖夾灰?guī)r、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(tǒng)翁項(xiàng)組石英砂巖、頁巖夾灰?guī)r、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(tǒng)翁項(xiàng)組石英砂、頁巖夾灰?guī)r、砂巖地層，下盤為奧陶系下統(tǒng)紅花園組灰?guī)r、白云巖。與洞身交角約75°，帶寬約70 m。

2.2 潛在的施工風(fēng)險(xiǎn)

1)隧道通過洞身各斷裂構(gòu)造時(shí)，因地下水的集中富集，有可能會(huì)發(fā)生斷層帶地下水的局部突然涌出。隧址區(qū)地形為南高北低，地下水的總體流向?yàn)镹W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(bǔ)給外，主要通過地表洼地、落水洞、溶洞匯集大氣降水的補(bǔ)給，水量豐富?？扇軒r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(jié)理裂隙破碎，圍巖穩(wěn)定性差，富水性好，施工中發(fā)生坍塌、掉塊等現(xiàn)象，遭遇突水、突泥可能性大。

4)洞身巖性以灰?guī)r、頁巖、砂巖為主，巖層平緩，巖質(zhì)軟硬不均，且受構(gòu)造影響，巖體較破碎，完整性差，巖質(zhì)軟，開挖揭示后風(fēng)化，遇水易軟化，施工過程中易出現(xiàn)掉塊、坍塌、基底軟化及坍塌。

3 可溶巖段落隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

針對隧道特殊的地質(zhì)構(gòu)造和潛在風(fēng)險(xiǎn)，施工期間緩傾軟質(zhì)巖隧底變形控制、拱部塌方、局部巖溶段突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)防范，運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)安全是隧道襯砌構(gòu)造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1)超前支護(hù)：穿越破碎帶時(shí)，根據(jù)圍巖揭示的情況，采取中管棚或小導(dǎo)管超前支護(hù)，進(jìn)尺控制在0.6 m。圍巖破碎程度較為嚴(yán)重時(shí)，可采取大管棚支護(hù)；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(jìn)行加固。其他段落的支護(hù)按圍巖級別相應(yīng)的采取型鋼拱架或格柵拱架進(jìn)行初期支護(hù)。

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

3)隧道襯砌加強(qiáng)：在軟弱緩傾巖層段落，對仰拱進(jìn)行加深、加厚，將原設(shè)計(jì)仰拱曲率1/4調(diào)整為1/8。完工后按30 m每斷面設(shè)置變形觀測，持續(xù)至運(yùn)營后1年。

4)隧道排水：暗洞段襯砌拱墻背后設(shè)環(huán)向φ50、縱向設(shè)φ80打孔波紋管(外裹無紡布)，管口接入側(cè)溝；間距2 m，環(huán)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(yù)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(jié)晶物并鉆入圍巖0.5 m。揭示的溶洞預(yù)留排水通道，增設(shè)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(hù)、護(hù)墻、護(hù)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(guān)鍵技術(shù)

4.1 工作界面劃分

本隧道工期為48個(gè)月，全隧分進(jìn)口、橫洞、斜井及出口工區(qū)共3個(gè)工區(qū)組織施工。各工區(qū)承擔(dān)施工任務(wù)如表1所示。

表1 獨(dú)山一號3個(gè)工區(qū)施工任務(wù)劃分表

4.2 施工機(jī)械配置

進(jìn)口、橫洞及斜井等4個(gè)掌子面配置了中等強(qiáng)度的機(jī)械作業(yè)，礦山法爆破三臂鑿巖臺(tái)車。配備4臺(tái)40 m長自行式全幅模板仰拱棧橋，實(shí)現(xiàn)施工一環(huán)仰拱、一環(huán)填充、等強(qiáng)一環(huán)；仰拱模板的端部全部配置了“L”形端模板，加強(qiáng)環(huán)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(shí)施雙棧橋配置，Ⅴ級、Ⅳ級圍巖平均工效80 m/月以上。每個(gè)掌子面配備了多功能錨桿鉆機(jī)1臺(tái)，專用超前水平鉆機(jī)1臺(tái)。

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(fēng)槍鉆機(jī)，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(huán)進(jìn)尺開展的隱伏性巖溶探測應(yīng)控制在2 h～3 h內(nèi)；隱伏性巖溶探測需由人工鉆孔探測完成，以便實(shí)時(shí)的掌握鉆進(jìn)卡鉆、突進(jìn)等異常情況。邊墻泄水孔Ⅱ期鉆孔應(yīng)在二襯砌完成2個(gè)～3個(gè)循環(huán)內(nèi)完成，以便及時(shí)釋放襯砌背后水壓力。

5 長大可溶巖隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)

5.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合實(shí)施

充分利用“看、測、探、驗(yàn)”四種手段開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)?？醇吹乇碚{(diào)查和掌子面地質(zhì)素描。地表調(diào)查主要核實(shí)隧道經(jīng)過區(qū)域內(nèi)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(guān)系，結(jié)合巖層的走向，預(yù)判隧道裂隙水發(fā)育程度、掌子面出水的補(bǔ)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(zhì)地是否發(fā)生變化，特別是掌子面圍巖出現(xiàn)了方解石、石膏及圍巖出現(xiàn)了黃色水銹時(shí)，出現(xiàn)了巖溶或突泥突水的可能性增大。測即開展地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等物探。探即開展超前水平鉆孔、加深炮孔進(jìn)行探測，超前水平鉆孔施作時(shí)技術(shù)人員需值守記錄，對于突進(jìn)、冒水等異常情況，應(yīng)探明原因；若加深炮孔或超前水平鉆孔出現(xiàn)冒水或帶壓水，應(yīng)釋放水后再次擴(kuò)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(yàn)即風(fēng)槍進(jìn)行隱伏性巖溶探測和完工后開展物探進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施要點(diǎn)

1)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖要求進(jìn)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(yù)報(bào)單位需派人旁站。有特殊異常段落，經(jīng)各方會(huì)商后可增加物探手段。

2)施工單位應(yīng)針對預(yù)報(bào)成果異常的部位施作超前水平鉆探，并建立起高效溝通機(jī)制，及時(shí)查明特殊異常。施工單位現(xiàn)場應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(qiáng)施鉆人員崗位培訓(xùn)，提高安全意識(shí)，增強(qiáng)技術(shù)人員對臨近不良地質(zhì)體的判識(shí)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(fēng)險(xiǎn)點(diǎn))，做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，并在異常區(qū)附近多次施鉆查明具體病害形態(tài)。

3)隧道工點(diǎn)地質(zhì)工程師必須配備鋼尺、羅盤、地質(zhì)錘等地質(zhì)常規(guī)工具，準(zhǔn)確描述掌子面情況；掌子面地質(zhì)素描附圖應(yīng)體現(xiàn)巖層走向、節(jié)理位置及角度等信息，且描述中應(yīng)包含巖層厚度，巖層產(chǎn)狀，節(jié)理裂隙發(fā)育情況(長寬、形態(tài))、充填物等信息。

4)要求預(yù)報(bào)單位應(yīng)對各種物探手段進(jìn)行綜合分析、判識(shí)，形成的綜合報(bào)告應(yīng)包含上次報(bào)告結(jié)論與實(shí)際開挖揭示情況的對比，以地質(zhì)展示圖的形式附入綜合分析報(bào)告。

5)每次超前水平鉆和加深炮孔施作完成后，現(xiàn)場監(jiān)理必須進(jìn)行及時(shí)核查、驗(yàn)孔，保證鉆探的精確性；施工單位帶班領(lǐng)導(dǎo)不定期檢查，發(fā)現(xiàn)不按規(guī)定開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的，應(yīng)給予嚴(yán)厲內(nèi)部考核和處罰。

6)對隧道地表巖溶洼地、漏斗等進(jìn)行踏勘(或航拍)；巖溶洼地位置應(yīng)設(shè)置雨量監(jiān)測計(jì)，并根據(jù)洞內(nèi)開挖里程實(shí)時(shí)調(diào)整位置。

6 結(jié)語

長大可溶巖隧道施工過程的難度集中體現(xiàn)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(shè)計(jì)階段應(yīng)對隧道穿越的地質(zhì)情況進(jìn)行探明并采取措施，特別是完善、疏導(dǎo)原有圍巖中排水體系，避免地下水、地表補(bǔ)給水給隧道帶來水壓荷載；設(shè)計(jì)階段應(yīng)細(xì)化應(yīng)對巖溶、破碎帶等地質(zhì)復(fù)雜的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。施工階段嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段進(jìn)行探測，并結(jié)合圍巖的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整；在穿越破碎帶地段，宜動(dòng)態(tài)調(diào)整超前支護(hù)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(yùn)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(zhì)條件好的段落，配足機(jī)械設(shè)備、向設(shè)備要進(jìn)度，確保總體工期可控。