岩溶隧道施工中地质工程问题与解决措施研究

马章书

岩溶隧道施工中地质工程问题与解决措施研究

马章书

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

在岩溶隧道施工中，常常会遇到隧道突水等地质工程问题，从而影响工程施工进度。为及时有效地处理地质工程问题，文章以一项穿越岩溶地区的隧道施工工程为例，介绍了其施工中遇到的常见问题，并针对不同的情况提出了相应的解决方案和建议，以期为类似工程建设提供一定的参考。

岩溶地区；隧道；突出涌泥

引言

在岩溶地区，隧道的设计和施工中常常会遇到与不确定的位置、不规则的几何形状和不可预测的岩溶结构尺寸有关的问题。隧道开挖会导致地下岩体结构被破坏，地下水运输网络或储存条件改变。大规模突水已成为富水地区隧道施工的严重地质灾害[1]。隧道突水是伴随着能量高速突然释放的动态过程。因此，当隧道发生突水时，地下水会突然涌入隧道，对施工人员和机械造成极大的威胁。隧道突水的发生有三个基本条件：（1）特定的地质构造，如岩溶、断层等；（2）丰富的地下水及其补给；（3）开挖与扰动。

在岩溶地形中，勘探和定期测试活动应辅以其他适合定位和预测问题区域的技术。考虑到没有任何现场调查技术是百分之百准确的，因此应采用多种技术，根据具体情况进行调整，同时考虑工程预算和项目中可能承担的风险。本文以一项穿越岩溶地区的山岭隧道施工的工程为例，主要介绍了施工中遇到的常见问题，针对不同情况提出了相应的解决方案和建议为类似的工程提供一种新的思路。

1　工程概况

红渡一号隧道位于北回归线北侧，地属亚热带季风气候区，根据《公路工程施工安全技术规范》（JTGF90－2015）附录A，红渡1号隧道穿越岩溶发育区，为需专家论证的隧道工程，单洞Ⅲ级围岩长1 100 m，约占总长的37.3%；Ⅳ级围岩长1 080 m，约占总长的36.6%；Ⅴ级围岩长770 m，约占总长的26.1%，最长连续长度为160 m。

1.1　地质条件

隧道出洞口段为石炭系中统大埔组（C2d）白云质灰岩夹灰岩，中厚－厚层状构造，强风化白云质灰岩夹灰岩岩体极破碎，岩质坚硬，属较硬岩，中风化白云质灰岩夹灰岩岩质较坚硬－坚硬，岩体较破碎－较完整，力学强度较高，抗风化能力较强，工程地质稳定性较好。

隧道洞身范围左洞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段为进出口段及岩溶裂隙发育带，裂隙密集发育，属聚水、导水破碎带，围岩稳定性差。

1.2 水文条件

隧址区内地表水体欠发育，隧道南侧约500 m处为红水河，常年最高洪水位均低于隧道设计高程，对隧道无影响。场地地下水主要为赋存于第四系覆盖层中的孔隙水及基岩中的裂隙水和构造裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系覆盖层中，接受大气降水补给，水量一般。地下水以松散岩类孔隙为通道径流，以蒸发、垂直向下渗流至基岩裂隙或以补给地表水的方式排泄。地下水主要分布于冲沟低洼地带，受大气降水及基岩裂隙水侧向补给，水量有限且较稳定，对隧道影响较小[2]。脆性岩石变形，如颗粒破碎使粒径减小和剪切使颗粒重新定向，产生特征细粒泥化。隧道开挖过程中，在断层带遇到了一些岩土工程问题，如掌子面失稳、超挖量过大、断层岩挤压膨胀变形过大、施工阶段失稳、涌水量过大等。沿隧道路线，存在不同类型的岩性，如灰岩与页岩互层、岩溶灰岩中的黏土与灰岩块以及断裂带中的块状、角砾状、黏土质物质等。页岩较粗，由石英和高岭石化长石组成，含有碎斑矿物和绢云母。泥晶灰岩层面呈中厚层状，强度较高，呈亮晶脉状。

基岩裂隙水主要赋存于基岩的风化裂隙中，以大气降雨垂直分散渗入和松散岩类孔隙水渗入补给。在接受补给后，基岩裂隙水主要在水压力作用下，沿风化裂隙或矿物颗粒间孔隙迳流，迳流条件明显受地形条件、裂隙连通性因素控制，同时亦受季节影响明显[3]。基岩裂隙水一部分向下径流或侧向补给其他类型地下水，另一部分以泉眼、渗流等形式分散排泄于低洼部位。本次研究主要针对块状、角砾状、黏土质断裂带。此外，隧道沿线还观察到新近纪粘土岩组成的冲积层沉积。在本研究中，没有对隧道路线上新近系和第四系沉积的详细特征进行研究。隧道路线中的泥盆系岩石单元受到海西期和高山造山带的影响。因此，黏土质和角砾状断裂带在组页岩中尤为发育，而褶皱和块状断裂带在灰岩中占主导地位。由于页岩不耐变形，在石灰岩和页岩交替的区域，破碎是常见的，而在石灰岩中，同心折叠占主导地位。

在隧道开挖过程中，确定了两种不同的断层走向。第一组断层走向为NW—SE向，第二组断层走向为E—W向。一般来说，断裂的北部块体是上升的，而南部块体是下降的。断层破碎带在0.20～30 m之间。由于隧道走向为N—S向，与E—W向相比，NW—SE向的断层和岩脉影响更大。

2　施工中常见的问题

突水涌泥是隧道施工中最大的危害之一。几乎所有在建或待建的隧道都能观测到不良地质段，且程度不一。由于山体高度和隧道长度的不同，施工前无法完全确定不良地质段的位置，增加了突水涌泥的风险。

红渡一号隧道从施工开始就呈现出一系列复杂性的岩土工程问题，如落石、滑脱、超挖等，如图1所示。这些与喀斯特现象有关的问题使得岩溶隧道施工不稳定性增加，阻碍了施工的顺利进行。

不稳定性发生在开挖或支护工程期间，主要发生在角砾状材料中，由软粘土—泥灰岩基质中的巨石和石灰岩块组成，该基质迅速坍塌或从隧道前部、路肩或顶部滑动[4]。随着隧道的推进，坍塌越来越严重，使裂痕的面积越来越大，空洞是空的，或部分被脱钙粘土填充。由于隧道衬砌和地面之间缺乏支撑，这些空洞也可能存在问题，最终会影响隧道的使用寿命。

由于地形的岩土工程质量较差，采用了套管和轻型微型桩雨伞，但它们无法阻止不稳定性的增加。因此，决定系统性地使用长12 m、重叠3 m的连续微型桩伞。然而，采用这种解决方案仍然会发生重力不稳定性，影响落在微型桩之间的材料。

图1　断面排险

桩号501+462处第302段的顶部和右侧山墙上发生了巨大的失稳。据当时隧道内工作人员的描述，开挖轮运行正常。开挖后进行喷射混凝土密封，钢肋就位；然而，当喷射混凝土机器人进入前部完成支撑时，钥匙和右侧墙区域的喷射混凝土密封处发出沙沙声和突然破裂，随后大量粘土滑落，岩石碎片进入隧道。

引入隧道的材料体积约为200 m3，没有留下可见的空腔。下落的材料形成了一个“稳定”的松散材料锥体，占据了大部分的开挖空间，支撑并阻止了更多的材料，因为很明显隧道上方的空腔没有被清空。可见的后果是大量微型桩的断裂和最后一根钢肋的变形。落料一经挖出，密封间隙，更换变形钢肋。

稳定性问题似乎是由于与岩溶现象相关的沉积物前部和顶部的重力坍塌。后来，在故障上方的地表发现了几个天坑。与岩溶现象相关的沉积物，由于它们的低内聚力和强度，在穿越隧道时经常引起不稳定。

3　解决方案和建议

本文在大量隧道突水突泥案例的基础上，针对与隧道开挖相关的围岩条件和气象因素，尝试对隧道突水突泥进行分类。此外，结合宏微观机理总结了突水、涌泥的成因，并提出了现场针对性的处理方法。处理方法包括根据隧道内不同断面的危险程度选择超前地质预报方法，确定预报项目，选择合适的方法，即排水导向法、封堵导向法或排水封堵法。总结了突水突泥处治技术，包括卸能卸压技术、超前注浆技术、超前旋喷技术以及超前小导管的安装（如图2所示），并分析了其关键技术特点和适用条件。处理方法的研究结果可为隧道突水突泥病害的防治提供参考。岩体可被描述为具有明显的石灰岩岩溶作用的角砾岩。空洞或部分填充的空洞的存在，具有低粘性的粉质和砂质粘土沉积物是常见的。在这些条件下，考虑到材料填充空腔和裂缝的松散性质，采用通常的开挖和支护程序很难确保开挖的稳定性而不引起重大的不稳定性[5]。对于最初的收容，使用了带有光束的插板和螺栓伞。随着不稳定材料体积的增加，有必要系统地使用重型微型桩伞。然而，当穿过充满土壤的大空腔时，重型微型桩伞被证明是不够的[6]。考虑到前面描述的所有问题情况，有必要为隧道的施工制定新的工作程序，适当处理岩溶地形特征，提高安全性和施工效率。

图2　超前小导管安装

需要强调的是，岩溶现象是隧道前沿最难解决的问题之一，这是由于溶解过程的无规律发展、大量相关现象及其对稳定性的影响，这取决于岩溶发育的岩体特征[7]。

下面描述的处理程序，按照复杂性的递增顺序，被认为适用于处理每种不稳定情况，并根据隧道穿过的地形的特定岩土特征进行调整。对于隧道的一般支撑，应将以下地面处理程序添加到先前描述的那些程序中。

情况1：岩土特性良好。这是最有利的情况，其中穿越的地面开始出现岩溶迹象，对隧道的实施产生的影响可以忽略不计。石灰岩地块稳定且轻微风化。侧壁或顶部的小空腔可以用喷射混凝土填充，辅助使用Bernold板作为永久性模板。在这种情况下，几乎不会有任何不稳定性或材料脱落进入开挖的隧道。

情况2：岩土特性良好到一般。可见于中低岩溶化带，有脱钙黏土，充填部分空洞，不会产生明显的滑脱。如果在侧壁中出现不稳定性，则应足以稳定空腔，对粘土材料进行清洁，并用喷射混凝土或泵送的贫混凝土填充空隙，使用Bernold板作为永久性模板。在冠部，可能需要使用自钻锚作为预支撑，以确保安全。在这种情况下，空腔也应填充喷射混凝土或贫混凝土。

情况3：一般岩土特征。石灰岩岩体相当风化，呈现出由中等粘性材料填充的大空腔，由于解限而产生小分离。这种填充物的体积和重量可以克服锚杆的强度，但不能保证开挖的安全。对于该区域，宜采用长12 m、轴间距40 cm的重型微型桩伞（考虑到微型桩直径约为90 mm），重叠3～4 m并调整尺寸以适应每个检测到的情况。微型桩具有高刚度和高承载能力，可承受断面边缘可能出现的松散地面脱离的载荷。使用重型钢肋（HEB）将提高伞的支撑性，原因是它具有高刚度，有助于吸收局部载荷。如果在实施伞的第一阶段期间未检测到明显异常，则应在单阶段通过管口注入管子。

情况4：岩土特性较差。如果在前一个案例中的微型桩伞的实施过程中，检测到强烈的破裂区、填充有软材料的空腔或空洞，则应在伞的拱形中（轴之间间隔25 cm）进行第二阶段的微型桩插入。交替微型桩的数量和位置将取决于隧道沿线不稳定区域的空间分布。建议放置一个“临时”钢肋来支撑第一米重的伞。第二阶段的交替微型桩应配备两个直径为10～12 mm的单向阀（180°），沿管定位，在连续钻孔之间间隔一米，允许沿微型桩管进行局部注射。

情况5：岩土特性差。在微型桩施工过程中，由于岩溶现象，地基严重恶化时，需要通过第二阶段的微型桩阀门注入灌浆。在这种情况下，可能需要使用百叶窗进行注入，以便尽可能均匀地沿微型桩分布灌浆流。这个过程创建了一个加强的注射伞。注入的目的是填充靠近隧道顶部的空腔，当空腔充满土壤时，以改善其性能。它会在微型桩之间形成一个注入的地冠，从而提高挖掘和支撑工程期间的安全性。随后应进行第一阶段的微型桩的灌浆注入。

情况6：岩土特性非常差。在这种情况下，地基一般会很不稳定，上述程序并不能保证隧道内工作的安全。在这种情况下，预支护技术失效，需要在开挖段周围进行系统的地基处理。为了增加地基的稳定性条件，改善其力学特性，可以使用注入高凝聚力产品（水泥浆或树脂）或喷射注浆处理。最后一个选项是最难实施的，因为所需的设备非常特殊，而且进行处理所需的施工程序也很复杂。然而，如果有必要，这种处理将允许通过在要挖掘的部分周围设置一系列加固地面的水平柱来解决问题。

4　结束语

突水灾害已成为隧道穿越富水断层的严重地质灾害。为综合考虑工程地质的复杂性和不可预测性，选取多个影响因素对突水危险性等级进行评价。并建立了评价指标体系和相应的分级标准。诱发突水突泥的主要因素与围岩条件、气象影响和隧道开挖有关。围岩条件是岩溶隧道潜在突泥的基础。隧道开挖是突水的人为触发因素。气温、降雨等气象因素的影响会加速突水突泥灾害的发展。在红渡一号隧道中，报告的问题主要是由于岩溶作用和不均匀且不可预测的石灰岩岩体造成的不合适的地面行为，对应于质量非常差的岩土工程区。填充岩溶洞的土壤的内聚力降低和不合适的地质力学特性产生了严重的不稳定问题，因此最初为隧道开挖和支护提出的程序无法确保安全施工。尽管报告了问题，但张力产生的变形是无关紧要的。

使用预支撑（螺栓、微型桩等）和挖掘边缘的地面改良技术（注入、回填、部分替代等）被证明是非常有效的。使用这种方法，可以避免因停止施工或需要重新定义施工期间的挖掘和支持程序而造成的人身伤害和经济损失。

文中提出的解决方案和建议可以为在受岩溶过程影响的岩体中实施的隧道的研究、设计和施工提供指导。红渡一号隧道的成功完成证明了所提出的解决方案的技术验证。

[1] 张炜，李治国，王全胜. 岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨[J]. 隧道建设，2008，28(3): 257-262.

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[4] 张增宝，黄慧. 岩溶隧道的环境地质问题[J]. 地球，2016 (9): 415.

[5] 王树仁，何满潮，刘招伟. 岩溶隧道突水灾变过程分析及控制技术[J]. 北京科技大学学报，2006，28(7): 613-618.

[6] 刘建，刘丹. 岩溶隧道地下水环境负效应评价理论与实践[M]. 北京: 中国环境科学出版社，2013.

[7] 刘新福. 岩溶隧道安全施工与灾害防治研究[M]. 北京: 中国铁道出版社，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

马章书（1989－），广西路建工程集团有限公司工程师，从事交通工程建设与技术管理工作。