巖溶地質條件下隧道開挖的一種新方法★

蒙海霖 程貴海 陳善江 蔣文俊

(廣西大學資源環境與材料學院,廣西 南寧 530004)

0 引言

改革開放以后，我國經濟社會發展邁上了一個全新的臺階并取得了世界矚目的成就。我國的發展之所以能夠取得今天的成就，這與國家對基礎設施建設的大力投資是密切相關的，如公路、鐵路等交通基礎設施的大力發展。可是在我國，山地和丘陵地形基本上占全國土地的絕大多數。當鐵路、公路經過此等地區時，往往會遇到山嶺障礙[1]。所以，在公路、鐵路建設時，為了降低企業成本，縮短運行時間及減少交通事故等，就不可避免地要將隧道納入建設體系。

隧道是一種埋置于距地表一定深度的工程建筑物，也是一種人類對地下空間使用的形式。根據1970年召開的國際隧道會議，綜合考慮各方面的因素，將隧道定義為：為了實現我們的某種目的，在地面下用任何施工方法按規定形狀和尺寸修筑的斷面面積大于2 m2的洞室[1]。隧道的種類繁多，分類方法也很多，如：按隧道用途，所處的地質條件，埋深深度等。隨著我國交通事業的飛速發展，隧道建設規模和速度已經穩居世界第一。截止2014年年底，運營鐵路隧道達12 095座，在建的有3 856座；公路隧道約為12 432座，在建的達4 536座。由于我國地質條件的復雜性，必須在施工時，根據不同的地質條件采用不同的開挖法。目前為止，隧道開挖法主要有：全斷面開挖法、臺階法、分部開挖法、新奧施工法，其各有各的優缺點及適用條件。雖然分部開挖法在不良地質條件下被廣泛地應用于修建公路、鐵路隧道，但其缺點如：施工工序多、進度慢、不利于采用大型施工機械和無軌運輸、工程造價高等，必將限制其今后的應用前景；尤其在巖溶地質條件下施工掘進時，巖溶本身就對隧道施工有四個主要的有害影響：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、拱頂地表沉降等，再加上方法自身缺點等，使得安全、質量、效率等問題進一步突出。因此，為了保證施工安全、質量、效率，有必要針對特殊復雜的巖溶地質施工條件，尋求一種新的施工方法——“綜合施工法”。

1 巖溶隧道開挖

1.1 施工流程

可溶性的巖層經過地表水與地下水長期的補給、循環、徑流及滲透之后，發生化學溶解與機械破壞，從而形成巖溶[3,4]。由于溶洞巖質的破碎，充填物的松軟及其含水性的存在，使得當隧道穿過該巖層時容易發生塌方、涌水、流石、流泥，甚至拱頂地表沉降等病害[5]。所以，為了避免災害事故的發生及保證施工進度，我們采用“綜合施工法”掘進巖溶隧道。

施工流程如圖1所示。

1.2 溶洞前期處理及預防措施

1.2.1巖溶水的處理

對于溶洞內的水，在處理時應當充分考慮和利用其自流的特性[6]。所以，我們應盡可能地遵循宜疏不宜堵的原則，并且在處理與施工時采取超前鉆探的同時，配備一定數量的抽水設備，以防止突發情況。具體疏水的措施如下：

1)暗溝、引水槽、涵洞、小橋排水(適用于查明水的流向、與隧道的位置以及溶洞較小，圍巖較穩定)。

2)開挖蓄水池，用抽水設備將其排出地表(已探明水量不是很大且出庫枯竭期以及因地勢等原因不能將其通過自流方式流出，只能借助外力，將其排出)。

3)排水管道(在有條件的地方，水流量大，水源充足的地方可以考慮修建水電站。這樣既可以滿足就近施工用電的需求，可以將電外送，其次，還可以考慮農業灌溉和生活用水，將溶洞這部分水充分利用)。

1.2.2溶洞洞穴的處理

這一塊的處理要依據“跨”“堵”“繞”三大原則。當溶洞的范圍較小，水流量較小且所處的水文條件與地質條件并不復雜時，可以考慮采用“跨”的原則[7]。反之，則使用“繞”的原則指導施工。具體施工對策如下：

1)當溶洞范圍較大、充填物松散，隧道基礎加固處理需耗費巨大人力物力時，可根據具體條件采用拱跨，梁跨或組合的形式跨過溶洞。

2)對已停止發育，范圍較小的干、濕溶洞，可以采用混凝土、漿砌片石或塊石等材料進行回填，必要時注漿、錨桿、噴網加固。

3)當溶洞內的水流、流石、流泥量較小，且靠近隧道邊墻以及有向隧道隨時發生涌水、涌泥等風險時，可以考慮采用“堵”的原則，最好再挖一條暗溝或鋪設暗管，將它們盡可能地遠離隧道，防止積累成患。

4)對于極個別地質和水文條件復雜的地段，經過技術分析與論證之后溶洞難以處理或經經濟比較發現，處理成本遠高于繞行開挖的情況時，采取“繞”的原則處理此類巖溶地區。

1.2.3預防災害發生的措施

在我國，碳酸鹽分布極其廣泛，被其覆蓋的面積約占總面積的1/5。因此，隧道施工掘進中很容易遇到巖溶地質，尤其是溶洞和暗河兩大危害。它們會造成隧道的坍塌、隧道內涌水、涌泥、涌石等地質災害。為了降低或減少人員，財產的損失，目前在施工時對它們的處理主要以預防為主，治理為輔。原則是：先勘探，后開挖；先排干，后開挖，以排為主。具體的預防措施有：

1)強化地質超前勘探預報工作，及時分析勘探數據并制定出相應的預防措施指導施工。

2)超前排水。在水流量大，涌水、涌泥、涌石發生幾率較高的地段，超前掌子面30 m～40 m處利用超前鉆孔或開鑿側洞、溝排水[7]。

3)當隧道一側邊墻處于巖溶地質且該處圍巖較破碎時，可以采用注漿加固或注漿加固與超前排水相結合的措施。

2 隧道聯合開挖

隧道施工就是要挖出隧道范圍內的巖體，并盡量保證坑道圍巖穩定或減少對圍巖擾動的前提條件下，選擇適當開挖、掘進方式并盡可能地提高掘進速度與效率。雖然目前的開挖方式不管是在安全、經濟、圍巖擾動還是掘進速度等技術方面都較之前有了很大的提升，但還是存在一些美中不足之處。為了保證巖溶地質條件下安全、快速、有效地進行隧道施工，我們采用聯合開挖法來推進隧道掘進。

所謂聯合開挖，就是在巖溶地質條件下利用目前已有的技術手段和信息技術在確保安全的前提下，對隧道實施快速高效的掘進。它實際上是一種其他方法的綜合體，唯一的不同之處在于，充分考慮了各自的優點，避免了缺點而已。根據初始勘探的地質資料，在離巖溶地質大致30 m時，沿著隧道掘進方向在掌子面處向隧道輪廓線外圍打5個超前傾斜鉆孔，孔角要保證超前鉆孔超前工作面至少兩個循環。他們的開鑿位置分別是：拱頂中心線、隧道中心線、地板中心線、圍巖較差一側拱腰中心線、拱肩與拱腰交匯處一個，如圖2所示。最后依據地質資料及超前探孔經過分析處理所得數據，確定巖溶區與隧道的位置關系，溶洞類型，溶洞發育情況及溶腔內充填物的性質，然后實施開挖步驟。

開挖原則要遵循新奧施工法中的：“早支護、緊封閉、少擾動”三大法則，以它們為指導法則，指導隧道施工。在支護方面，依據圍巖自身的性質以新奧法為主，傳統支護法為輔，選擇合適的支護方法，避免因支護體強度不夠所造成的危害。所以在開挖與支護時，我們要選擇能快速形成“拱頂效應”的步驟。開挖步驟由雙側導洞法、全斷面法、臺階法中關鍵施工步驟所組成。

2.1 施工工序

1)將隧道斷面劃分成三部分，先開挖邊側圍巖較差的一側壁導坑，并進行初期支護(錨桿加鋼筋網、或錨桿加鋼支撐、或鋼支撐，噴射混凝土)及未開挖側圍巖應力應變的監測，此部分要超前。

2)開挖圍巖較好一側的側壁導坑，進行超前強支護與已支護體應力應變監測，并對其監測數據做分析處理，此部分與第一部分一樣要超前一個臺階的長度。

3)依據對監測數據處理的結果，選擇合適的開挖方法開挖剩余部分[9]。如果拱頂圍巖條件好，采用全斷面一次開挖，使整個隧道快速形成“拱頂效應”。反之，使用臺階開挖法掘進。

4)最后一部分開挖時，要根據拱頂圍巖的穩定性考慮是否先將拱頂部分開挖暴露出來并進行支護以后再依次開挖剩余部分，最后迅速處理底部，鋪設仰拱，使全斷面閉合。

5)拆除臨空部分的支護體系。

6)實施二襯襯砌，埋設監測儀器。

7)前期監測要做到“勤量測，勤分析，即三天一抄一檢，五天出報告并提出相應的預案”。

2.2 施工工藝

1)巖溶較厲害側超前深孔帷幕注漿，在開挖圍巖條件較差側導洞前，施作初期支護及中隔壁、中隔板。超前1個～2個循環開挖洞室土體。

2)圍巖較好側壁超前錨桿支護，先將該側做超前2個循環進尺的錨桿支護，外插角在10°～30°。在施作中孔位誤差不超過10 cm，外插角誤差不超2°。開挖超前1個～2個循環，且開挖以后及時噴射混凝土封閉開挖面并打入下一排超前錨桿。

3)在開挖中間部分時，依照拱頂圍巖的穩定性，靈活決定拱頂暴露面積的大小及支護。當圍巖中等穩固以上時，采用全斷面一次爆破，將此部分洞體挖除，然后迅速支護，使整個隧洞形成“拱頂效應”；若圍巖強度屬于中等以下，再加上此部分面積開挖量大，為了確保作業安全，應在短管棚預支護的形式下開挖。

4)當選擇短管棚預支護開挖時，將其分成上下臺階兩部分，將下臺階當做核心部分最后開挖。上臺階超前下臺階1個循環，且上臺階開挖以后，先立即施作初期支護，然后再開挖下臺階。

5)分段(根據監測情況確定縱向3 m～6 m)截斷仰拱厚度范圍內的中隔壁，剔除初支混凝土及鋼筋網，保留格柵鋼筋100 mm長在二次襯砌范圍內，鋪設仰拱防水層，施作二次襯砌，達到設計強度75%后，頂緊豎[1-3,9]向臨時支撐與二襯結構。

6)分段局部破除臨時支撐(縱向3 m～6 m)，敷設防水層、綁扎鋼筋、臺車就位澆筑拱部邊墻及拱部混凝土，形成封閉二次襯砌結構。

3 綜合施工法的要點

1)在巖溶地質條件下，采用此法掘進施工時，應密切協調各個工序，使它們緊密銜接。支護和襯砌要及時，同時利用現有的勘探技術設法探明巖溶的位置、規模、形狀、類型及水的情況，然后給出治理方案和安全預防措施。

2)施工中要密切注意檢查溶洞頂部，發現浮石，要及時處理。當溶洞范圍較大，較高且頂部巖石破碎時，在開挖之前應先做好超前支護的工作將其加固并安置好施工防護網。

3)爆破作業盡可能地做到多打眼、打淺眼，并控制好爆破藥量以阻止爆破后充填物或水大量涌入，甚至坍塌等情況的發生。

4)溶洞在未制定出治理方案之前，不能隨意將棄渣，廢料，廢石等傾倒于其中，以免因掩蓋溶洞的真實情況而做出不合理的處置措施。

4 結語

巖溶地質條件下的隧道，其施工開挖，穩定運行的成敗在于巖溶水的整治。而水的治理無外乎“堵”和“排”及其二者的組合三種方案。但無論是哪種，其主要目的還是在于保持隧道水土平衡，隧道安全快速開挖以及安全長久運行。而在聯合開挖法中，不管是巖溶水的處理還是其他問題的處理，都要在遵循已有原則的基礎上，還要將隧道開挖掘進的效率與速度考慮在內。所以在選擇開挖方法時，應對隧道斷面大小及形狀、圍巖的工程地質條件、埋置深度、支護條件、施工條件、環境條件、工期要求、工程量、機械配備能力、施工安全、經濟性等因素綜合考慮。目前，在絕大多數情況下，爆破掘進依然是主流的開挖方法。對于聯合開挖法，它綜合了其他方法的優點，只要各個工序緊密銜接，不僅不會出現安全事故，其開挖速度也會比單一的隧道開挖法有很大的提升。