隧道岩溶施工处治方案探讨.pdf

第 2 8 卷第 4期 Vo 1 ． 2 8 No ． 4 企 业技术开 发 TECHN0LOGI CAL DEVELOP M ENT OF ENTERP RI S E 2 0 0 9年 4月 AD r ． 20 O9 隧道岩溶施工处治方案探讨 车立刚 ， 曹伟 1 ． 湖南工大联智桥隧技术有限公司， 湖南 长沙 4 l 0 0 1 1 ； 2 ． 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 8 3 摘要 文章针对岩溶产 生的条件 以及 不同溶洞类型对隧道施 工的影响进行概括性 的阐述 ， 同时对岩溶 隧道 超前 探 测预报技术进行 了探讨 ， 并对不同类型的溶洞 ， 提 出了相应的处治措施 。 关键词 岩溶 ； 溶 洞； 超前探测预报 ； 处治措施 中图分类号 u 4 5 8 文献标识码 A 文章编号 l 0 o 6 8 9 3 7 2 o o 9 o 4 一 O 0 7 9 一 o 3 Di s c u s s i 0 n 0 n t h e t r e a t me n t me t h 0 d s 0 f d i s s 0 l v e d r 0 c k i n t un ne l CHE L i g a n g ， CAO W e i 1 ． H u n a n G o n g d a L i a n z h i B r i d g e＆T u n n e l T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ． ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 l 0 0 l 1 ， C h i n a 2 ． S c h o o 1 o f C i v i 1 E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 O 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h e x p a t i a t i n g t h e c o n d i t i o n s wh i c h p I _U d u c e d i s s o l V e d mc k a n d t h e i n n u e n c e o f d i f I ．e I e n t l i me s t o n e c a v e s o n t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n ， s i mu l t a n e o u s l y d i s c u s s i n g t h e e x p l o r a t i o n f 0 r e c a s t i n g t e c h n o l o g y t o l i me s t o n e c a v e t u n n e l ，a n d a c c o r d i n g t o t h e d i f lf e r e n t l i me s t o n e c a v e s ，t h e n p I _0 p o s e t h e c o Ⅱe s p o n d i n g t r e a t I n e n t me a s u r e ． Ke y wO r d s d i s s o 1 v e d r 0 c k； l i me s t 0 n e c a V e； e x p l o r a t i o n f 0 r e c a s t i n g； t r e a t me n t me t h o d s 1 岩溶对隧道工程的影响 1 ． 1 岩 溶的定义及发育条件 地球上约有 l 5 ％的地形是喀斯特岩溶地貌 ， 而我 国是 世界上岩溶分布面积最广的国家之一 。岩溶是指可溶性 岩层 ， 如石灰岩 、 白云岩 、 白云灰质岩 、 石膏 、 盐岩等 ， 受水 后经过化学作用和机械作用产生沟槽 、 裂隙和空洞的顶部 塌落使地表产生湿陷、 洼地 等现象和作用。 通常情况下 ， 岩 石 的可溶性 与透水性 ， 水的溶蚀性 和流动性是岩溶 发生 和发展的 4 个基本条件 。 此外 ， 岩溶 的发育与岩性 、 构造 、 水文地质 、 新构造运动及地形 、 气候 、 植被等 因素有关 。 1 ． 2 岩溶对隧道的危害 修建在岩溶地区的隧道， 除了由于洞穴的存在， 使建 筑物全面或部分悬空 、 降低隧道 的使用可靠度外 ， 还常受 到岩溶地下水 的影响。岩溶地下水对隧道工程的影响主 要表现在以下几个方面 ① 由于大量 岩溶水 的存在 ， 在隧道施 工过程 中可能 出现涌水 、 突泥等灾害性事故 ； ②隧道穿越岩溶区 ， 地下水丰富 ， 给隧道防排水带来 困难 ； ③岩溶地下水一般都具有侵蚀性， 对隧道结构 、 防排 水工程等 的侵蚀作用不 可忽略 ； ④严重的突水、 突泥会危及施工人员生命安全， 影响 施工进度。 ． 2 岩溶隧道超前探测预报技术 在岩 溶发育的地层 中修建隧道工程 ， 施工 中应 采用 收稿 日期 2 0 o 8 1 2 一l 8 作者简介 车立刚 1 9 8 2 一 ， 男， 湖南长沙人 ， 大学本科， 助理工程 师， 主要从事于桥梁隧道施工技术工作。 综合超前探测预报 的方法 ， 坚 持隧道洞 内探 测与洞 外地 质勘测相结合 、 地质方法与物探方法相结合 、 多种物探方 法相结合 、 辅助导坑 与主洞探 测相结 合 ， 开展 多层次 、 多 手段 的综合超前地质预报 。对各 种预报手段探测到的信 息进行 综合对 比分析 ， 尽可能 准确地判定隧道工程 将经 过的溶 洞 、 暗河等不 良地质段 ， 指 导和修正工程设计 ， 修 正和确定施工方案与措施 。 2 ． 1 地质分析法 地质类 方法包括利用对地面地质工作 的资料 以及隧 道施工 中掌子面描述 的资料 的分 析 ， 掌握隧道 穿过 段岩 体 的地 质格局 ， 概略地预报地质界线 、 大型断层 、 主要涌 水段 、 破碎岩体 、 围岩级别等 。 2 ． 2 地震波反射 法 利用地震波在不均匀地 质体 中产生 的反射波特性来 预报 隧道掘进面前方的地质状况 、 现场采集信号时 ， 应没 有其他振动源 。 2 ． 3 声波反射法 声波反射法利用声波的反射原理进行分析预报。 2 ． 4 红外探测 红外探测建立 在红外辐射场 的基础上 ， 利用 流动水 体与周围岩体存在的温度差异， 定性评价开挖工作前 ， 隧 道周 围岩体的含水情况 ， 对于流动的水体有较好的反 映 ， 但对 于孤立的静止水体反映不明显。红外探测 只能预报 地层岩体是否含水 ， 水量大小则无法探 明， 因而红外探测 只限于定性预报。 2 ． 5 地质雷达 地质雷达利用高频 电磁波在不 同电性界面上的反射 特性进行探测预报 。 隧道 内一般金属构件 比较 多 ， 地 质预 报要求仪器应 有一定 的预报长度 ， 因而用于超前地质 预 8 0 企 业技 术开 发 2 0 0 9 年4 月 报的地质雷达天线应使用低频屏蔽天线 。 2 ． 6 水平钻探法 水平钻探法是超前地质预报最直接的一种方法 ， 水 平钻探法准确率高 ， 在超前地质预报 中占有很重要的位 置。 通过钻探对掌子面前方的地层岩进行鉴别 ， 确定其埋 藏深度与厚度 、 溶洞及充填物的性质及钻探深度 内地下 水的赋存条件 。 上述几种物探方法 对隧道区溶洞 、 岩溶水的预报都 有着各 自独特的效果 ， 但同时也有其 自身的不足。 只有将 其综合地运用到隧道超前地 质预报 中 ， 才可能准确且及 时地预报 出溶洞 的存在位置 、 大小以及掌子面前方是否 会出现严重的涌水或突泥 、 突砂等地质灾害 ， 以正确地指 导施工 ， 防患于未然 。 3 溶洞隧道的防排水处理措施 岩溶地 区隧道防排水多采用“ 多道 防线 ， 层层设 防” 的方法 ， 其 主要工 程措施有 围岩注浆堵水 、 溶洞 回填 堵 水 、 加强排水与防水 。 ’ 3 ． 1 围岩注浆堵水 在岩溶地 区修建 隧道 ， 应特别加强超前地质预报。 对 于可能发生涌水的局部地 区， 为了保护地下水 、 地表水环 境 ， 应 当根据实际情况 ， 选择全 断面深孑 L 预注浆 、 部分 断 面深孑 L 预注浆 、 周边深孔预注浆 、 开挖后周边注浆及开挖 后局部注浆等堵水措施 。 3 ． 2 溶洞回填堵水 对于隧道穿越流动水量较小的溶洞 、 溶缝等 ， 对岩溶 水采用封堵方法进行处理时 ， 应 当做好溶洞等 的回填堵 水工作 。 溶洞回填采用 以喷射混凝土 、 素混凝土 、 浆砌 片 石等为主要材料 。 当溶洞空腔较大时 ， 还需要采用型钢支 护或模注混凝 土护拱 等支护措施 ， 在封闭溶洞空腔后 ， 对 混凝土外侧未完全充填 的空洞泵送混凝土 、 沙子等进行 回填。 为了减小 回填结构物的水压力 ， 在 回填时应当埋设 相应的排水管道 ， 并引至排水通道 。 3 ． 3 加强j j } 水和 防水 对于岩溶地区的小量岩溶地 下水 ， 以及经过注浆 、 回 填堵水后存在 的岩溶地下水 ， 应 当以疏排为主 ， 加强 隧道 衬砌外和衬砌 内的排水措施 ， 防止水压升高 ， 增大衬砌压 力。 同时 ， 也应做好防水处理。 岩溶地区加强排水 的措施有 ①利用岩溶 自然通道排水。当岩溶水主要存在于岩 溶管道 、 暗河 中时 ， 隧道施工应尽量保持原有 的岩溶水排 泄通道 ， 对于与隧道相交的排水通道 ， 可采用设涵恢复排 水 的方法。 ②新增人工通道排水。人工修建新的排水通道种类 很 多， 主要有泄水洞与集水通道 、 衬砌外的环 向与纵 向排 水管道 、 隧道 内的排水边沟与 中央排水沟等。 这些排水设 施 的排水能力应根据水力计算确定 ， 必要 时应增大富余 量。 除此 之外 ， 不设仰拱的隧道内 ， 可加厚 垫层混凝 土并 在垫层混凝土内加设排水盲沟。 4 岩溶处治技术 4 ． 1 小型溶洞处治技术 4 ． 1 ． 1 无充填或半充填型岩溶洞穴 对于无充填或半充填型岩溶洞穴 ， 首先应清除岩溶 洞穴表面浮土或洞穴 内的充填物 ， 然后对岩溶洞穴采取 回填处 治。 当岩溶洞穴位于隧道拱部和边墙位置时 ， 可采用喷 射 c 2 5 混凝土回填 ， 或 在初期支护完成后采用水 泥砂浆 回填密实的处治方案。 当岩溶洞穴位于隧道基底位置 时 ， 可采用 C 2 5混凝 土 回填密实的处治方案 。 4 ． 1 ． 2 充填型岩溶洞穴 岩溶洞穴位于隧道拱部或边墙位 置时 ， 若施 工过程 中岩溶洞穴 内充填物 已发生滑落 ， 应在岩溶洞穴 内充填 物清除后 ， 采用喷射 c 2 5 混凝土或水泥砂浆回填 ； 若施工 过程中岩溶洞穴充填物未发 生滑落 ， 应在岩溶洞穴位置 采取锚 网喷防护。 当岩溶洞穴位 于隧道基底位置 时 ， 应在清除岩溶洞 穴的充填物后 ， 采用混凝土回填密实的处治方案。 4 ． 1 - 3 隐伏型岩溶洞穴 隧道施工过程 中应采取地质雷达或浅孔钻探的手段 对隧道周边 ， 特别是基底进行隐伏型岩溶普查 。 当普查揭 示出隧道开挖轮线外 5 m范围内存在 隐伏岩溶洞穴时 ， 应采取局部注浆措施 ， 对隐伏岩溶进行 注浆 回填或 注浆 固结 。 4 ． 2 大型溶洞处理 4 ． 2 ． 1 采用支撑结构通过溶洞方案 支承墙加 固。 若溶洞 内填充物松散 、 厚度较小 ， 清除 填充物 ， 用浆砌片石墙支顶加固溶洞顶板 ， 有水流通过时 应设置涵洞 ， 以利排水。 拱桥支顶加 固。 若溶洞 内填充物松散 、 厚度较大 ， 可 选用钢筋混凝土拱支顶加 固。 挖孑 L 桩支顶加固。 对于深度较大的溶洞 ， 可采用桩基 础加固 ， 通过人工挖孑 L ， 实现成桩 ， 桩底面嵌入基岩 内， 桩 顶钢筋伸人钢筋混凝土底板内 ， 与底板联成一体 ， 形成稳 定 的受力体。 支承柱嵌补加固。 根据溶洞形态不同 ， 采用支承柱 ， 嵌补加 固溶洞顶板 ， 回填空隙并注浆加固溶洞基底 。 4 ． 2 ． 2 采用跨越式通过溶洞方案 如果溶洞较大时 ， 采用封堵 、 加 固、 支承等方式处理 时 ， 费用较高 ； 溶洞较小 时， 工作面小 ， 不易操作 ； 若溶洞 填充物松软时不易建造基础 ， 可采用布设结构物直接跨 越通过溶洞的办法处理 。 边墙梁及行车梁跨越 。 施工方法采用先拱后墙法 ， 使 边墙梁在拱圈保护下安全施工 。道床行车部位采用钢筋 混凝土预应力梁。 第 2 8卷第 4期 车立刚， 等 隧道岩溶施工处治方案探讨 8 1 支墩 、 悬臂梁 承托纵梁跨越。 采用钢筋混凝土板梁做 底板 ， 承托边墙 ， 托梁分 别支承于支墩和悬 臂横梁上 ， 悬 臂横梁采用锚杆锚固于基岩 内。 边墙拱跨越 。 将边墙拱脚设在边墙底 部 ， 拱顶 定位在 衬砌拱圈 的拱脚下 ， 通过 配置钢筋加强 衬砌形成边墙拱 跨越溶洞 。 4 ． 2 ． 3 采用绕避方案 在施工 中遇 到一时难 以处 理的溶洞 ， 为不使工程 陷 于停顿 ， 采用迂 回导坑绕避溶洞 ， 然后再进行 处理 。 必须 强调的是 当采用迂 回导坑绕避 溶洞时 ， 为避免再次遇 到 溶洞 ， 选择迂 回导坑位置前 ， 应探明该范围内溶洞 的情况 后再决策 。 4 ． 3 工程实例 某 双跨连拱隧道 通过地段属岩溶 发育 区 ，洞身多处 穿越溶 洞 、 溶槽 。 其 中在 D K 4 1 0 8 5处 出现 的溶洞 ， 沿隧 道纵 向长 约 3 8 m， 横 向宽约 1 8 m， 横断面溶洞 与隧道的 典型关系如图 1 所示 。 图 1溶 洞段支护结构 不惹图 溶洞呈上宽下窄 ， 钻探至隧底 以下 2 8 ． 6 m仍未见底 ， 溶洞充填物隧底至隧道拱腰 为软塑状粘 土 ， 其上 为溶 洞 空腔 ， 隧底 以下则 为淤 泥 ， 承载力极低 。 由于隧道采用 连 拱结构形式 ， 隧道跨度 大 ， 中墙处于溶洞 内 ， 而两侧边 墙 位于基 岩上 ， 如处理不 当 ， 有可能造成隧道整 体下沉 ， 或 者中墙产生过大沉降 ， 从而 留下安全隐患 ， 导致衬砌开裂 破坏等情况的发生 。 由于本隧道溶洞两侧 基岩完 整 ， 承载力较高 ， 因此采 用梁或拱 结构跨越溶洞是较 为可行的方法 ， 本文采用拱 梁结构进行跨 越。 溶洞段隧道支护结构采用复合式衬砌 ， 如图 1 所示 ， 初期支护采用 l 5 c m厚的钢纤维喷射混凝土 ，同时加设 3 ． 5 m长 的 中空 注浆锚杆 ， 其 间距为 1 ． 2 m； 二次衬 砌采 用 7 5 c m厚 的 C 3 0 钢筋混凝土。 位于溶洞 内的隧道 ， 隧底 以上溶洞充填 物全部清除 ，施作 7 5 c m厚的 c 3 0 钢筋混 凝土结构 ， 其上施作 2 ． 0 m厚 的 C l 5片石混凝土护拱 。 隧道底部采用拱梁结构跨越 ， 拱梁沿隧道纵 向的设置 如图 2 所 示 ， 两端支 承在基岩f Ⅲ级 围岩1 上 ， 拱跨 1 8 m， 梁 高 1 m， 拱 轴线半径 为 1 l m， 拱 梁采用 钢筋混凝 土材 料 ， 其上溶洞 充填物 采用浆 砌片石换 填 。 在隧道 横断 面 上 ， 拱梁设 置在整个溶洞范围内 ， 以分散墙底压力。 图 2拱 梁结构示意 图 5 监控量测 隧道通过岩溶 区后 ， 应对重点洞段进行监控量测。 及 时的监控量测 ， 可以直接为设计和施工决策服务。 监测项 目主要包括钢架受力及应变 、 喷射混凝土受力 、 二次衬砌 受力 、 锚杆的受力情况 以及拱顶下沉和洞周边收敛等。 6 结 语 岩溶地层是影 响隧道施工的特殊地 质之一 ， 处理溶 洞 的具体方法多种多样 ， 各有所长 。 施工 中必须综合运用 各种探测手 段对隧道区进行超前地质预 报 ， 掌握 围岩的 实 际情况 和溶洞的具体性 状 ， 对具体情况 采取相应技术 处理方案 ， 同时进行监控量测 ， 了解施工过程中围岩的变 化情况 ， 为指导隧道工程施工提供安全信息。 参考文献 [ 1 】关宝树． 隧道工程施T要点集[ M 】 ． 北京 人 民交通出版社， 2 00 3． 【 2 】吕康成， 崔凌秋． 隧道防排水_T程指南【 M】 ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 1彭立敏， 刘小兵． 交通隧道工程【 M】 ． 长沙 中南大学出版社， 2 00 3． f 4 1刘招伟 ， 张民庆， 王树仁． 岩溶隧道灾变预测与处治技术 f M 1 ．北京 科学出版社， 2 0 0 7 ． 【 5 】段铮 ， 赵宇 ， 薛伟． 隧道岩溶施lT处理方案简述【 J ] ． 山西建 筑， 2 o 0 8 ， 2 3 0 3 3 0 4 ．