甕馬鐵路隧道巖溶處理綜合施工技術(shù)

崔文鎮(zhèn)

（中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司，陜西西安 710032）

1 工程概況

甕馬鐵路楊柳井隧道全長1 780 m，起訖里程DK86+665～DK88+445，為單線鐵路隧道，位于云貴高原侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)。隧道經(jīng)過地段地形多樣、地質(zhì)復(fù)雜，穿越地層主要為灰?guī)r、頁巖、砂巖、泥頁巖夾煤層、白云巖、可溶巖與非可溶巖接觸帶、地下古暗河等。隧址區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水的直接入滲，隧道正常涌水量為63 200 m3/d，雨洪期最大涌水量126 000 m3/d。施工中遭遇可溶巖、斷層、溶腔、煤系地層概率極高，可能存在突泥、塌方、突水和有害氣體等風(fēng)險(xiǎn)。

2 隧道巖溶區(qū)地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 預(yù)報(bào)原則

（1）綜合預(yù)報(bào)。

前期勘察難以完全查明存在的地質(zhì)問題，為避免施工中因盲目掘進(jìn)帶來安全事故，必須做到先探后掘。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)要遵循以地質(zhì)分析為主線、物探方法為手段、多種方法相互印證補(bǔ)充，注重預(yù)報(bào)成果與開挖實(shí)際對(duì)比分析。

（2）方法選擇。

選擇合理、可靠、經(jīng)濟(jì)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，及時(shí)、準(zhǔn)確判斷，最大限度規(guī)避隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，通常采用地表和洞內(nèi)、長短距離和地質(zhì)法、物探法、鉆探法相結(jié)合的原則。

（3）工序管理。

隧道施工中，強(qiáng)化以人為本的理念，做到“有疑必探、先探后挖、不探不挖、探后慎挖”的探挖原則，建立未進(jìn)行超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)不許工人進(jìn)洞和工人有權(quán)拒絕進(jìn)洞的施工安全體制。

2.2 預(yù)報(bào)方法分類

楊柳井隧道施工中所采用的物探法如表1所示。

表1 楊柳井隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)組合

（1）地質(zhì)調(diào)查法。

勘察位于隧道地表的地層與巖性之間出露、接觸關(guān)系，尤其是要熟知并確認(rèn)標(biāo)志層；了解地表巖溶發(fā)育位置、分布規(guī)律及規(guī)模，并在此基礎(chǔ)上探究其與隧道的空間關(guān)系。

洞內(nèi)地質(zhì)素描針對(duì)對(duì)象主要為掌子面和洞身地質(zhì)，通過對(duì)地層巖性、特殊地層等進(jìn)行氣象與水文觀測(cè)后，以此為基礎(chǔ)來科學(xué)專業(yè)地判斷處洞內(nèi)涌水與降雨、地表徑流關(guān)系。

（2）物探法。

本工程主要利用了彈性波反射法，在不均勻地質(zhì)體中，利用人工所激發(fā)的聲波與地震波進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)產(chǎn)生的反射波不同特性實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)，以更好地把控隧道開挖工作前方狀態(tài)，通常用以查找地質(zhì)構(gòu)造、劃分地層界線、探測(cè)不良地質(zhì)體厚度及范圍等工作。

（3）電磁波反射法。

電磁波反射法需要使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，利用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)后所產(chǎn)生的電磁波，對(duì)隧道開挖工作面前方巖體中進(jìn)行傳播與反射，根據(jù)反射脈沖波走時(shí)和傳播的速度實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

（4）紅外探測(cè)法。

鑒于物質(zhì)都會(huì)向外輻射紅外電磁波原理，紅外探測(cè)法以接收和分析紅外輻射信號(hào)為基礎(chǔ)來進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。該方法通常都被用以判斷探測(cè)點(diǎn)前方有無水體存在，若水體存在則可明確出其所在方位，但其無法探測(cè)出水體相關(guān)參數(shù)（如水量大小等）。

（5）高分辨直流電法。

不同于紅外探測(cè)法僅可以探測(cè)出水體方位，高分辨直流電法以巖石電阻率差異為基礎(chǔ)，可探測(cè)出地層所蘊(yùn)含地下水體位置及含水量大小等參數(shù)，一般適用于斷層破碎帶、溶隙、溶洞、暗河等地質(zhì)的地下水探測(cè)工作。

在實(shí)際工作中，為了保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況，結(jié)合不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)組合使用物探方法。

2.3 超前鉆探法

（1）超前地質(zhì)鉆孔。

在超前地質(zhì)鉆孔施工過程中，使用單孔水平取巖芯鉆探法，根據(jù)不同地質(zhì)實(shí)際情況決定是否需要鉆孔取芯。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)中近距離物探超前探測(cè)異常地段，超前探測(cè)20～30 m后，實(shí)行每25 m一循環(huán)鉆孔施工工作，每個(gè)孔長30 m。

（2）加深炮眼。

實(shí)現(xiàn)對(duì)前方圍巖地質(zhì)情況的探查，可加深隧道在開挖工作面上炮眼鉆孔。每一循環(huán)鉆設(shè)炮眼時(shí)，需要布設(shè)3～5個(gè)鉆孔，還需要加深3 m以上，以此作為探測(cè)孔。

楊柳井隧道施工中采用的鉆探方法如表2所示。

表2 楊柳井隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)超前鉆探法選取

2.4 隧道內(nèi)巖溶預(yù)報(bào)最有效的方法

經(jīng)過楊柳井隧道巖溶長期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料的分析與評(píng)判，結(jié)合掌子面揭示的地質(zhì)信息，發(fā)現(xiàn)每一種超前探測(cè)方法都具有局限性，綜合超前探測(cè)才相互驗(yàn)證與補(bǔ)充。超前地質(zhì)鉆探和加深炮眼對(duì)溶腔探測(cè)起到?jīng)Q定性作用，直觀明了；TSP法有局限性，僅限于掌子面正前方規(guī)模大的不良地質(zhì)體，對(duì)開挖線外或小范圍不良地質(zhì)難以探測(cè)；其余地質(zhì)預(yù)報(bào)方法效果較差。

3 巖溶處理施工技術(shù)

3.1 巖溶形態(tài)及類型

通過對(duì)楊柳井隧道施工中遇到的巖溶分析發(fā)現(xiàn)，決定運(yùn)營安全的首要條件是巖溶與隧道的位置關(guān)系，其次是巖溶形態(tài)大小、充填物性質(zhì)及特征、涌水量大小和地質(zhì)構(gòu)造等。巖溶按照形態(tài)大小可分為洞穴型、裂隙型、管道型和大型溶洞型，按照填充物可分為充填型、半充填型、無充填型溶腔，充填物大部分為淤泥或泥土。

3.2 巖溶處理原則

楊柳井隧道巖溶發(fā)育、復(fù)雜多變，無規(guī)律，處理困難，施工中巖溶處理應(yīng)遵循“預(yù)測(cè)在先，處理在后；排堵結(jié)合，寧強(qiáng)勿弱”的原則。

3.3 巖溶處理關(guān)鍵點(diǎn)

（1）巖溶水通道在拱頂部位，如通過隧道排水系統(tǒng)無法滿足要求，必須恢復(fù)原通道并加強(qiáng)二襯。

（2）在邊墻或拱腰部位時(shí)，如充填溶腔較大且溶腔對(duì)二襯無結(jié)構(gòu)影響時(shí)，為避免回填浪費(fèi)太大一般采用二襯后加支擋結(jié)構(gòu)預(yù)留空腔。

（3）在仰拱底部時(shí)，滿足巖盤≥5 m則底部溶腔可不予處理。需要處理時(shí)，維修或清淤有隱患，且極端雨季無法保障安全運(yùn)營，一般不建議采用橋梁或倒虹吸方式過渡，通常改移通道或增加泄水洞進(jìn)行處理。若為充填溶腔且非水系通道，則可采用橋梁、路基、托梁板等措施進(jìn)行處理。

（4）巖溶水處理應(yīng)遵循“先排后堵、堵排結(jié)合、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的原則，圍繞著不影響隧道結(jié)構(gòu)安全展開處理方案。

4 巖溶通道處理技術(shù)實(shí)例

4.1 楊柳井隧道暗河通道處理

2012年2月29日楊柳井隧道進(jìn)口上臺(tái)階施工至DK87+574時(shí)，在掌子面左側(cè)揭示暗河，走向與線路走向一致，隧道左邊墻位于暗河通道內(nèi)，DK87+592.5處暗河拐彎，在彎道處線路與暗河正交，相交處暗河寬10.5 m，在拱墻上2.5～3 m高處有水浸泡過的痕跡，表面有暗河帶來的填充物色澤，暗河底部覆蓋砂和卵石，部分地段有積水，暗河高4～8 m，寬1～11 m，中間局部有小的彎道，河道平緩，洞壁較穩(wěn)定，水力坡度小。施工后，DK87+574～920暗河通道均與正洞有交叉，沿著正洞開挖方向左側(cè)、右側(cè)和拱頂交替布置。

4.2 處理方案

（1）對(duì)DK87+574開挖護(hù)墻基礎(chǔ)施作3m厚的C30耐腐蝕性混凝土，基礎(chǔ)兩邊采用C20混凝土回填密實(shí)。

（2）為了確保隧道掌子面開挖掘進(jìn)安全，在隧道最大開挖線外暗河處修筑一道底寬3.0 m、胸坡1∶0.2的C30混凝土護(hù)墻，護(hù)墻兩端應(yīng)嵌入基巖不小于1.0 m，護(hù)墻兩側(cè)各設(shè)置一排Ⅰ18型鋼，間距0.5 m，保護(hù)層厚0.1 m，橫向每隔0.5 m采用Ф22 mm鋼筋焊接在型鋼上。

（3）左側(cè)護(hù)墻支頂完成后，對(duì)護(hù)墻頂部與圍巖接觸裂縫露空部分用噴射混凝土及錨桿進(jìn)行封閉處理。

（4）待正洞開挖完成后，根據(jù)巖溶及暗河揭示情況，在暗河與正洞交叉干擾400 m處向洞外施作長度為1 000 m的泄水洞，施工時(shí)不得影響村民正常飲水。

5 結(jié)語

楊柳井隧道在施工過程中，將隱伏巖溶探測(cè)作為一道工序，結(jié)合地質(zhì)素描及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)開挖結(jié)果分析總結(jié)出適合喀斯特地貌的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。針對(duì)不同位置巖溶的技術(shù)處理是否滿足隧道結(jié)構(gòu)的要求總結(jié)通用技術(shù)，即采用巖溶與隧道的相對(duì)位置來進(jìn)行歸類處理。楊柳井隧道在巖溶的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)及和合理的處理方法下，加快了施工進(jìn)度，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，值得巖溶地區(qū)鐵路隧道的設(shè)計(jì)和施工借鑒。