岩溶地区大跨度公路隧道动态施工关键技术研究.pdf

同济大学土木工程学院 硕士学位论文 岩溶地区大跨度公路隧道动态施工关键技术研究 姓名谢江胜 申请学位级别硕士 专业建筑与土木工程 指导教师李思明;冀胜利 20070301 A b s t r a c t 摘要 我国是碳酸盐岩分布极为广泛的国家，覆盖、掩埋及出露的碳酸盐岩总面积 约占我国领士面积的三分之～。随着我国西部大开发和基础设施建设步伐的加 快，为了改善公路线形标准，实现交通运输高速化、重载化，在岩溶地区修建 大量长大公路隧道也就无法避免。因此，岩溶地区隧道施工中的主要地质灾害、 大跨度公路隧道的施工力学机理、大跨度公路隧道的开挖支护以及动态信息化 施工技术就成为了目前岩溶地区长大隧道勘测、施工所面临的重要问题和难题。 论文结合沪 1 - 海 ．蓉 成都 高速公路正在建设中的、地质条件复杂、 施工难度较大的寒坡岭隧道在勘测、施工中所遇到的各种问题，从岩溶隧道施 工主要地质灾害、大跨度隧道施工力学机理、基于“新奥法”思想的开挖支护 技术、信息化动态施工等四个方面探索了岩溶地区大跨度公路隧道的动态施工 关键技术。 论文主要成果有以下几个方面 1 参阅相关资料，结合工程实例，总结分析了岩溶地区隧道施工中可能 发生的地质灾害以及灾害发生的机理与预防措施； 2 从工程地质学和岩体力学基本理论出发，归纳总结了大跨度公路隧道 围岩变形的破坏机制以及基本的围岩稳定性评价方法，阐述了大跨度隧道开挖 和锚喷支护的力学机理； 3 以“新奥法”基本思想为指导，结合工程实例，讨论了不同围岩条件 下大跨度公路隧道的开挖方法以及相应的支护技术； 4 结合工程实例，从地质超前预报、现场监控量测方面讨论了信息化动 态施工的应用效果和实际意义。 论文对岩溶地区大跨度公路隧道动态信息化施工关键技术的研究，具有一定 的理论价值和实际意义。对今后岩溶地区长大公路隧道的勘测、设计、施工具 有一定的参考价值。 关键词岩溶大跨度隧道地质灾害开挖支护动态信息化施工 A b s t r a c t A B S T R A C T C a r b o n a t ei nC h i n ai sd i s t r i b u t i n gw i d e l yt h a ta l lk i n d so fc a r b o n a t er e g i o ni so n e t h i r do fC h i n e s et e r r i t o r y ．W i t ht h eW e s t e r ne x p l o i t a t i o na n df o u n d a t i o nf a c i l i t i e s c o n s t r u c t i o nd e v e l o p m e n ti nC h i n a ，f o ri m p r o v i n gt h eh i g h w a yl i n e t y r es t a n d a r d ， r e a l i z i n gt h et r a n s p o r t a t i o nh i g h - s p e e d ，h e a v y c a r r y ，b u i l d i n gal a r g en u m b e ro fl o n g a n dl a r g ec r o s sh i g h w a yt u n n e li nk a r s t sr e g i o ni si n e v i t a b l y ．T h e r e f o r e ，t h em a i n g e o l o g yh a z a r d s ，t h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sp r i n c i p l e ，t h ee x c a v a t i o na sw e l la s s u p p o r tm e t h o d s ，a n do b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ew e r ei m p o r t a n t a n dd i f f i c u l tp r o b l e mi nk a r s t sr e g i o nh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ． T h ed i s s e r t a t i o nb a s e do ns u r v e y , d e s i g na n dc o n s t r u c t i o np r o b l e m si nH A N P 0 L I N Gt u n n e lw h i c hi sd i f f i c u l tt oc o n s t r u c ta n dh a sc o m p l e xg e o l o g yc o n d i t i o ni nt h e h i g h w a yo fS H A N GH A lt oC H O N GQ I N Gd i s c u s s i n gt h ek e yt e c h n i q u e so f o b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nf r o mf o l l o w i n ga s p e c t ss u c ha s t h em a i n g e o l o g yh a z a r d s ，t h ec o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sp r i n c i p l e ，t h ee x c a v a t i o na sw e l la s s u p p o r tm e t h o d sb a s eo nN e w A u s t r i aT u n n e lM e t h o d s ．a n do b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o n c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ei nk a r s t sr e g i o n ． F o l l o w i n g sa r em a i np r o d u c t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 G e o l o g yh a z a r d sm i g h tb eo c c u r r e di nt h ep r o c e s so f t u n n e lc o n s t r u c t i o ni nt h e k a r s t sr e g i o nw e r es u m m a r i z e da n d a n a l y z e db a s e do n r e f e r e n c e dd a t u ma n d e n g i n e e r i n ge x a m p l e ．T h ep r i n c i p l ea n dp r e v e n tm e a s u r eo fm a i ng e o l o g yh a z a r d si n k a r s t sr e g i o nt u n n e le o n s l r u c t i o nw e r ee x p a t i a t e di nt h ed i s s e r t a t i o n ； 2 V i e w e df r o mE n g i n e e r i n gG e o l o g ya n dR o c kM e c h a n i c s ，t h ed e s t r o y m e c h a n i s ma n de v a l u a t i o nm e t h o do f w a l lr o c ki nl a r g ec r o s st u n n e lw e r ec o n c l u d e d ， t h e p r i n c i p l eo f r o c k b o l t i n ga n ds h o t - c r e a t i n gi nl a r g ec r o s st u n n e lw e r ee x p a t i a t e d ； 3 S u p e r v i s eb yN e wA u s t r i aT u n n e lM e t h o d , c o n s i d e r i n gt h ee n g i n e e r i n g e x a m p l e ，t h ee x c a v a t i o na n ds u p p o r tm e t h o dc o r r e s p o n d i n gt od i f f e r e n tw a l lr o c k d i s t i n c t i o nw e r ed i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n ； 4 W e l l - k n i tt h ee n g i n e e r i n ge x a m p l e ，t h eo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n m e t h o dw o r ed i s c u s s e df r o mg e o l o g ya d v a n c e dp r e d i c t i o na sw e l la s t h es p o t Ⅱ 垒 堡型 一一 m e a s u r e m e n ta s p e c t s ． T h es t u d vo no b s c r v a t i o ni n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e f h o di nk a r ．3 t sr e g i e nl a t g e c r o s st u n n e ln o to n l yh a sd e f i n i t et h e o r yv a l u e ，b u ta l s oh a sp r a c t i c em e a n i n g ．T h e c o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dh a sd e f i n i t ec o n s u l tv a l u et o r e c o n n a i s s a n c e ， d e s i g n ，c o n s t r u c t i o no fl a r g ec r o s s t u n n e lc o n s t r u c t i o ni nk a r s t sr e g i o n - K e yw o r d s k a r s t s ；l a r g e c r o s st u n n e l ；g e o l o g yh a z a r d s ；e x c a v a t i o n ；s u p p o r t ； O b s e w a t i o ni n f o r m a l l O nc o n s t r u c t i o n I l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供同录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名冲珏修 矽∞年；月∞日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名学位论文作者签名 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 ．警诤涉瞳 加 年夕月。 第l 章引言 第1 章引言 1 ．1 长大隧道工程发展现状 世界土木工程界传言十九世纪是长大桥梁发展的时代，二十世纪是高层 建筑发展的时代，二十一世纪将是长大隧道工程发展、大力开发利用地下空间 的时代【1 j 。 二十世纪九十年代，在欧洲以及全世界，隧道工程建设均处于兴旺发展阶 段。上世纪最宏伟的隧道工程英法海峡隧道，从英国东海岸的多佛尔到法 国西部的加来，总长约5 0k m ，其中海底部分3 7 ．5k m 。列车从隧道的一端到另 一端需运行约3 0 分钟，由此从巴黎到伦敦的旅程时问约为3 h ，这与航空旅程所 需的时问己有了强大的竞争力。 在F 1 本已建成4 0 0 0 多座铁路隧道，总延长达2 1 0 0 k m 。伴随着新干线的修建， 涌现出了众多长大铁路隧道，全世界己建成的l Ok m 以上的铁路隧道有4 3 座， 同本就占了2 0 座。J 。 近年来成功修建的瑞士弗卡 F u r k a 单线铁路隧道长1 5 ．4k m ，德国的兰熔 吕肯 L s n d r M c k e n 双线铁路隧道长1 0 ．7 4 7k m ，意大利的蓬泰加尔代纳 P o n t e O a r d e n a 双线铁路隧道长1 3 ．2k m ，俄罗斯北穆单线铁路隧道长1 5 ．3k m ， 加拿大麦克唐纳 M a cD o n a l d 单线铁路隧道长1 4 ．6k m 。随着各国经济实力的不 断增长，科学技术的发展，尤其是开发和利用地下空间技术的发展，预示着世 界范围内长大隧道工程修建浪潮的到来。 ’ 与此同时，国外一些发达国家非常重视公路隧道建设，尤其是北欧的瑞典、 挪威、奥地利和我国的邻国韩国【4 1 、同本在发展公路隧道技术方面处于领先地位， 过去三十多年罩在大跨度扁坦公路隧道建设中积累了丰富的经验，新奥法设计 与施工技术、围岩动态分析技术、中隔壁法、双侧壁导坑超前法、T B M 法等得到 广泛应用，根掘目前的资料，韩国在大跨度隧道的建设方而己经走在世界前列， 现在，韩国在建和己建成的四车道大跨度公路隧道已经有1 1 座，在设计方面， 根据隧道所处的地质情况，采用土力学和岩石力学中的数值分析方法进行计算， 在施工期结合新奥法基本原理和要求在洞室内部进行严格的监控测量，主要内 容有超前地质预报、地质及支护状态观察、水平收敛和拱顶下沉量测，围岩内 第1 章引言 部位移量测、锚杆轴力和锚固力量测、喷射混凝土与围岩间接触应力的量测以 及围岩变形监测等。 国内在近十年里也很重视公路隧道建设技术的提高，在两车道公路隧道的 建设上积累了一些经验，也先后建成了一些三车道公路隧道，但总体上落后于 国外，主要原因是岩石的物理力学特性及隧道工程地质条件相当复杂，再由于 国内在勘察设计上无统一规范，因此在大跨度扁坦公路隧道的施工上千差万别， 而国内到目前极少关于大跨度扁坦公路隧道施工力学、断面结构、施工工艺等 的研究。 虽然如此，国内相关研究者在大跨度公路隧道的设计施工方面还是做了相 当多的研究。在8 0 年代同济大学曾经用平面应力模型研究了大跨度矮墙洞室的 开挖方法对洞室稳定性的影响，1 9 9 5 年西南交通大学王明年、何川等人做了三 车道隧道模型试验研究及有限元分析1 5 1 ，1 9 9 8 年西南交通大学王明年通过大比 例尺模型试验和有限元方法对三车道公路隧道在不同构造应力作用下的力学行 为进行了深入研究[ 6 1 ，研究结果表明，构造应力对三车道公路隧道的承载能力、 破坏形态、位移规律都有很大影响，2 0 0 0 年重庆交通科学研究院的蒋树屏等以 渝黔高速公路重庆段真武山隧道为例，对大跨度扁坦隧道的开挖过程进行了 1 3 6 的大比例尺相似模型实验，并建立了相似模型四分部开挖方法及全断面法、 上下台阶法、左右分部法的三维力学模型，用3 D - s i g m a 程序分别对其动态施工 过程进行了数值分析1 7 1 。2 0 0 4 年黄伦海等人以韩家岭隧道为例，通过对四车道 公路隧道在两种不同围岩下三种开挖方案的相似模型实验研究，得出了四车道 公路隧道在相似模拟开挖中的位移规律和隧道围岩的最终位移[ 8 1 。2 0 0 5 年王应 富等用有限元方法对四车道公路隧道的完整的开挖过程进行了动态模拟研究， 模拟开挖采用能保证施工安全的双侧壁导坑法；对围岩的位移、初期支护的剪 力、弯矩以及锚杆轴力动态变化进行监控，提出大跨度隧道施工中容易出现的 问题并指出了相应的解决措篪1 9 J 。 我国目前建成的四车道公路隧道有贵州凯里市大阁山隧道全长4 9 6 m ，为单 洞双向四车道，其最大开挖宽度达2 1 ．0 4 m ，高度1 1 ．5 m ，净跨1 8 m ，为国内尤 其是在市区目前罕见的大跨度隧道；沈 阳 一大 连 的韩家岭公路隧道，韩家 岭隧道是沈大高速公路扩建为八车道时出现的单洞四车道隧道，隧道位于大连 市金洲区北部约6 ．5 k m 处，全长5 2 1m 、宽2 3 m ，最大开挖宽度超过3 0 m ，于2 0 0 2 年3 月完成设计，2 0 0 3 年9 月主体工程结束；深圳南坪快速公路雅宝隧道单洞 第1 章引言 开挖跨度达2 1 ．1 m ，高度为1 3 ．6 8 m ，矢跨比居全国之首，亚洲第三。 1 ．2 岩溶隧道施工地质灾害研究现状 岩溶隧道地质灾害的发生，除可能造成重大人员伤亡外，施工期往往造成 洞内隧道、施工机具和运输轨道被掩埋或淹没，施工中断，工期延误，洞外则 因洞内岩溶涌水、涌泥、涌砂造成地表塌陷和地表水源枯竭，进而引发地表生 态环境灾害；运营期会造成掩埋或淹没隧道，中断行车。表1 ．1 是部分长大岩 溶隧道在施工期和运营期J ’日J 发生严重涌水、涌泥、涌砂、泥石流、地表塌陷， 地表水枯竭等岩溶地质灾害，有的隧道岩溶地质灾害己经对当地生念环境造成 重大影响，如南岭铁路隧道等。 表1 ．1 部分K 人隧道岩溶地质火害情况 隧道名称地质灾害描述 大瑶山铁路隧施T 期涌水最4 0 0 0 ～1 5 0 0 0 一／d ，运营期涌水精3 0 0 0 旱季 ／2 2 0 0 0 m 3 ／d 道1 1 0 q 3 雨季 ；平导D K l 9 9 4 2 1 3 涌水造成竖井被淹、洞内机具被淹达数月正涮 1 4 2 9 4 m D K l 9 9 4 6 0 0 涌水淹没隧道2 0 0 余m ，水深1 ．4 m ，隧底淤积泥砂厚I m ．巾断 施丁长达1 年之久；D K l 9 9 4 6 3 6 ～ 6 3 7 处发生涌泥、涌砂8 0 m ’，掩埋轨道。 造成短时巾断行车；地表斑古坳地区生产生活用水枯竭地表埘塌约4 1 3 令次 南岭铁路隧道D K l 9 3 5 7 4 5 ，4 处发生涌水淹没导坑．淤塞导坑1 7 7 m ，涌水泉8 1 0 0 0 m 3 ／d ； 1 1 4 - 5 1 6 0 6 2 m D K l 9 3 5 5 1 8 处发生涌泥3 次共1 5 3 9m 3 ，淤塞导坑4 4 m ；D K l 9 3 5 7 4 5 处发生 涌泥3 次共1 0 6 8 9 1 1 1 3 , 激塞导坑1 7 7 m ；D K l 9 3 5 4 6 7 处发生涌泥4 次共2 1 3 0 m 3 ， 淤塞导坑6 0 m ；D K l 9 3 6 2 6 9 处发生涌泥1 次兆2 0 0 0m 3 ；地表连溪河两次断 裂，河水倒灌t 地表坍塌约4 0 个次 圆梁山铁路隧施工期涌水最1 1 0 0 0 0I T l 3 ／d 出口D K 3 6 l 7 6 4 ；DK3 5 4 4 5 0 ～ 5 1 0 溶洞 道1 1 6 ‘1 | I发生涌水为9 ．6 X l 旷～1 ．6 5 6 X1 0 6 m Ⅶ，伴随涌砂涌泥，淤积跃度1 3 0 m ．高度 1 1 0 6 8 神 2 ．5 m ，涌砂最约1 3 0 0 一{ D K 3 5 4 8 7 9 溶洞发生涌水，伴肯涌泥涌砂 总量约 6 0 0 0 一 ，最大涌水量达7 ．2X1 0 ％ ／d ，造成人员伤亡事故，被迫采用迂回导 坑通过；D K 3 6 0 8 7 3 掩埋导洞近2 0 0 m ；D K 3 6 1 7 6 4 处发生涌水涌砂涌泥，涌 水帚为2 4 0 0 0 01 1 3 ’，涌泥砂覆盖整个掌子面，淤积最约1 5 0 0 0 一 彭水铁路隧道施丁期涌水最2 5 0 0 0m 3 ，d ；2 0 0 1 年4 月1 1I 1 ，D K 2 3 9 9 1 1 处发生涌水淹没 【‘9 1 9 0 2 8 m 、r 导和正洞，洞u 下方3 1 9 国道交通被迫巾断，此后．共发生5 次较大涌水， 2 0 0 1 年6 月l lI t 淹没平导和正洞．全面停t ．与此同时．地表九股水，老瓦 屋暗河近于断流D K 2 3 9 11 7 处发生涌泥．淹没平导洞6 5 m ，涌泥置约8 0 0m 3 武隆铁路隧道2 々．3 暗河暴南后蛙大连续涌水最7 ．1 8 6 X1 0 6 m 伯；2 0 0 2 年雨季先后出现6 次 l e O l 9 4 1 8 m 较大涌水，造成洞u 施下场地被毁，施T 赋机、配电房被冲入乌江，涧内装碴 设备受损，施T 巾断近两个月；2 0 0 3 年6 月2 5 日发生涌水把横通道U 房屋设 施被冲人乌江，涵制设冲毁 第1 章引言 大巴山隧道 ’I ，导刘家坡断层上黜隧道发生涌水，涌水蛙大值为2 0 5 5l8m 3 ／d ，涌水淹没导 5 3 3 4 m 坑，泥砂淤移{ ；发生以岩溶泉为叶l 心的塌陷。亢静大丁2 0 m ，地表泉水冈塌陷 而拈竭 华蓥山公路隧两段左线最大突水量达6 8 6 9 0 0m ’坩，右线达2 5 1 0 0i n 3 ／d ，伴有严重的突泥涌 道 [ 2 1 ’2 3 1 砂出现，累计罱己达2 7 0 0 0 m 3 ；Y K 3 4 6 6 9 发生涌水．涌水韪为1 3 2 9 ．6 ～5 1 0 4 8 4 7 0 5 ．9 5 m 、m ％，含泥砂景最高达到3 6 ％Y K 3 4 5 1 8 处发生突水涌泥涌砂．涌水最 4 6 8 4 m 1 1 4 2 ．4 4 0 2 2 4m 3 ／d ，含泥砂吊蛙高达到1 68 ％ 新寨铁路隧道1 9 9 9 年7 月9 甘D K1 7 9 1 处发生涌水．最大峰值2 ．I x l 0 5 m 3 ／d ，造成多部机 [ 2 4 - - 2 q 4 4 0 9 m 城设蔷被淹．运输轨道被冲毁，致使，F 导 被迫停1 ；此外，涌水还使新华村后 山坡泉水干枯，造成新华村人畜饮水困难2 0 0 0 年5 月1 2 日D K3 6 5 7 4 0 处 发生涌水，涌水采1 ．2 X1 0 4 m 3 ／d ，淹 没T 区2 0 0 m ，施T 被迫停l I 2 0 目，6 月 2 2 ～2 6d ，发生特大涌水，水采55 2xl D 4 一，d ．淹没秽个下医，施T 被迫停 l l 荆竹铁路隧道 D K l 0 9 8 1 0 涌泥掩埋隧道近1 0 0 m ；D K l 0 9 8 2 6 断崖带1 发生涌泥，涌泥髓 4 4 2 8 m 2 4 0 0 m ， 歌乐山隧道【”～D K 2 6 1 9 ．6 处发生涌水爱1 4 4 0 0m 3 ／d ，涌水泥砂含最达2 0 ％～3 0 ％ 卅 4 0 5 0 m 中粱山铁路隧施T 期岩溶涌水；；} 1 4 1 3 8 m 3 ／d ，运营期岩溶涌水最1 0 8 6 3 早 ／2 7 0 0 0 币 一／d ； 道 3 9 8 4 m 旌T 期隧道地表灰岩地槽区水井、泉眼干枯．农田脱水，溪沟断流；运营期隧 道两侧一定范崩内泉水发地表水干桔．目前原已近半泉水干枯的状况仍有继续 发联的趋势；地表坍塌约6 4 个 梅花山铁路隧l 号溶洞发生涌水，涌水帚5 5 0 0 0o ／d ，淹没导洞和运输轨道，造成停T ；运 道 3 9 6 8 m 营期岩溶涌水最6 9 2 0 早 ／1 6 2 1 9 雨 m ％；1 9 9 1 年阿季造成隧道边堵村 砌倒塌开裂1 2 m ，中断行车7 天 岩溶洞穴对隧道围岩稳定性的影响，取决于洞穴的规模、充填物性状、含 水程度、洞穴走向与隧道轴向之间的关系、洞穴与隧道的距离。岩溶洞穴的存 在状态及其对隧道围岩稳定性的影响有以下几个方面 1 隧洞周围存在隐伏溶洞，在施工阶段可能不会对施工产生影响，但对 隧洞围岩的稳定性和运行期的稳定性会有不同程度的影响，如运营期隧道底板 塌陷，雨季大暴雨造成岩溶涌水、涌泥、泥石流或围岩坍塌等灾害； ． 2 隧洞施工中遇到暗河、岩溶管道水和各种充填溶洞，特别是充填砂、 淤泥的溶洞，不仅会影响隧洞的稳定，而且由于大量涌水、涌泥、泥石流，对 施工造成威胁和人民生命财产的巨大浪费。充填溶洞对隧道施工与运营的影响， 取决于岩溶充填物的性质和隧道涌水量的大小； 3 隧道丌挖中遇到大岩溶洞穴，但无充填物和地下水，对地下洞室稳定 第1 章引言 性的影响相对比较小，其影响程度，取决于洞穴的规模、溶洞周围岩体的稳定 性和岩体的质量及其与隧道的位置关系、隧道断面尺寸、隧道施工技术等众多 因素。 在隧道未丌挖之前，地层中大洞穴周围的岩体由于没有受到侵蚀而残留下 来，因此，多数洞穴是稳定的。如果岩溶洞穴临近隧道洞室周边存在，则隧道 的设计与施工都要考虑岩溶洞穴对隧道施工和运营的影响，一般的，如果洞穴 的边缘从隧道中心开始在隧道开挖的平均半径的2 ～3 倍以上 根据围岩状态和 洞穴大小、形态及线路的安全度等决定 1 2 9 1 ，则隧道可以不需要特别设计；如果 洞穴边界在隧道附近 即洞穴从隧道中心丌始在隧道丌挖的平均半径的2 ～3 倍 的范围以内 ，则隧道的设计与施工必须要有相应的对策。 目的国内外，在隧道施工期岩溶地质预报和探测方面，己成功发展了多种 方法，主要是综合地质分析法 超前探孔法 现代物探法的综合地质预报和洞身 岩溶探测系统。各种物理方法主要是利用岩石和水体的某些物理特性，如表1 ．2 所示。 表1 ．2 隧道岩溶探测的主要方法 物理方法物探法岩石和水的物理特性． 磁法地质雷达 G R P 磁化率、磁导率 电法 符种电法电导牢和介电特性 地震法T S P ，地震负视速度法和高频地震反射法地震波波速、衰减和密度 地热红外线技术热导率、比热和热扩散 声波法H S P 声波反射法和声波c T 层析技术声波波速、衰减和密度 1 ．3 论文选题意义与主要研究内容 1 ．3 ．1 论文选题意义 我国是碳酸盐岩分布极为广泛的国家，覆盖、掩埋及出露的碳酸盐岩总面 积约占我国领土面积的三分之一。随着我国西部大开发和基础设施建设步伐的 加快，为了改善公路线形标准，实现交通运输高速化、重载化，在岩溶地区修 建大量长大公路隧道也就无法避免。因此，岩溶地区大跨度公路隧道的主要地 质灾害、大跨度公路隧道的岩体力学理论、大跨度公路隧道的的动态信息化施 工技术就成为了目前岩溶地区公路隧道勘测、施工所面临的重要问题和难题。 沪蓉国道主干线湖北省恩施至利川高速公路寒坡蛉隧道位于泥质灰岩、粉 第1 章引言 砂质泥岩中，溶洞发育、地质条件复杂、施工条件困难，该隧道为第1 0 标段的 重点控制性隧道。 因此，论文在选题有一定的理论创新性并具有重要的实际意义。 1 ．3 ．2 论文主要研究内容 基于岩溶地区大跨度公路隧道施工所面临的重要问题和难题，论文结合寒 坡岭隧道工程实例对岩溶地区大跨度隧道动态信息化施工关键技术做了探讨和 研究 1 总结了在岩溶地区隧道麓工中通常发生的地质灾害，分析了各种常见地 质灾害发生的机理以及施工过程中预防措施； 2 分析了大跨度公路隧道的施工力学机理和不同支护方式的力学原理，结 合工程实例归纳总结了大跨度公路围岩的破坏形式和破坏机理 3 结合寒坡岭隧道工程实例，讨论了不同围岩条件下，基于“新奥法”基 本思想的开挖技术以及相应的支护方法； 4 综合地质雷达、超的钻孔、现场监控量测等手段，介绍了动态信息化施 工在寒坡岭大跨度公路隧道工程的应用实际情况，分析了动念信息化施工的理 论和实际意义。 6 第2 章岩溶隧道施一l 主要地质灾害 第2 章岩溶隧道施工主要地质灾害 岩溶的发育丌始于水流对可溶岩石原有狭小通道的溶蚀扩展，岩溶体系中 地下水通道包括岩体中各种规模的构造裂隙和原生孔隙。溶蚀下来的岩石成分 通过水流循环不断被带走，水流通道被加宽。反过来，被改造的裂隙网络又作 用于地下水流，形成新的水动力场【3 0 q ”。隧道丌挖使得地下水的排泄有了新的 通道，破坏了原有的补给循环系统，加速了径流循环，同时也促进了地下水对 岩体的改造作用。深埋隧道由于水头压力高，这种力学改造作用尤为显著。在 隧道掘进过程中，现在常见的是先进行超前地质钻孔，然后进行钻爆。对于深 埋的岩溶系统来说，一般未贯通的岩溶管道都有一定的隔水层，如粘土层或粉 砂泥岩层。如果在施工过程中，破坏了隔水层，使得地下水向隧道方向排放， 在水头很大，补给丰富的情况下，就会对隧道施工造成巨大的危害。更有甚者， 如果补给源连通了地表水系会造成地表水源枯竭，不仅对隧道工程施工造成严 重影响，而且也造成了大的环境地质灾害。动水压力作用能够使岩体裂隙面上 的充填物发生变形和位移，导致裂隙再扩展，可能使高水压岩溶管道连通，在 特殊的地质构造条件下，造成重大涌水、突泥事故，给隧道施工带来重大损失。 我国是碳酸盐岩分布极为广泛的国家，覆盖、掩埋及出露的碳酸盐岩总面 积约占我国领土面积的三分之一，而绝大多数的岩溶分佰在我国的南方和西部。 随着西部大开发的进程和高等级公路的大规模建设。在岩溶地区因隧道施工引 起的各种地质灾害和生态灾害也层出不穷 见表1 ．1 。主要的地质灾害有岩溶 突水 涌水 、岩溶隧道诱发的环境地质灾害、岩溶洞穴造成隧道的塌方、片帮 破坏等。 2 ．1 岩溶突水 据统计，截至到1 9 8 9 年底，我国己建长隧道 长度大于3 k m 共计6 3 座，洞 身穿过碳酸岩层的有2 6 座，占长隧道总数量的4 1 ．2 7 ％，其中西南、中南地区 1 7 座，占岩溶隧道的6 5 ．3 8 5 ，其它地区3 4 ．6 2 ％。在2 6 座长隧道的修建过程中， 几乎不同程度地遇N T 恶劣地下水的危害，其中发生过较大岩溶涌水灾害的有 1 0 座，占3 8 ．6 4 5 。而在西南、中南地区1 7 座岩溶中、长隧道 长度在2 ～3 k m 中，有近5 0 0 ／0 的隧道在施工和运营过程中发生过较人规模的岩溶涌水灾害，可见， 隧道涌 突 水是岩溶隧道施工和运营过程中常见的一种水息p “。 第2 章岩溶隧道施f 主要地质火害 2 ．1 ．1 岩溶突水灾害发生条件 隧道涌水是由于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学 平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体 有时有固体物质伴 随 高速运移形式瞬间释放而产生的～种动力破坏现象。当涌水中有大量的固体 物质 尤其是泥质物 时，称为隧道的突泥。隧道涌水突泥是否发生，需满足一 定的条件，即含水围岩的能量储存性能、释放性能、水动力性能和围岩稳定性 能等 一 含水围岩的能量储存条件 隧道涌水发生的储能条件指能够形成大量地下水及泥砂的地质条件。岩溶、 岩体中的各种破碎带 断层破砰带、节理密集带和岩性接触带 以及向斜构造盆 地等部位，具有良好的富水和储水性能，常可形成水量大、水压高的地下水体。 这些部位往往也是丰富的松散固体物质的来源，或本身含有大量的松散固体物 质，如溶洞中的泥砂、节理裂隙中的充填物、断层破碎带中的断层岩 断层泥、 断层角砾岩和糜棱岩等 等或与之有水力联系的其它水体 地表河、湖等 中含 有大量的泥、砂或醉块，发生涌水时，也会随水流一并涌入隧道。同时，这些 部位也是地下水的良好运移通道，在条件具备时，其中的地下水或与之有水力 联系的其它地下水体，将通过这些通道涌入隧道内p “。 除岩体中储存的大量地下水体具有较高静水压力外，其它应力的综合作用 也会使岩体储存较大的能量。包括 1 岩体的结构体 骨架 在静水压力、构造应力和重力等作用下产生的应变 能； 2 静水压力等对地下水体压缩产生的应变能 3 在高水头压力作用下，地下水产生的运动势能。一旦能量达到一定程度， 在隧道开挖过程中，必然发生释放，引起地下水向隧道高速涌出面形成涌e 突 水 泥 。 二 地下水动力条件与含水围岩的能量释放条件 虽然含水围岩中储存了大量能量，但隧道涌突水能否发生还要取决于隧道 能量释放条件，即控制隧道涌突水的主要条件为其能量释放条件，包括水压及 相对隔水层的厚度，其中最主要的是地下水的动力性能。根据对一些矿井巷道 发生涌 突 水时的水压与隔水层厚度的统计，有 第2 章岩溶隧道施工主要地质灾害 D - P ． b 2 ．1 口 ’⋯’ 式中D 为相对隔水层厚度；P 为含水层的水压；a 为相对突水的临界值；b 为隔水层保护作用的厚度。 定义突水系数 T ， 为水压与有效保护层厚度之比，即 ‘一- P 4 一D ， 2 ．2 式中T I 为相对隔水层厚度；D c 为有效保护层厚度风为施工掘进时破坏的 厚度。 当T 。 a 时，容易发生突水。 不同岩体结构和岩性条件的岩体，物理力学性质存在较大差异，隔水层厚 度也不尽相同。因此，不同类型围岩被涌水突破所需的最小突水量差别较大 见 表2 ．1 。单位厚度岩体承受的水压也随岩体种类不同而异，如 厚度为0 ．I r a 时 砂岩为0 ．I M P a 、砂质页岩为0 ．0 7 M P a ，粘土质页岩为0 ．0 5 M P a 、断层角砾岩约为 0 。0 3 5 M P a 。厚层且完整的岩体往往能承受较大水压力，如数米厚的砂岩和灰岩 能承受数十米高水头压力，甚至页岩和泥岩等在有保护作用下也能承受一定水 压，阻止涌水突水的发生；而薄层岩体和破碎岩体所能承受的水压力相对要小 得多，抗涌水和突水的能力较低。 表2 - 1 围岩被冲溃所需的最小突水量 m 3 ／h 围岩类别喀斯特化石灰岩碎屑岩变质岩粘土岩 | 最小涌水量 1 0 0 ～2 0 01 2 5