贵瓮高速公路建中隧道施工难点及治理措施

齐　俊,孙　毅,戴李春,李国文,杨永斌

(1.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室, 北京　100044； 2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司, 贵州瓮安　550400；

3.中交公路规划设计院有限公司, 北京　100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安　710065)



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贵瓮高速公路建中隧道施工难点及治理措施

齐俊1,孙毅1,戴李春2,李国文3,杨永斌4

(1.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室, 北京100044； 2.贵州中交贵瓮高速公路有限公司, 贵州瓮安550400；

3.中交公路规划设计院有限公司, 北京100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安710065)

摘要：溶腔、洞室和软弱破碎带是岩溶地区隧道施工的难点和重点。贵瓮高速建中隧道在施工过程中出现了围岩与设计情况不符以及溶洞塌方等问题,严重影响了施工进度。为此,通过对国内典型岩溶隧道设计施工案例进行分析借鉴,结合建中隧道的工程地质条件,在围岩与设计情况不符段进行方案修改,加强支护；在溶洞塌方段进行掌子面封闭、深孔注浆、回填混凝土等治理措施。经采取上述措施后,拱顶沉降和隧道周边位移均小于控制标准,效果良好。

关键词：公路隧道；岩溶空洞； 超前地质预报

岩溶作用是指地表水和地下水对地表及地下可溶性岩石(碳酸盐岩类、石膏及卤素盐类等)所进行的以化学溶解作用为主，机械侵蚀作用为辅的溶蚀作用、侵蚀-溶蚀作用以及与之相伴生的堆积作用的总称[1]。可溶性岩石在我国分布广泛，这使得隧道工程不可避免地涉及岩溶问题。影响岩溶发育的因素十分复杂，岩溶的类型又丰富多样，这给岩溶地区的隧道工程的施工带来了巨大的困难[3-5]。本文介绍的建中隧道便是岩溶地区的典型隧道工程，在施工中遇到了围岩与设计地质情况不符以及岩溶空洞等问题，这些问题严重影响了施工的进度，需要采取适当的措施加以解决。

1工程概况

1.1工程基本情况

建中隧道为贵州省贵阳市至瓮安县高速公路中的最长隧道，位于瓮安县建中镇，为双向四车道分离式高速公路隧道，隧道主洞断面轮廓：0.75 m(左侧检修道)+0.5 m(左侧侧向宽度)+2×3.75 m(行车道)+0.75 m(右侧侧向宽度)+0.75(右侧检修道)，共宽10.25 m，限高5 m，内轮廓如图1所示。

图1　建中隧道内轮廓(单位：cm)

建中隧道左线全长3 287 m，里程桩号ZK79+013～ZK82+300；右线全长3 302 m，里程桩号YK79+003～YK82+305。进出洞门均采用削竹式。山顶最高高程约1 373.4 m，隧道洞顶最大埋深147.45 m，最小埋深在进洞口，埋深约1 m。建中隧道长度大于3 000 m，是特长隧道，设置3个车行横通道和8个人行横通道。建中隧道洞身围岩级别见表1。

表1　建中隧道基本情况

1.2工程地质条件

隧址区在地貌上属于侵蚀地貌类型，地形起伏较大。隧道出口处，地形较陡，坡度18°～26°，坡向朝西北；出口处为山坡，地形较陡，坡度27°～31°，坡向朝东。

建中隧道地质情况：Ⅲ级围岩为浅灰色中风化灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性一般；Ⅳ级围岩为浅灰色中风化灰岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性较差；Ⅴ级围岩主要为粉质黏土夹杂浅灰色强～中风化灰岩，节理裂隙很发育，局部溶洞贯通性发育，岩体很破碎，稳定性差。

隧址区未见地表水发育。地下水主要为硅酸盐岩类岩溶水、基岩裂隙水，含水量较小，接受大气降水的补给，水位埋藏度随季节变化和地势的高低变化而变化。

1.3施工方法

建中隧道主要施工方式为：Ⅲ级围岩段采用全断面开挖；Ⅳ级围岩段采用上下台阶法开挖；Ⅴ级围岩土质段采用CD法开挖，粉质黏土较少且整体性相对较好的岩石段采用预留核心土法开挖。

按照上述施工方式，Ⅲ级围岩岩石坚硬，整体性好，拟采用全断面光面爆破开挖，对于整体性较好Ⅳ级围岩段分上下断面采用光面爆破，Ⅴ级围岩视掌子面实际情况，对于围岩整体性较差段主要采用机械结合松动爆破开挖，岩石段采用中间松动爆破与周边光面爆破相结合的爆破方法。

2工程难点及应对措施

2.1工程难点

岩溶地区的隧道施工会经常遇到软弱的地质带、断层以及岩溶空洞，有的岩溶空洞中还会有岩块、松散土或泥浆作为填充物[6-7]。岩溶发育对隧道工程危害较大，溶洞、溶蚀裂隙、溶蚀小孔破坏了围岩的整体性，降低了岩体的整体强度，影响围岩稳定，导致洞室坍塌及洞顶地表塌陷。若破坏了岩溶水通道，则会导致涌水、突泥的发生，这些事故都十分危险，会阻碍隧道施工的进行，甚至出现人员的伤亡。

本工程中主要遇到的典型施工难点问题如下。

(1)围岩与设计地质情况不符

建中隧道掘进至ZK79+722处，该处原设计为Ⅲ级围岩，实际掌子面围岩主要为中风化灰岩，节理裂隙呈水平状发育，岩体较破碎，且夹杂大量的经沉积作用形成的煤矸石，隧道开挖后，受构造影响，拱部松散岩体大量坍塌，极不稳定。

(2)施工过程中突现溶洞(图2)

图2　隧道施工揭示溶洞情况

建中隧道掘进至YK79+596处发现溶洞，溶洞处于拱顶及拱腰位置，竖向深度约25 m，呈不规则状，环向影响范围约10 m，溶洞为填充型干溶洞，洞壁岩体极其破碎，极不稳定，填充物为破碎石块夹泥，爆破开挖后，填充物及洞壁四周破碎岩体夹杂泥块失去支撑而大量掉落，掌子面上方难以稳定，严重影响施工作业安全。

2.2一般预防及应对措施

2.2.1超前地质预报

岩溶地区施工过程中围岩与设计地质情况不符的现象时有发生，为尽可能减小这一几率，超前地质预报便是十分重要的一个环节。若隧道的地质情况复杂，存在溶洞、断裂带、岩石破碎带等不良地质带，需结合地质勘探设计予以查明。为此，要针对隧道辅助施工设置的具体情况，开展综合超前地质预测预报。

目前超前地质预报主要手段有物探法、地质分析法和超前钻探法[8-9]。针对隧道的工程特点，可采用地貌、地质调查与地质推理相结合的方法，进行定性预测。具体采取的措施有：对开挖全过程进行综合预测、预报，方法有地质素描法(常规地质法)、首先采用TSP探测仪进行远程较宏观的地质预报，再采用地质雷达进行近距离较微观的地质预报，对于较强富水地段以及主要断层和宽度的断层前后50 m范围采用超前地质钻孔组合，对于涌水地段采用3孔组合，以对不良地质地段进行最后确认。

施工中应该将几种预报手段综合运用，取长补短，相互补充和印证。综合监测结果，及时提出对不良地质的处理措施，以降低施工风险，确保工程质量和运营安全。

超前地质预报若发现前方地质情况与设计不符时要及时通知设计单位到现场核实，以便及时采取有效的设计变更方案。

2.2.2岩溶塌方处理办法

当溶洞位于隧道上方时常常会发生塌方，溶洞中的松散土、碎石等会随之落下[10-12]。这时应优先保持塌方体的稳定，一般采用喷射混凝土或注浆的方法实现。遇到上述情况，可在拱部小导管注浆或管棚预固结围岩的保护下，尽量减少对围岩的扰动，采用拱部预留核心土，周边采用人工风镐开挖，核心土及中槽用挖掘机开挖。溶洞位于隧道上方发生塌方时施工程序如图3所示。

图3　溶洞塌方地质段施工程序

2.3建中隧道应对措施

2.3.1围岩与设计地质情况不符的施工段方案修改

(1)以ZK79+722为起点，暂定纵向20 m范围内按照如下方案实施：将开挖断面按619 cm半径开挖，初期支护厚度24 cm，预留沉降量5 cm，二衬厚度35 cm；增设I18型钢，每榀间距60 cm；采用φ22 mm的螺纹钢单层连接，环向间距100 cm；间距20 cm×20 cm；系统锚杆采用φ22 mm药卷锚杆，L=3 m，间距60 cm×120 cm(纵×环)，每环16/17根，梅花形布置。其余设计参数不变。

(2)结合该段地质超前预报，考虑到后续地质情况可能存在变化， 暂定先按上述方案施工20 m，再根据围岩情况确定后续方案。

2.3.2溶洞塌方地质段具体治理措施

(1)立即撤离掌子面人员及机械设备，避免溶洞坍落造成损失，待稳定后再清理堆积的填充物，进行后续施工。

(2)YK79+596断面开始，溶洞环向14 m范围设置双排φ25 mm中空锚杆，单根长度3.5 m，环向间距40 cm，搭接长度50 cm，纵向范围为溶洞影响全长(预估纵向10 m范围)，以稳定洞顶松散岩体，便于后续施工。

(3)掌子面用碎石土反压封闭，在溶腔底部设置φ8 mm(间距25 cm×25 cm)双层钢筋网，预留φ108 mm×6 mm注浆孔，在反压土支撑下，泵送C25混凝土至溶洞腔内，C25混凝土在溶洞裂隙范围扩散，与松散岩体相互结合形成支撑整体，一方面防止继续坍塌，另一方面阻挡溶洞内高处掉落的石块，确保人员设备可以安全进入掌子面附近施工。

(4)溶洞纵向影响范围内(YK79+596断面开始，预估纵向10 m范围)支护加强处理：将开挖断面按630 cm半径开挖(原设计开挖半径605 cm，扩大25 cm开挖)，初期支护厚度28 cm，预留沉降量12 cm，二衬厚度35 cm；增设I22b型钢，每榀间距40 cm；每榀钢拱架采用4根，单根长4 m的φ42 mm×4 mm的钢花管锁脚固定；采用φ25 mm的螺纹钢双层连接，环向间距50 cm；设φ8 mm双层钢筋网满铺，间距20 cm×20 cm；系统锚杆采用φ22 mm药卷锚杆，L=3 m，间距40 cm×120 cm(纵×环)，每环16/17根，梅花形布置。用φ108 mm×6 mm钢管(长100 cm，2根)焊接于工字钢上，预留1个浆孔，1个排气孔。

(5)待工字钢、钢花管、连接筋、系统锚杆、注浆孔及排气孔安装完成后喷射C20的混凝土。

(6)待喷射混凝土凝固后，用混凝土输送泵通过预留的注浆孔往溶腔内泵送C25混凝土。

2.3.3监控量测

措施实施后需对该施工段进行监控量测，隧道断面测点布置如图4所示，拱顶布设三个测点，分别为测点A、B、C，在拱腰两侧分别布设一个测点，为周边位移下测线。

图4　隧道监控量测测点布置示意

针对围岩情况与设计不符段以及溶洞塌方段分别选取典型断面进行监控量测，结果如下。

(1)围岩情况与设计不符段监控量测结果见表2。

表2　围岩情况与设计不符段监控量测结果

注：控制标准按Ⅲ级围岩考虑。

(2)溶洞塌方段监控量测结果见表3。

由表2和表3可知，围岩情况与设计不符段以及溶洞塌方段拱顶下沉值和下测线收敛值均小于控制标准，变形量在可控制范围内。截至2014年3月8日，监测断面围岩已基本趋于稳定，可推断所处施工段围岩应力场重分布完毕，后续施工能顺利进行。

表3　溶洞塌方段监控量测结果

注：控制标准按Ⅳ级围岩考虑。

3结语

针对建中隧道在施工过程中遇到围岩情况与设计不符、溶洞塌方问题，借鉴国内其他工程实例，采取了如下措施。

(1)针对围岩与设计不符的情况，及时修改设计方案，并对支护结构进行加强。

(2)针对隧道个别出现溶洞塌方的情况，在等待塌方稳定后，采用深孔注浆的方法稳定塌方体，在掌子面封闭的情况下加固松散岩体，之后向溶洞中回填混凝土。

通过采取上述治理措施，两段拱顶下沉最大值分别为6.39，8.82 mm；隧道周边位移最大值分别为4.85，5.96 mm，均小于控制标准，后期围岩基本趋于稳定。治理措施效果良好，后续施工能够顺利进行。

参考文献：

[1]许兆义，王连俊，杨成永.工程地质基础[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]中交公路规划设计院有限公司.贵瓮高速建中隧道设计文件[Z].北京：中交公路规划设计院有限公司，2013.

[3]罗琼.岩溶隧道施工技术[J].铁道工程学报，2005(3)：65-71.

[4]龚彦峰.岩溶隧道灾害整治技术[J].铁道标准设计，2009(5)：81-84.

[5]陆少伟，何剑.岩溶隧道施工关键技术探讨[J].铁道工程学报，2009(3)：43-47，53.

[6]颜志伟.象山隧道岩溶突水涌泥原因分析及处理措施[J].铁道标准设计，2012(7)：98-102.

[7]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报，2002(4)：61-67.

[8]谭信荣，陈寿根，马辉.隧道综合超前地质预报技术在岩溶地区的应用[J].铁道标准设计，2012(2)：84-87.

[9]张庆欣.齐岳山隧道超前钻探施工技术[J].铁道标准设计，2008(5)：78-80.

[10]陈炳祥.岩溶隧道施工技术研究与应用[J].铁道标准设计，2004(8)：47-49.

[11]汶文钊.宜万铁路云雾山隧道溶洞施工技术[J].铁道标准设计，2010(5)：87-90，128.

[12]苗德海.宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策[J].铁道标准设计，2007(7)：97-99.

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

中图分类号：U455.49

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.021

文章编号：1004-2954(2015)02-0087-04

作者简介：齐俊(1990—)，男，硕士研究生，E-mail：13121075@bjtu.

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(2012JBM081)

收稿日期：2014-05-12； 修回日期：2014-05-28