巖溶隧道施工中地質(zhì)工程問題與解決措施研究

馬章書

巖溶隧道施工中地質(zhì)工程問題與解決措施研究

馬章書

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

在巖溶隧道施工中，常常會遇到隧道突水等地質(zhì)工程問題，從而影響工程施工進度。為及時有效地處理地質(zhì)工程問題，文章以一項穿越巖溶地區(qū)的隧道施工工程為例，介紹了其施工中遇到的常見問題，并針對不同的情況提出了相應的解決方案和建議，以期為類似工程建設提供一定的參考。

巖溶地區(qū)；隧道；突出涌泥

引言

在巖溶地區(qū)，隧道的設計和施工中常常會遇到與不確定的位置、不規(guī)則的幾何形狀和不可預測的巖溶結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)的問題。隧道開挖會導致地下巖體結(jié)構(gòu)被破壞，地下水運輸網(wǎng)絡或儲存條件改變。大規(guī)模突水已成為富水地區(qū)隧道施工的嚴重地質(zhì)災害[1]。隧道突水是伴隨著能量高速突然釋放的動態(tài)過程。因此，當隧道發(fā)生突水時，地下水會突然涌入隧道，對施工人員和機械造成極大的威脅。隧道突水的發(fā)生有三個基本條件：（1）特定的地質(zhì)構(gòu)造，如巖溶、斷層等；（2）豐富的地下水及其補給；（3）開挖與擾動。

在巖溶地形中，勘探和定期測試活動應輔以其他適合定位和預測問題區(qū)域的技術(shù)?？紤]到?jīng)]有任何現(xiàn)場調(diào)查技術(shù)是百分之百準確的，因此應采用多種技術(shù)，根據(jù)具體情況進行調(diào)整，同時考慮工程預算和項目中可能承擔的風險。本文以一項穿越巖溶地區(qū)的山嶺隧道施工的工程為例，主要介紹了施工中遇到的常見問題，針對不同情況提出了相應的解決方案和建議為類似的工程提供一種新的思路。

1　工程概況

紅渡一號隧道位于北回歸線北側(cè)，地屬亞熱帶季風氣候區(qū)，根據(jù)《公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JTGF90－2015）附錄A，紅渡1號隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)，為需專家論證的隧道工程，單洞Ⅲ級圍巖長1 100 m，約占總長的37.3%；Ⅳ級圍巖長1 080 m，約占總長的36.6%；Ⅴ級圍巖長770 m，約占總長的26.1%，最長連續(xù)長度為160 m。

1.1　地質(zhì)條件

隧道出洞口段為石炭系中統(tǒng)大埔組（C2d）白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r，中厚－厚層狀構(gòu)造，強風化白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r巖體極破碎，巖質(zhì)堅硬，屬較硬巖，中風化白云質(zhì)灰?guī)r夾灰?guī)r巖質(zhì)較堅硬－堅硬，巖體較破碎－較完整，力學強度較高，抗風化能力較強，工程地質(zhì)穩(wěn)定性較好。

隧道洞身范圍左洞Z4K304+203～Z4K304+260、Z4K304+500～Z4K304+600、Z4K304+990～Z4K305+090、Z4K305+260～Z4K305+340段和右洞Y4K304+170～Y4K304+240、Y4K304+480～Y4K304+580、Y4K304+980～Y4K305+080、Y4K305+240～Y4K305+325段為進出口段及巖溶裂隙發(fā)育帶，裂隙密集發(fā)育，屬聚水、導水破碎帶，圍巖穩(wěn)定性差。

1.2 水文條件

隧址區(qū)內(nèi)地表水體欠發(fā)育，隧道南側(cè)約500 m處為紅水河，常年最高洪水位均低于隧道設計高程，對隧道無影響。場地地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及基巖中的裂隙水和構(gòu)造裂隙水。孔隙水主要賦存于第四系覆蓋層中，接受大氣降水補給，水量一般。地下水以松散巖類孔隙為通道徑流，以蒸發(fā)、垂直向下滲流至基巖裂隙或以補給地表水的方式排泄。地下水主要分布于沖溝低洼地帶，受大氣降水及基巖裂隙水側(cè)向補給，水量有限且較穩(wěn)定，對隧道影響較小[2]。脆性巖石變形，如顆粒破碎使粒徑減小和剪切使顆粒重新定向，產(chǎn)生特征細粒泥化。隧道開挖過程中，在斷層帶遇到了一些巖土工程問題，如掌子面失穩(wěn)、超挖量過大、斷層巖擠壓膨脹變形過大、施工階段失穩(wěn)、涌水量過大等。沿隧道路線，存在不同類型的巖性，如灰?guī)r與頁巖互層、巖溶灰?guī)r中的黏土與灰?guī)r塊以及斷裂帶中的塊狀、角礫狀、黏土質(zhì)物質(zhì)等。頁巖較粗，由石英和高嶺石化長石組成，含有碎斑礦物和絹云母。泥晶灰?guī)r層面呈中厚層狀，強度較高，呈亮晶脈狀。

基巖裂隙水主要賦存于基巖的風化裂隙中，以大氣降雨垂直分散滲入和松散巖類孔隙水滲入補給。在接受補給后，基巖裂隙水主要在水壓力作用下，沿風化裂隙或礦物顆粒間孔隙逕流，逕流條件明顯受地形條件、裂隙連通性因素控制，同時亦受季節(jié)影響明顯[3]。基巖裂隙水一部分向下徑流或側(cè)向補給其他類型地下水，另一部分以泉眼、滲流等形式分散排泄于低洼部位。本次研究主要針對塊狀、角礫狀、黏土質(zhì)斷裂帶。此外，隧道沿線還觀察到新近紀粘土巖組成的沖積層沉積。在本研究中，沒有對隧道路線上新近系和第四系沉積的詳細特征進行研究。隧道路線中的泥盆系巖石單元受到海西期和高山造山帶的影響。因此，黏土質(zhì)和角礫狀斷裂帶在組頁巖中尤為發(fā)育，而褶皺和塊狀斷裂帶在灰?guī)r中占主導地位。由于頁巖不耐變形，在石灰?guī)r和頁巖交替的區(qū)域，破碎是常見的，而在石灰?guī)r中，同心折疊占主導地位。

在隧道開挖過程中，確定了兩種不同的斷層走向。第一組斷層走向為NW—SE向，第二組斷層走向為E—W向。一般來說，斷裂的北部塊體是上升的，而南部塊體是下降的。斷層破碎帶在0.20～30 m之間。由于隧道走向為N—S向，與E—W向相比，NW—SE向的斷層和巖脈影響更大。

2　施工中常見的問題

突水涌泥是隧道施工中最大的危害之一。幾乎所有在建或待建的隧道都能觀測到不良地質(zhì)段，且程度不一。由于山體高度和隧道長度的不同，施工前無法完全確定不良地質(zhì)段的位置，增加了突水涌泥的風險。

紅渡一號隧道從施工開始就呈現(xiàn)出一系列復雜性的巖土工程問題，如落石、滑脫、超挖等，如圖1所示。這些與喀斯特現(xiàn)象有關(guān)的問題使得巖溶隧道施工不穩(wěn)定性增加，阻礙了施工的順利進行。

不穩(wěn)定性發(fā)生在開挖或支護工程期間，主要發(fā)生在角礫狀材料中，由軟粘土—泥灰?guī)r基質(zhì)中的巨石和石灰?guī)r塊組成，該基質(zhì)迅速坍塌或從隧道前部、路肩或頂部滑動[4]。隨著隧道的推進，坍塌越來越嚴重，使裂痕的面積越來越大，空洞是空的，或部分被脫鈣粘土填充。由于隧道襯砌和地面之間缺乏支撐，這些空洞也可能存在問題，最終會影響隧道的使用壽命。

由于地形的巖土工程質(zhì)量較差，采用了套管和輕型微型樁雨傘，但它們無法阻止不穩(wěn)定性的增加。因此，決定系統(tǒng)性地使用長12 m、重疊3 m的連續(xù)微型樁傘。然而，采用這種解決方案仍然會發(fā)生重力不穩(wěn)定性，影響落在微型樁之間的材料。

圖1　斷面排險

樁號501+462處第302段的頂部和右側(cè)山墻上發(fā)生了巨大的失穩(wěn)。據(jù)當時隧道內(nèi)工作人員的描述，開挖輪運行正常。開挖后進行噴射混凝土密封，鋼肋就位；然而，當噴射混凝土機器人進入前部完成支撐時，鑰匙和右側(cè)墻區(qū)域的噴射混凝土密封處發(fā)出沙沙聲和突然破裂，隨后大量粘土滑落，巖石碎片進入隧道。

引入隧道的材料體積約為200 m3，沒有留下可見的空腔。下落的材料形成了一個“穩(wěn)定”的松散材料錐體，占據(jù)了大部分的開挖空間，支撐并阻止了更多的材料，因為很明顯隧道上方的空腔沒有被清空?？梢姷暮蠊谴罅课⑿蜆兜臄嗔押妥詈笠桓摾叩淖冃巍Ｂ淞弦唤?jīng)挖出，密封間隙，更換變形鋼肋。

穩(wěn)定性問題似乎是由于與巖溶現(xiàn)象相關(guān)的沉積物前部和頂部的重力坍塌。后來，在故障上方的地表發(fā)現(xiàn)了幾個天坑。與巖溶現(xiàn)象相關(guān)的沉積物，由于它們的低內(nèi)聚力和強度，在穿越隧道時經(jīng)常引起不穩(wěn)定。

3　解決方案和建議

本文在大量隧道突水突泥案例的基礎上，針對與隧道開挖相關(guān)的圍巖條件和氣象因素，嘗試對隧道突水突泥進行分類。此外，結(jié)合宏微觀機理總結(jié)了突水、涌泥的成因，并提出了現(xiàn)場針對性的處理方法。處理方法包括根據(jù)隧道內(nèi)不同斷面的危險程度選擇超前地質(zhì)預報方法，確定預報項目，選擇合適的方法，即排水導向法、封堵導向法或排水封堵法?？偨Y(jié)了突水突泥處治技術(shù)，包括卸能卸壓技術(shù)、超前注漿技術(shù)、超前旋噴技術(shù)以及超前小導管的安裝（如圖2所示），并分析了其關(guān)鍵技術(shù)特點和適用條件。處理方法的研究結(jié)果可為隧道突水突泥病害的防治提供參考。巖體可被描述為具有明顯的石灰?guī)r巖溶作用的角礫巖?？斩椿虿糠痔畛涞目斩吹拇嬖?，具有低粘性的粉質(zhì)和砂質(zhì)粘土沉積物是常見的。在這些條件下，考慮到材料填充空腔和裂縫的松散性質(zhì)，采用通常的開挖和支護程序很難確保開挖的穩(wěn)定性而不引起重大的不穩(wěn)定性[5]。對于最初的收容，使用了帶有光束的插板和螺栓傘。隨著不穩(wěn)定材料體積的增加，有必要系統(tǒng)地使用重型微型樁傘。然而，當穿過充滿土壤的大空腔時，重型微型樁傘被證明是不夠的[6]?？紤]到前面描述的所有問題情況，有必要為隧道的施工制定新的工作程序，適當處理巖溶地形特征，提高安全性和施工效率。

圖2　超前小導管安裝

需要強調(diào)的是，巖溶現(xiàn)象是隧道前沿最難解決的問題之一，這是由于溶解過程的無規(guī)律發(fā)展、大量相關(guān)現(xiàn)象及其對穩(wěn)定性的影響，這取決于巖溶發(fā)育的巖體特征[7]。

下面描述的處理程序，按照復雜性的遞增順序，被認為適用于處理每種不穩(wěn)定情況，并根據(jù)隧道穿過的地形的特定巖土特征進行調(diào)整。對于隧道的一般支撐，應將以下地面處理程序添加到先前描述的那些程序中。

情況1：巖土特性良好。這是最有利的情況，其中穿越的地面開始出現(xiàn)巖溶跡象，對隧道的實施產(chǎn)生的影響可以忽略不計。石灰?guī)r地塊穩(wěn)定且輕微風化。側(cè)壁或頂部的小空腔可以用噴射混凝土填充，輔助使用Bernold板作為永久性模板。在這種情況下，幾乎不會有任何不穩(wěn)定性或材料脫落進入開挖的隧道。

情況2：巖土特性良好到一般?？梢娪谥械蛶r溶化帶，有脫鈣黏土，充填部分空洞，不會產(chǎn)生明顯的滑脫。如果在側(cè)壁中出現(xiàn)不穩(wěn)定性，則應足以穩(wěn)定空腔，對粘土材料進行清潔，并用噴射混凝土或泵送的貧混凝土填充空隙，使用Bernold板作為永久性模板。在冠部，可能需要使用自鉆錨作為預支撐，以確保安全。在這種情況下，空腔也應填充噴射混凝土或貧混凝土。

情況3：一般巖土特征。石灰?guī)r巖體相當風化，呈現(xiàn)出由中等粘性材料填充的大空腔，由于解限而產(chǎn)生小分離。這種填充物的體積和重量可以克服錨桿的強度，但不能保證開挖的安全。對于該區(qū)域，宜采用長12 m、軸間距40 cm的重型微型樁傘（考慮到微型樁直徑約為90 mm），重疊3～4 m并調(diào)整尺寸以適應每個檢測到的情況。微型樁具有高剛度和高承載能力，可承受斷面邊緣可能出現(xiàn)的松散地面脫離的載荷。使用重型鋼肋（HEB）將提高傘的支撐性，原因是它具有高剛度，有助于吸收局部載荷。如果在實施傘的第一階段期間未檢測到明顯異常，則應在單階段通過管口注入管子。

情況4：巖土特性較差。如果在前一個案例中的微型樁傘的實施過程中，檢測到強烈的破裂區(qū)、填充有軟材料的空腔或空洞，則應在傘的拱形中（軸之間間隔25 cm）進行第二階段的微型樁插入。交替微型樁的數(shù)量和位置將取決于隧道沿線不穩(wěn)定區(qū)域的空間分布。建議放置一個“臨時”鋼肋來支撐第一米重的傘。第二階段的交替微型樁應配備兩個直徑為10～12 mm的單向閥（180°），沿管定位，在連續(xù)鉆孔之間間隔一米，允許沿微型樁管進行局部注射。

情況5：巖土特性差。在微型樁施工過程中，由于巖溶現(xiàn)象，地基嚴重惡化時，需要通過第二階段的微型樁閥門注入灌漿。在這種情況下，可能需要使用百葉窗進行注入，以便盡可能均勻地沿微型樁分布灌漿流。這個過程創(chuàng)建了一個加強的注射傘。注入的目的是填充靠近隧道頂部的空腔，當空腔充滿土壤時，以改善其性能。它會在微型樁之間形成一個注入的地冠，從而提高挖掘和支撐工程期間的安全性。隨后應進行第一階段的微型樁的灌漿注入。

情況6：巖土特性非常差。在這種情況下，地基一般會很不穩(wěn)定，上述程序并不能保證隧道內(nèi)工作的安全。在這種情況下，預支護技術(shù)失效，需要在開挖段周圍進行系統(tǒng)的地基處理。為了增加地基的穩(wěn)定性條件，改善其力學特性，可以使用注入高凝聚力產(chǎn)品（水泥漿或樹脂）或噴射注漿處理。最后一個選項是最難實施的，因為所需的設備非常特殊，而且進行處理所需的施工程序也很復雜。然而，如果有必要，這種處理將允許通過在要挖掘的部分周圍設置一系列加固地面的水平柱來解決問題。

4　結(jié)束語

突水災害已成為隧道穿越富水斷層的嚴重地質(zhì)災害。為綜合考慮工程地質(zhì)的復雜性和不可預測性，選取多個影響因素對突水危險性等級進行評價。并建立了評價指標體系和相應的分級標準。誘發(fā)突水突泥的主要因素與圍巖條件、氣象影響和隧道開挖有關(guān)。圍巖條件是巖溶隧道潛在突泥的基礎。隧道開挖是突水的人為觸發(fā)因素。氣溫、降雨等氣象因素的影響會加速突水突泥災害的發(fā)展。在紅渡一號隧道中，報告的問題主要是由于巖溶作用和不均勻且不可預測的石灰?guī)r巖體造成的不合適的地面行為，對應于質(zhì)量非常差的巖土工程區(qū)。填充巖溶洞的土壤的內(nèi)聚力降低和不合適的地質(zhì)力學特性產(chǎn)生了嚴重的不穩(wěn)定問題，因此最初為隧道開挖和支護提出的程序無法確保安全施工。盡管報告了問題，但張力產(chǎn)生的變形是無關(guān)緊要的。

使用預支撐（螺栓、微型樁等）和挖掘邊緣的地面改良技術(shù)（注入、回填、部分替代等）被證明是非常有效的。使用這種方法，可以避免因停止施工或需要重新定義施工期間的挖掘和支持程序而造成的人身傷害和經(jīng)濟損失。

文中提出的解決方案和建議可以為在受巖溶過程影響的巖體中實施的隧道的研究、設計和施工提供指導。紅渡一號隧道的成功完成證明了所提出的解決方案的技術(shù)驗證。

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[7] 劉新福. 巖溶隧道安全施工與災害防治研究[M]. 北京: 中國鐵道出版社，2014.

Research on Geological Engineering Problems and Solutions in Karst Tunnel Construction

In the construction of karst tunnels, geological engineering problems such as tunnel water inrush are often encountered, which can affect the construction progress. In order to timely and effectively address geological engineering problems, the article takes a tunnel construction project that passes through karst areas as an example, introduces common problems encountered during its construction, and proposes corresponding solutions and suggestions for different situations, aiming to provide a reference for similar engineering construction.

Karst areas; tunnel; water and mud inrush

U45

A

1008-1151(2023)09-0011-03

2023-01-14

馬章書（1989－），廣西路建工程集團有限公司工程師，從事交通工程建設與技術(shù)管理工作。