岩溶地质条件下隧道开挖的一种新方法★

蒙海霖 程贵海 陈善江 蒋文俊

(广西大学资源环境与材料学院,广西 南宁 530004)

0 引言

改革开放以后，我国经济社会发展迈上了一个全新的台阶并取得了世界瞩目的成就。我国的发展之所以能够取得今天的成就，这与国家对基础设施建设的大力投资是密切相关的，如公路、铁路等交通基础设施的大力发展。可是在我国，山地和丘陵地形基本上占全国土地的绝大多数。当铁路、公路经过此等地区时，往往会遇到山岭障碍[1]。所以，在公路、铁路建设时，为了降低企业成本，缩短运行时间及减少交通事故等，就不可避免地要将隧道纳入建设体系。

隧道是一种埋置于距地表一定深度的工程建筑物，也是一种人类对地下空间使用的形式。根据1970年召开的国际隧道会议，综合考虑各方面的因素，将隧道定义为：为了实现我们的某种目的，在地面下用任何施工方法按规定形状和尺寸修筑的断面面积大于2 m2的洞室[1]。隧道的种类繁多，分类方法也很多，如：按隧道用途，所处的地质条件，埋深深度等。随着我国交通事业的飞速发展，隧道建设规模和速度已经稳居世界第一。截止2014年年底，运营铁路隧道达12 095座，在建的有3 856座；公路隧道约为12 432座，在建的达4 536座。由于我国地质条件的复杂性，必须在施工时，根据不同的地质条件采用不同的开挖法。目前为止，隧道开挖法主要有：全断面开挖法、台阶法、分部开挖法、新奥施工法，其各有各的优缺点及适用条件。虽然分部开挖法在不良地质条件下被广泛地应用于修建公路、铁路隧道，但其缺点如：施工工序多、进度慢、不利于采用大型施工机械和无轨运输、工程造价高等，必将限制其今后的应用前景；尤其在岩溶地质条件下施工掘进时，岩溶本身就对隧道施工有四个主要的有害影响：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、拱顶地表沉降等，再加上方法自身缺点等，使得安全、质量、效率等问题进一步突出。因此，为了保证施工安全、质量、效率，有必要针对特殊复杂的岩溶地质施工条件，寻求一种新的施工方法——“综合施工法”。

1 岩溶隧道开挖

1.1 施工流程

可溶性的岩层经过地表水与地下水长期的补给、循环、径流及渗透之后，发生化学溶解与机械破坏，从而形成岩溶[3,4]。由于溶洞岩质的破碎，充填物的松软及其含水性的存在，使得当隧道穿过该岩层时容易发生塌方、涌水、流石、流泥，甚至拱顶地表沉降等病害[5]。所以，为了避免灾害事故的发生及保证施工进度，我们采用“综合施工法”掘进岩溶隧道。

施工流程如图1所示。

1.2 溶洞前期处理及预防措施

1.2.1岩溶水的处理

对于溶洞内的水，在处理时应当充分考虑和利用其自流的特性[6]。所以，我们应尽可能地遵循宜疏不宜堵的原则，并且在处理与施工时采取超前钻探的同时，配备一定数量的抽水设备，以防止突发情况。具体疏水的措施如下：

1)暗沟、引水槽、涵洞、小桥排水(适用于查明水的流向、与隧道的位置以及溶洞较小，围岩较稳定)。

2)开挖蓄水池，用抽水设备将其排出地表(已探明水量不是很大且出库枯竭期以及因地势等原因不能将其通过自流方式流出，只能借助外力，将其排出)。

3)排水管道(在有条件的地方，水流量大，水源充足的地方可以考虑修建水电站。这样既可以满足就近施工用电的需求，可以将电外送，其次，还可以考虑农业灌溉和生活用水，将溶洞这部分水充分利用)。

1.2.2溶洞洞穴的处理

这一块的处理要依据“跨”“堵”“绕”三大原则。当溶洞的范围较小，水流量较小且所处的水文条件与地质条件并不复杂时，可以考虑采用“跨”的原则[7]。反之，则使用“绕”的原则指导施工。具体施工对策如下：

1)当溶洞范围较大、充填物松散，隧道基础加固处理需耗费巨大人力物力时，可根据具体条件采用拱跨，梁跨或组合的形式跨过溶洞。

2)对已停止发育，范围较小的干、湿溶洞，可以采用混凝土、浆砌片石或块石等材料进行回填，必要时注浆、锚杆、喷网加固。

3)当溶洞内的水流、流石、流泥量较小，且靠近隧道边墙以及有向隧道随时发生涌水、涌泥等风险时，可以考虑采用“堵”的原则，最好再挖一条暗沟或铺设暗管，将它们尽可能地远离隧道，防止积累成患。

4)对于极个别地质和水文条件复杂的地段，经过技术分析与论证之后溶洞难以处理或经经济比较发现，处理成本远高于绕行开挖的情况时，采取“绕”的原则处理此类岩溶地区。

1.2.3预防灾害发生的措施

在我国，碳酸盐分布极其广泛，被其覆盖的面积约占总面积的1/5。因此，隧道施工掘进中很容易遇到岩溶地质，尤其是溶洞和暗河两大危害。它们会造成隧道的坍塌、隧道内涌水、涌泥、涌石等地质灾害。为了降低或减少人员，财产的损失，目前在施工时对它们的处理主要以预防为主，治理为辅。原则是：先勘探，后开挖；先排干，后开挖，以排为主。具体的预防措施有：

1)强化地质超前勘探预报工作，及时分析勘探数据并制定出相应的预防措施指导施工。

2)超前排水。在水流量大，涌水、涌泥、涌石发生几率较高的地段，超前掌子面30 m～40 m处利用超前钻孔或开凿侧洞、沟排水[7]。

3)当隧道一侧边墙处于岩溶地质且该处围岩较破碎时，可以采用注浆加固或注浆加固与超前排水相结合的措施。

2 隧道联合开挖

隧道施工就是要挖出隧道范围内的岩体，并尽量保证坑道围岩稳定或减少对围岩扰动的前提条件下，选择适当开挖、掘进方式并尽可能地提高掘进速度与效率。虽然目前的开挖方式不管是在安全、经济、围岩扰动还是掘进速度等技术方面都较之前有了很大的提升，但还是存在一些美中不足之处。为了保证岩溶地质条件下安全、快速、有效地进行隧道施工，我们采用联合开挖法来推进隧道掘进。

所谓联合开挖，就是在岩溶地质条件下利用目前已有的技术手段和信息技术在确保安全的前提下，对隧道实施快速高效的掘进。它实际上是一种其他方法的综合体，唯一的不同之处在于，充分考虑了各自的优点，避免了缺点而已。根据初始勘探的地质资料，在离岩溶地质大致30 m时，沿着隧道掘进方向在掌子面处向隧道轮廓线外围打5个超前倾斜钻孔，孔角要保证超前钻孔超前工作面至少两个循环。他们的开凿位置分别是：拱顶中心线、隧道中心线、地板中心线、围岩较差一侧拱腰中心线、拱肩与拱腰交汇处一个，如图2所示。最后依据地质资料及超前探孔经过分析处理所得数据，确定岩溶区与隧道的位置关系，溶洞类型，溶洞发育情况及溶腔内充填物的性质，然后实施开挖步骤。

开挖原则要遵循新奥施工法中的：“早支护、紧封闭、少扰动”三大法则，以它们为指导法则，指导隧道施工。在支护方面，依据围岩自身的性质以新奥法为主，传统支护法为辅，选择合适的支护方法，避免因支护体强度不够所造成的危害。所以在开挖与支护时，我们要选择能快速形成“拱顶效应”的步骤。开挖步骤由双侧导洞法、全断面法、台阶法中关键施工步骤所组成。

2.1 施工工序

1)将隧道断面划分成三部分，先开挖边侧围岩较差的一侧壁导坑，并进行初期支护(锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土)及未开挖侧围岩应力应变的监测，此部分要超前。

2)开挖围岩较好一侧的侧壁导坑，进行超前强支护与已支护体应力应变监测，并对其监测数据做分析处理，此部分与第一部分一样要超前一个台阶的长度。

3)依据对监测数据处理的结果，选择合适的开挖方法开挖剩余部分[9]。如果拱顶围岩条件好，采用全断面一次开挖，使整个隧道快速形成“拱顶效应”。反之，使用台阶开挖法掘进。

4)最后一部分开挖时，要根据拱顶围岩的稳定性考虑是否先将拱顶部分开挖暴露出来并进行支护以后再依次开挖剩余部分，最后迅速处理底部，铺设仰拱，使全断面闭合。

5)拆除临空部分的支护体系。

6)实施二衬衬砌，埋设监测仪器。

7)前期监测要做到“勤量测，勤分析，即三天一抄一检，五天出报告并提出相应的预案”。

2.2 施工工艺

1)岩溶较厉害侧超前深孔帷幕注浆，在开挖围岩条件较差侧导洞前，施作初期支护及中隔壁、中隔板。超前1个～2个循环开挖洞室土体。

2)围岩较好侧壁超前锚杆支护，先将该侧做超前2个循环进尺的锚杆支护，外插角在10°～30°。在施作中孔位误差不超过10 cm，外插角误差不超2°。开挖超前1个～2个循环，且开挖以后及时喷射混凝土封闭开挖面并打入下一排超前锚杆。

3)在开挖中间部分时，依照拱顶围岩的稳定性，灵活决定拱顶暴露面积的大小及支护。当围岩中等稳固以上时，采用全断面一次爆破，将此部分洞体挖除，然后迅速支护，使整个隧洞形成“拱顶效应”；若围岩强度属于中等以下，再加上此部分面积开挖量大，为了确保作业安全，应在短管棚预支护的形式下开挖。

4)当选择短管棚预支护开挖时，将其分成上下台阶两部分，将下台阶当做核心部分最后开挖。上台阶超前下台阶1个循环，且上台阶开挖以后，先立即施作初期支护，然后再开挖下台阶。

5)分段(根据监测情况确定纵向3 m～6 m)截断仰拱厚度范围内的中隔壁，剔除初支混凝土及钢筋网，保留格栅钢筋100 mm长在二次衬砌范围内，铺设仰拱防水层，施作二次衬砌，达到设计强度75%后，顶紧竖[1-3,9]向临时支撑与二衬结构。

6)分段局部破除临时支撑(纵向3 m～6 m)，敷设防水层、绑扎钢筋、台车就位浇筑拱部边墙及拱部混凝土，形成封闭二次衬砌结构。

3 综合施工法的要点

1)在岩溶地质条件下，采用此法掘进施工时，应密切协调各个工序，使它们紧密衔接。支护和衬砌要及时，同时利用现有的勘探技术设法探明岩溶的位置、规模、形状、类型及水的情况，然后给出治理方案和安全预防措施。

2)施工中要密切注意检查溶洞顶部，发现浮石，要及时处理。当溶洞范围较大，较高且顶部岩石破碎时，在开挖之前应先做好超前支护的工作将其加固并安置好施工防护网。

3)爆破作业尽可能地做到多打眼、打浅眼，并控制好爆破药量以阻止爆破后充填物或水大量涌入，甚至坍塌等情况的发生。

4)溶洞在未制定出治理方案之前，不能随意将弃渣，废料，废石等倾倒于其中，以免因掩盖溶洞的真实情况而做出不合理的处置措施。

4 结语

岩溶地质条件下的隧道，其施工开挖，稳定运行的成败在于岩溶水的整治。而水的治理无外乎“堵”和“排”及其二者的组合三种方案。但无论是哪种，其主要目的还是在于保持隧道水土平衡，隧道安全快速开挖以及安全长久运行。而在联合开挖法中，不管是岩溶水的处理还是其他问题的处理，都要在遵循已有原则的基础上，还要将隧道开挖掘进的效率与速度考虑在内。所以在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、埋置深度、支护条件、施工条件、环境条件、工期要求、工程量、机械配备能力、施工安全、经济性等因素综合考虑。目前，在绝大多数情况下，爆破掘进依然是主流的开挖方法。对于联合开挖法，它综合了其他方法的优点，只要各个工序紧密衔接，不仅不会出现安全事故，其开挖速度也会比单一的隧道开挖法有很大的提升。