隧道课题研究报告.doc

1、岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告11 概述1.1 研究背景及必要性地球上约有 15%的地形是喀斯特岩溶地貌，我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一。在我国，岩溶分布纵深横广，除了形成北方以山西 为中心、西南以贵州为中心的两片面积瞩目的岩溶高原外，还有着更为广阔的地理环境跨度。由北纬 30 的南海礁岛直到北纬 480 的小兴安岭地区；由东经 740 的帕米尔高原直到东经 1220 的台湾岛；由青海盐湖直到东部海滨，均分布着岩溶地貌，已见于 23 省区，其中大部分分布于 东部地区的桂、粤、黔、湘、赣、川、鄂等省区。在我国境内，可溶岩分布面积可达 340 万平方公里，约占我国国土面积 的 1/3

2、。其中，裸露于地表的碳酸盐岩面积为 9.1 万平方公里，接近我国国土面积的 1/10。如此广阔的岩溶分布面积，严重影响着我国交通基础设施的建设与发展。据统计，截止到 1989 年底，我国已建成长大隧道 63 座，其中隧道洞身穿过岩溶地层的有 26 座，占长隧道总数的 41.27%。在 这 26 座工大隧道的修建过程中，几乎不同程度地遇到了恶劣的地下岩溶突水、突泥灾害。XX 隧道位于 XX 市，是典型的喀斯特岩溶地区，隧区隶属低山溶蚀峰丛地貌， 围岩类型大部分为级，为石炭系大塘组燧石灰岩，灰岩，弱 风化，属级次坚石，溶蚀强烈，地表灰岩溶沟，溶槽，溶隙发育呈峰丛，峰林状，多处见溶洞，地质情况复杂，

3、溶岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告2岩发育强烈，施工中容易出现岩溶塌陷引起的洞内塌方及涌水突泥等地质灾害，施工难度大。如何规避岩溶隧道工程灾害的发生，控制地面坍陷和地表沉降是本隧道施工中亟待解决和技术难题。我公司虽有过多条隧道施工的经历，但在岩溶地区进行隧道施工尚属首次。因此，以 XX 隧道为依托工程，对 岩溶地区隧道施工技术立项进行专题研究，就本工程而言，不仅在确保工程安全优质高效施工、降低工程成本上具有十分重要的作用，对提升企业的技术水平、增强核心竞 争力和社会信誉度亦有非常重要和积极的意义；同时，伴随着国家高速铁路的快速发展，隧道工程在施工中比例的增加，如能总结出一套较为成熟的技术与

4、工艺，对今后的 类似工程必将起到良好的指导作用。1.2 国内外研究现状岩溶问题是一个世界性的课题，在各国在工程建设中，均遇到了各种各样的岩溶地质灾害。国内外对于岩溶隧道的研究，在岩溶成因、探测预报、工程处治措施等方面做了较深入的研究，但探测预报精度还是不高，岩溶处治无系统可行的措施。21 世纪是我国向西部开发的世纪，也是人类将地下空间作为资源开发的世纪。我国又是多山国家，三分之二的国土由不同类型的山脉、高原组成。我国 “西部大开发”战略的实施、 铁路公路交通工程、水电工程、南水北 调 工程、各种矿山工程以及军工防护工程等的大发展，都离不开大量隧道、隧洞的修建。由于隧道、隧洞都处于地下各种复杂的

5、水文地质和工程地质岩体中，因此对各类岩溶问题的处理尤为显得关键。1.3 课题依托的 XX 隧道 简介隧道全长 408m，进出口里程 为 DK626+672DK627+080，全隧均位于右偏曲线上，双线线间距 4.6m，隧道纵坡为单面上坡，坡度 2.3。设计行车速度 250km/h，重型轨道有砟道床。 进出口均采用接 长明洞，洞 门采用斜切式洞门。采用出口独头掘 进，弃 碴用作路基填料。隧道穿越一座孤峰山体，进出口基岩破碎，坡面危岩落石分布；洞身基岩为灰岩，节理发育，水质无侵蚀，埋深较浅。进出均采用接长 明洞（进口明洞长 25m，出口明洞长 60m）和洞顶设置 0.40.6m 的 M10 浆砌片

6、石截水天沟，边仰坡采用锚喷和骨架护坡进行防护，在天沟外侧 5 米 处采用防护网进行山体危岩落石防护。隧区隶属低山溶蚀峰丛地貌，地形起伏大，高程 125210m ，相对高差 2085m，山体坡面植被发育，主要为 松树，自然坡度 10o45 o, 局部为陡壁。基岩零星出露。隧道进口段傍山而行，存在一定地形偏压。隧区内地表水不发育，地下水类型主要为孔隙水，基岩岩溶裂隙水， 测区地下水位低，大部分钻孔无水位。雨季下暴雨时可能发育管道水，隧道施工可能存在短 时的涌水岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告3涌泥现象。1.3 主要研究内容及研究目的1.3.1 主要研究内容（1）岩 溶 地 区 隧 道 特 点（

7、2）洞 身 开 挖 方 法（3）隧道超前地质预报（4）岩溶处治技术（5）监控量测实施1.3.2 研究目的通过研究，解决和掌握岩溶地区隧道施工的关键技术和关键工艺问题，特别是研究岩溶综合探测预报技术的应用，以提高预报精度。针对岩溶的类型、 规模制定系统可靠处治措施，保证隧道的施工。掌 握 和 积 累 在 该 条 件 下 的 隧 道 施 工 经 验 。锻 炼 一 批技 术 人 才 ，并 将 指 导 以 后 类 似 工 程 的 施 工 。同 时 填 补 公 司 在 此 方 面 的 空 白 。2 岩溶地区特点及岩溶隧道施工中常见病害2.1 岩 溶 的 定 义岩 溶 （karst）译 喀 斯 特 。源

8、于 前 南 斯 拉 夫 的 一 个 地 名。岩 溶 指 可 溶 性 岩 石 ，特 别 是 碳 酸 盐 类 岩 石 （如 石 灰岩 、石 膏 等 ），受 含 有 二 氧 化 碳 的 流 水 溶 蚀 ，有 时 并 加 以沉 积 作 用 而 形 成 的 地 貌 。往 往 呈 奇 特 形 状 ，有 洞 穴 、石 芽 、石 沟 、石 林 、溶 洞 、地下 河 也 有 峭 壁 。此 种 地 貌 地 区 ，往 往 奇 峰 林 立 。通 常 指 岩 石 裸 露 、草木 不 生 、具 有 洞 穴 、落 水洞 、地 下 河 而 缺 乏 地 表 河流 和 湖 泊 的 地 区 。是 地 下水 对 可 溶 性 块 状

9、石 灰 岩 溶蚀 的 结 果 。2.2 岩 溶 的 形 成 条 件岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告4促 使 喀 斯 特 发 育 的 条 件 是 1.具 有 可 溶 性 岩 层 ；2.具 有 溶 解 能 力 和 足 够 流 量 的 水 ；3.地 表 水 有 下 渗 ，地 下 水 有 流 动 的 途 径 。 三 者 缺 一 不 可 ！2.3 形 成 过 程地 表 水 在 运 动 过 程 中 对 所 经 过 的 沉 积 物 或 岩 石 有 着 重 要 的 侵 蚀 作 用 ，既 包 括水 动 力 作 用 下 的 碎 屑 物 搬 运 ，又 包 括 水 对 岩 石 或 沉 积 物 的 化 学 溶 蚀

10、作 用 ，还 包 括碎 屑 物 在 搬 运 过 程 中 的 磨 蚀 作 用 。喀 斯 特 地 貌 就 是 地 下 水 对 碳 酸 盐 岩 侵 蚀 作 用 的结 果 。在 水 流 作 用 下 ，形 成 陡 峭 的 海 岸 、弯 曲 的 沟 壑 、高 高 的 冰 蚀 悬 谷 、气 势 磅 礴的 大 峡 谷 。“滴 水 穿 石 ”也 是 水 的 化 学 侵 蚀 作 用 的 写 照 。 溶 洞 的 形 成 是 石 灰 岩 地 区 地下 水 长 期 溶 蚀 的 结 果 。石 灰 岩 的主 要 成 分 是 碳 酸 钙 （CaCO3），在有 水 和 二 氧 化 碳 时 发 生 化 学 反 应生 成 碳 酸

11、氢 钙 Ca(HCO3)2，后 者可 溶 于 水 ，于 是 有 空 洞 形 成 并 逐步 扩 大 。这 种 现 象 在 南 斯 拉 夫 亚德 利 亚 海 岸 的 喀 斯 特 高 原 上 最 为典 型 ，所 以 常 把 石 灰 岩 地 区 的 这种 地 形 笼 统 地 称 之 喀 斯 特 地 形 。 2.4 形 态 （表 现 形 式 ）1）地 表 水 沿 灰 岩 内 的 节 理 面 或 裂 隙 面 等 发 生 溶 蚀 ，形 成 溶 沟 （或 溶 槽 ），原 先成 层 分 布 的 石 灰 岩 被 溶 沟 分 开 成 石 柱 或 石 笋 。2）地 表 水 沿 灰 岩 裂 缝 向 下 渗 流 和 溶

12、蚀 ，超 过 100m 深 后 形 成 落 水 洞 。3）从 落 水 洞 下 落 的 地 下 水 到 含 水 层 后 发 生 横 向 流 动 ，形 成 溶 洞 。4）随 地 下 洞 穴 的 形 成 地 表 发 生 塌 陷 ，塌 陷 的 深 度 大 面 积 小 ，称 坍 陷 漏 斗 ，深度 小 面 积 大 则 称 陷 塘 。5）地 下 水 的 溶 蚀 与 塌 陷 作 用 长 期 相 结 合 地 作 用 ，形 成 坡 立 谷 和 天 生 桥 。6）地 面 上 升 ，原 溶 洞 和 地 下 河 等 被 抬 出 地 表 成 干 谷 和 石 林 ，地 下 水 的 溶 蚀 作用 在 旧 日 的 溶 洞 和

13、 地 下 河 之 下 继 续 进 行 。云 南 路 南 的 石 林 是 上 述 第 一 阶 段 （溶 沟吉利村地陷图片广西南宁伊岭岩广西来宾吉利村地陷岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告5阶 段 ）的 产 物 ，这 里 的 自 然 风 光 因 阿 诗 玛 姑 娘 的 动 人 传 说 而 变 得 格 外 旖 旎 。桂 林的 象 鼻 山 ，则 是 原 地 下 河 道 出 露 地 表 形 成 的 。在 广 西 境 内 ，经 常 可 看 到 这 种 抬 升到 地 表 以 上 的 溶 洞 ，俗 称 “神 女 镜 ”或 “仙 女 镜 ”。溶沟云南石林广西喀斯特天生桥岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告6石

14、芽漏斗溶蚀洼地溶蚀洼地石芽漏斗岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告7落水洞坡立谷 林峰（张家界天子山）干谷 溶洞落水洞岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告82.5 岩 溶 隧 道 施 工 中 的 问 题由 于 岩 溶 发 育 的 控 制 因 素 错 综 复 杂 ，发 育 的 形 态 千 姿 百 态 ，以 及 岩 溶 发 育 的不 均 衡 性 和 不 规 则 性 ，给 岩 溶 隧 道 的 施 工 带 来 一 系 列 困 难 ：富 水 高 水 压 地 段 的 隧道 衬 砌 设 计 很 难 把 握 ，施 工 中 的 突 水 、突 泥 对 施 工 安 全 和 进 度 造 成 很 大 威 胁 。特 长

15、隧 道 岩 溶 问 题 是 国 内 外 隧 道 施 工 中 的 重 大 难 题 。多 年 来 ，我 国 在 铁 路 、公 路 、水 工 隧 道 施 工 中 均 遇 到 了 岩 溶 突 水 、突 泥 、顶 板 溶 洞 充 填 物 陷 落 冒 顶 、底 板塌 陷 等 问 题 。国 外 在 欧 洲 阿 尔 卑 斯 山 隧 道 及 其 它 一 些 越 岭 隧 道 也 发 生 过 类 似 问 题。我 国 在 西 南 修 建 的 贵 昆 、成 昆 、襄 渝 铁 路 等 均 遇 到 大 量 岩 溶 问 题 。贵 昆 铁 路梅 花 山 隧 道 施 工 中 遇 到 地 下 河 及 大 型 溶 洞 ，最 后 只

16、有 在 隧 洞 中 修 隔 水 墙 ，阻 截 暗河 。襄 渝 铁 路 大 巴 山 隧 道 在 通 过 寒 武 统 石 龙 洞 灰 岩 含 水 层 时 ，突 然 揭 露 一 溶 洞 引起 突 泥 、突 水 事 故 ，最 大 涌 水 量 15 万 方 /天 ，中 断 施 工 3 个 月 。京 广 铁 路 大 瑶 山 隧 道 的 岩 溶 突 水 形 成 泥 石 流 ，给 营 运 造 成 长 期 的 危 害 。京 珠 高 速 公 路 石 门 坳 隧 道 右 线 在 施 工 过 程 中 ，因 对 前 方 地 质 资 料 掌 握 不 足 ，开 挖 遇 到 溶 洞 灾 害 ，引 发 大 涌 水 造 成 停

17、工 等 一 系 列 损 失 。广 安 -重 庆 高 速 公 路 华 鉴 山 隧 道 施 工 中 多 处 发 生 岩 溶 突 水 突 泥 ，引 起 两 条 地下 河 的 灌 入 。渝 怀 铁 路 圆 梁 山 隧 道 发 生 特 大 岩 溶 涌 水 ，对 施 工 造 成 极 大 的 影 响 。通 过 以 上 实 际 施 工 隧 道 的 情 况 ，岩 溶 隧 道 施 工 主 要 问 题 归 纳 如 下 ：1、隧 道 施 工 中 的 突 泥 、突 水 问 题 ；2、隧 道 施 工 中 顶 板 溶 洞 充 填 物 陷 落 冒 顶 ；3、隧 道 施 工 中 底 板 塌 陷 。暗河溶洞岩溶地区级围岩段隧道施

18、工技术研究报告9以 上 三 种 情 况 均 在 XX 隧 道 中 出 现 ，其 中 底 板 塌 陷 采 用 了 高 压 旋 喷 桩 加 固 ，避 免 了 仰 拱 底 沉 陷 。2.6 岩 溶 隧 道 施 工 中 的 处 治 原 则岩溶隧道施工中的处治原则总结归纳如下：绕、截、排、堵（填）越与分部开挖，强支护相结合的原则，同时配以超前地质预报与围岩监控量测。2.6.1 绕施工绕行施工中遇到特大和一时难以处理的溶洞，为使工程不陷入停顿，可以通过设计院组变更绕行通过。XX 隧道 为一座孤山不存在特大溶洞，此方法没有用到。2.6.2 截：拦截地表水当地表自然沟床，汇水洼地发现有溶穴、漏斗等情况为隧道地

19、下水补给来源，且 补水量随季节变化，则采用拦 截措施。施工中在洞口 处设置了环形天沟。2.6.3 排：引排地下水当隧道掘进遇到溶洞有流水时，宜排不宜堵。首先调查水源、涌水量、流向等，引排为主，截引相结合，将地下水排出洞外。 XX 隧道地下水量不大。2.6.4 堵（填）对于隧道施工中出现的溶洞体积不大，且无大量渗水，采用此方法。可注浆、压注混凝土、吹沙填充等方式。此方法为 XX 隧道主要处 理溶洞的方法。2.6.5 越当溶洞较大时，可采用梁拱跨越。2.6.6 分部开挖，强支护施工中基本上采用三台阶七步开挖法，做到了分部开挖与强支护。2.6.7 地质预报项目部请湖南中大设计院有限公司为我 XX 隧

20、道做地质预报的检测工作，有效的预报前方掌子面的地质情况。并且是多种预报方式相结合，主要有：地质调查法、地震波、地质 雷达、超前探孔。2.6.8 围岩监控量测监控量测是隧道安全的眼睛，项目部成立了专门的监控量测小组，实际现场人员有 3 人，配齐相关测量设备 如全站仪、收 敛仪、地质罗盘 等。监控量测的结果有效的指导了施工，同时也有效提供了岩溶地质条件下， 处理溶洞等帮助很大。岩溶地区级围岩段隧道施工技术研究报告103 级围岩开挖方案制定铁 路 软 弱 围 岩 大 断 面 隧 道 采 取 何 种 施 工 法 是 施 工 中 必 须 优 先 考 虑 的 因 素 之一 , 级 围 岩 的 开 挖 中

21、最 常 用 的 两 种 工 法 就 是 三 台 阶 七 步 开 挖 工 法 和 CRD 开 挖工 法 ,其 中 三 台 阶 七 步 法 在 许 多 大 断 面 隧 道 中 得 到 了 成 功 应 用 , 较 好 地 解 决 了 弱软 围 岩 隧 道 施 工 中 的 诸 多 技 术 难 题 , 如 郑 西 客 运 专 线 、离 石 隧 道 、明 月 山 隧 道 、包 家 山 隧 道 、金 寨 隧 道 等 。CRD 法 在 厦 门 翔 安 海 底 隧 道 等 工 程 得 到 成 功 应 用 。两种 方 法 因 工 序 不 同 而 各 有 优 缺 ，如 何 根 据 隧 道 的 工 程 特 点 及 工

22、 程 地 质 找 出 最 佳 的开 挖 方 法 ，以 求 达 到 提 高 施 工 工 效 ，这 是 隧 道 技 术 人 员 不 断 研 究 的 课 题 。课 题 小 组 在 施 工 前 结 合 其 它 隧 道 工 程 对 三 台 阶 七 步 开 挖 法 和 CRD 开 挖 方 法进 行 了 系 统 的 研 究 ，总 结 出 两 种 开 挖 方 法 优 行 缺 点 。3.1 三台阶七步开挖工法的优缺点所 谓 三 台 阶 七 步 开 挖 工 法 就 是 将 隧 道 断 面 分 为 上 中 下 3 个 台 阶 ,各 台 阶 间 保持 一 定 距 离 进 行 开 挖 和 支 护 ,主 要 是 通 过

23、减 小 开 挖 断 面 的 方 法 达 到 控 制 变 形 和 保证 围 岩 稳 定 的 一 种 开 挖 方 法 。3.1.1 施工工序1)利 用 上 循 环 架 立 钢 架 施 作 超 前 支 护 ; 2)弱 爆 破 分 部 开 挖 1 部 ,同 时 每 循 环 进 尺 一 次 ,掌 子 面 喷 5 cm 厚 混 凝 土 封 闭 ; 3)分 部 施 作 1 部 周 边 初 期 支 护 ; 4)滞 后 于 1 部 一 段 距 离 ,弱 爆 破 左 右 交 错 开 挖 2、3 部 ,喷 5cm 厚 混 凝 土 封 闭 掌子 面 ,施 作 初 期 支 护 ; 5)滞 后 于 3 部 一 段 距 离 ,弱 爆 破 左 右 交 错 开 挖 4、5 部 ,施 作 初 期 支 护 ; 6)分 台 阶 开 挖 6 部 ;7)开 挖 7 部 ,及 时 封 闭 初 期 支 护 ,施 作 该 段 内 作 部 仰 拱 及 隧 底 填 充 (仰 拱 及 隧底 填 充 应 分 次 施 作 ) ;8)根 据 监 控 量 测 资 料 分 析 ,待 初 期 支 护 收 敛 后 ,利 用 衬 砌 模 板 台 车 一 次 性 灌 注 部 二 次 衬 砌 (拱 墙 衬 砌 一 次 施 作 ) 。