隧道岩溶施工关键点论述

陈红生

关键词：隧道岩溶、分类、探测、处理

一、工程概况

龙川至怀集高速公路马口排隧道，设计为双线四车道，双洞单向行车，高速公路设计时速100km/h。该设计为小净距/分离式隧道，左幅里程桩号为ZK225+260～ZK226+370，全长1110m，最大埋深约152m；右幅里程桩号YK225+185～YK226+370，全长1185m，最大埋深约138m。据隧址区工程地质测绘及钻孔成果，隧道进、出口地形平缓地段为第四系全新统残坡积（Q4el+dl）层覆盖，出露基岩为石炭系下统大塘阶石磴子段（C1ds）地层，隧道穿越褶皱轴部，裂隙发育、岩层产状变化大、陡倾，岩溶复杂。

二、岩溶的分类

隧道岩溶发育虽千奇百怪、复杂多变，无规律性，但也有其内在的类型特征，有五种分类方式：

三、岩溶的地段探测

（一）超前地质预报

1、超前地质预报的原则

根据隧道工程线路长度、地质条件等实际情况，坚持超前地质预报“地质与物探、钻探结合，洞内外结合，长短及不同物探方法结合原则”，在对隧道风险分级的基础上，采用相对应的预报方案。

2、超前地质预报方法

⑴隧道地震波勘探法

TSP203超前地质预报系统，是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的，是目前在该领域的最先进设备，它能方便快捷预报掌子面前方100－200m范围内的地质情况，包括隧道前方岩性的变化、破碎带和软弱层的位置宽度、是否含水、是否存在不良地质体等，通过探测为隧道工程以及变更施工工艺提供依据。这将大大减少隧道施工带来的危险性，减少人员和机械损伤，同时也带来了巨大的经济利益和社会效益。

探测原理：TSP测量系统是通过在掘进面后方一定距离内的钻孔内施以微型爆破来发射声波信号的，爆破引发的地震波在岩体中以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，当波在隧道前方遇到异面时，将有一部分波从界面处反射回来，界面两侧岩石的强度差别越大，反射回来的信号也越强。放射信号经过一段时间后到达接受传感器，被转换成电信号并进行放大。从起爆到反射信号被传感器接收的这段时间是与反射面的距离成比例的，通过反射的时间与地震波传播速度的换算就可以将反射界面的位置、与隧道轴线的交角以及与隧道掘进面的距离确定下来；同样使用TSP也可以将隧道上方或下方存在的岩性变化带的位置方便地探测出来。

⑵地质雷达超前预报

地质雷达(简称GPR)也称作探地雷达，是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波的不同响应来确定地下介质的分布特征。主要是通过观测位移电流的变化来实现其探测目的。其应用范围涉及公路、铁路、水电站、煤矿、隧道、矿产资源和考古等各个领域。

探测原理：发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，通过分析这些携有地下介质电信息的电磁波，可根据其旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的界面就越清晰，表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。

地质雷达能预报掌子面前方地层岩性的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一个很好的预报手段。但是地质雷达目前探测的距离较短，大约在20～30m之间，对于长距离隧道的预报只能分段进行，同时雷达记录易受洞内机器干扰，探测分析中要特别注意波相识别，排除干扰。

⑶全空间瞬变电磁法

瞬变电磁法是一种时间域电磁法，它是利用阶跃波形电磁脉冲激发，利用不接地回线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标的一种地球物理勘探方法。

探测原理：利用不接地回线(或电偶源)向地下发送一次脉冲磁场(或电场)，即在发射回线上供一个电流脉冲方波，方波后沿下降的瞬间，将产生一个向地下传播的一次瞬变磁场，在该磁场的激励下在地质体内产生涡流，其大小取决于该地质体的导电能力，导电能力强则感应涡流强。在一次场消失后，涡流不能立即消失，它将有一个过渡过程(衰减过程)，该过渡过程又产生一个衰减的二次场向地下传播。在地表用接收线圈接收二次磁场，该二次磁场的变化，将反映地下介质的电性情况，在接收机中按不同的延迟时间测量二次感应电动势，得到二次场随时间衰减的特性。

⑷复合式激发极化法

激发极化法(简称IP)是电法勘探的一个重要分支，在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。激发极化法是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究被测对象的激电效应进行地质探查的一种电法。

通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。

⑸超前水平钻探

超前水平岩芯钻孔，可视为隧道中的微形导坑，可能探测了解隧道开挖工作面前方几十米乃至上百米范围内围岩的地质情况。在钻进过程中，坚硬的岩石应采用较低的转速和较高的钻压；较软的岩石则应采用较高的转速和较低的钻压。也可利用开挖工作面上的炮眼孔或深水孔、声波探测孔的钻进情况来探测了解围岩地质情况。

（二）溶腔界面锁定

隧道接近溶腔时，通过风钻钻探来锁定溶腔界面。钻探时根据钻进速度、排渣情况、水量大小，从而准确地锁定溶腔临近界面。尤其对于高压富水的溶腔，必须对溶腔充填物、水压力、水量和纵向发育长度进行确定，对溶腔形态、规模和水源进行分析与判断，制定专项施工方案。

（三）突泥突水的探测及处理

突泥突水是隧道施工潜在的极高风险，一旦出现后果不堪设想。突泥突水预防措施，主要手段是对地质精确探测与安全评价。精确探测在超前地质预报基础上，通过临近钻探，对溶腔大小、规模、充填情况作一步分析和评估。并牢牢坚持“物探先行、钻探验证、有疑必探、先探后掘、不探不掘”的方针，把探测做为第一道强制性工序来抓，心中有数才掘进。

四、溶洞处理

马口排隧道物探报告揭示在ZK225+440-ZK225+510、K225+416-K225+486、ZK226+205-ZK226+350、K226+186-K226+331段可能经过岩溶发育区，隧道施工开挖易产生大规模坍塌，易渗流水，有突泥涌水可能；在ZK225+508-ZK225+550、K225+486-K225+518、ZK225+785-ZK225+813、K225+767-K225+795、ZK225+978-ZK226+101、K225+958-K226+081段物探异常，可能经过岩溶发育破碎带，隧道施工开挖易产生大规模坍塌，有涌水突泥可能，雨季易产生涌水；隧道K225+805-K225+949为岩溶槽谷，岩溶极发育段，隧道开挖易产生大规模坍塌，突泥突水可能性大，雨季易产生涌水。

主要对策：施工前加强地表岩溶漏斗的调查、加强超前地质预报工作，及时调整施工方案，做好相应的应急处理措施预案。施工中根据岩溶的发育情况和与隧道的相互位置关系，进行针对性的处治：

1、小型溶洞处治方案

对出露于隧道拱部、边墙、底板的发育有限、充填物易于清理的小型溶洞，原则上按回填的方式处理，见下图所示：

（1）溶洞位于隧道顶部

凿除与圬工接触的基岩表面的溶蚀物，对溶洞洞壁采用锚杆、钢筋网、喷砼封闭支护，喷砼采用C20砼，厚度10cm，钢筋网为φ6.5钢筋网，网格间距20cm×20cm，锚杆为φ22砂浆锚杆，间距1m，每根长度为3m，梅花形布置。衬砌外侧施作C25护拱，厚1m，并在护拱上预留1-2个φ100孔洞。通过预留孔向顶部吹入1m厚砂子作为缓冲层。

（2）溶洞位于隧道侧面

先采用干砌片石回填，再用1m厚M10浆砌片石进行封堵。

（3）溶洞位于隧道仰拱底

当基底溶洞充填物的厚度小于3m时，采用换填方法，对溶洞下部采用干砌片石换填，上部1m采用M10浆砌片石换填。

当基底溶洞充填物的厚度为隧道仰拱以下3m-10m时，采用注浆加固法，选用φ76无缝钢花管，钻孔深入基岩1m左右，孔间距为1.5m，进行注浆加固，注浆材料选用C30水泥砂浆。当基底溶洞充填物的厚度为隧道仰拱以下大于10m时，见“洞体深浚、充填丰满的大型溶洞处治方案”。

（4）溶洞位于边墙基础附近

当边墙基底溶洞充填物或空洞≤3m时，采用片石砼换填处理。

当边墙底溶洞充填物或空洞≥3m时，边墙基础采用托梁跨越，边墙梁下部空隙采用夯填洞渣处理。见“洞体深浚、充填丰满的大型溶洞处治方案”。

2、洞体深浚、充填丰满的大型溶洞处治方案

对于洞体深浚、充填丰满的大型溶洞，即隧道从溶洞充填体中穿过，按预注浆、管超前、强支护、梁跨越的方式处理。工字钢间距0.8m、φ6.5双层钢筋网、φ42径向注浆小导管（环距0.8m）。见下图所示：

模筑砼：起拱线以上按横向拱跨设计，厚度不小于65cm；

预注浆：视情况采用全断面帷幕注浆或全断面周边预注浆；

超前支护：φ108大管棚、环距50cm；

初期支护：C20喷射砼25cm、起拱线以下的边墙及底板按纵向梁、板设计，C30砼底板最薄处不小于60cm。

当基底溶洞充填物的厚度为隧道仰拱以下大于10m时，采用注浆加固法，选用φ76无缝钢花管，钻孔深入仰拱底下10cm左右，孔间距为1.5m×1.5m，进行注浆加固，注浆材料选用C30水泥砂浆。注浆加固范围内应先铺设1m厚浆砌片石后方能浇筑隧道衬砌。

3、基础及底板下的大型溶洞（岩溶管道）处治方案

对基础及底板下、且不能阻塞的大型溶洞（岩溶管道），原则上按梁跨的方式通过。当溶洞横向宽度较窄时，可不设柱墩。见下图：

5、基础及底板下的小型、大型暗河处治方案

施工过程中，根据超前地质预报和超前探孔准确确定暗河的位置、规模及季节水量等情况，结合实际情况，进行专项设计。主要有以下两种情况：

小型暗河处治方案图

暗河在某一方向宽度较窄，数量较小，采用埋置预制管涵或透水管，充填块石，保证水路通畅，不得堵塞原水路；暗河宽度较大，水量较大，视具体情况设置钢筋砼桩和钢筋砼梁板跨过暗河；暗河河道位于拱脚及拱墙处，要加强隧道衬砌结构的防水；河道位于拱墙以下，可以使用C15片石砼加强墙脚及路基基础，防止基础被水冲蚀。

五、结束语

由于隧道工程地质条件的复杂性、多样性，如果不进行较为准确的探测很难在施工阶段全面准确地对隧道相关情况作出提前判断。因此在隧道施工过程中，通过对岩溶的探测，及时把获得的信息数据反馈于施工中是非常必要的一项措施。岩溶探测作为隧道工程施工的重要手段，保证了隧道施工的安全并取得了良好的经济效益，收到了良好的效果。实际施工中，针对所探明的各类岩溶亦要有相应的针对性处理措施。只有把握住以上的各项关键点，才能在隧道岩溶专项施工中做到运筹帷幄。

参考文献：

[1]中交第一公路工程局有限公司主编，公路隧道施工技术规范（JTGF60-2009），北京：人民交通出版社（2009.09）

[2]李伟，岩溶地区隧道溶洞处理技术[J]，山西建筑215（11）

[3]赵东升，高速公路岩溶地区长大隧道溶洞处理技术[J]，价值工程2015(09)

[4]王锦山、王力、张延新、刘志刚，隧道施工超前地质预报理论基础与方法，中国地质大学出版社（2012.02）