齊　俊,孫　毅,戴李春,李國文,楊永斌

(1.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室, 北京　100044； 2.貴州中交貴甕高速公路有限公司, 貴州甕安　550400；

3.中交公路規(guī)劃設計院有限公司, 北京　100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安　710065)

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貴甕高速公路建中隧道施工難點及治理措施

齊俊1,孫毅1,戴李春2,李國文3,楊永斌4

(1.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室, 北京100044； 2.貴州中交貴甕高速公路有限公司, 貴州甕安550400；

3.中交公路規(guī)劃設計院有限公司, 北京100088； 4.中交第二公路工程局有限公司, 西安710065)

摘要：溶腔、洞室和軟弱破碎帶是巖溶地區(qū)隧道施工的難點和重點。貴甕高速建中隧道在施工過程中出現了圍巖與設計情況不符以及溶洞塌方等問題,嚴重影響了施工進度。為此,通過對國內典型巖溶隧道設計施工案例進行分析借鑒,結合建中隧道的工程地質條件,在圍巖與設計情況不符段進行方案修改,加強支護；在溶洞塌方段進行掌子面封閉、深孔注漿、回填混凝土等治理措施。經采取上述措施后,拱頂沉降和隧道周邊位移均小于控制標準,效果良好。

關鍵詞：公路隧道；巖溶空洞； 超前地質預報

巖溶作用是指地表水和地下水對地表及地下可溶性巖石(碳酸鹽巖類、石膏及鹵素鹽類等)所進行的以化學溶解作用為主，機械侵蝕作用為輔的溶蝕作用、侵蝕-溶蝕作用以及與之相伴生的堆積作用的總稱[1]?？扇苄詭r石在我國分布廣泛，這使得隧道工程不可避免地涉及巖溶問題。影響巖溶發(fā)育的因素十分復雜，巖溶的類型又豐富多樣，這給巖溶地區(qū)的隧道工程的施工帶來了巨大的困難[3-5]。本文介紹的建中隧道便是巖溶地區(qū)的典型隧道工程，在施工中遇到了圍巖與設計地質情況不符以及巖溶空洞等問題，這些問題嚴重影響了施工的進度，需要采取適當的措施加以解決。

1工程概況

1.1工程基本情況

建中隧道為貴州省貴陽市至甕安縣高速公路中的最長隧道，位于甕安縣建中鎮(zhèn)，為雙向四車道分離式高速公路隧道，隧道主洞斷面輪廓：0.75 m(左側檢修道)+0.5 m(左側側向寬度)+2×3.75 m(行車道)+0.75 m(右側側向寬度)+0.75(右側檢修道)，共寬10.25 m，限高5 m，內輪廓如圖1所示。

圖1　建中隧道內輪廓(單位：cm)

建中隧道左線全長3 287 m，里程樁號ZK79+013～ZK82+300；右線全長3 302 m，里程樁號YK79+003～YK82+305。進出洞門均采用削竹式。山頂最高高程約1 373.4 m，隧道洞頂最大埋深147.45 m，最小埋深在進洞口，埋深約1 m。建中隧道長度大于3 000 m，是特長隧道，設置3個車行橫通道和8個人行橫通道。建中隧道洞身圍巖級別見表1。

表1　建中隧道基本情況

1.2工程地質條件

隧址區(qū)在地貌上屬于侵蝕地貌類型，地形起伏較大。隧道出口處，地形較陡，坡度18°～26°，坡向朝西北；出口處為山坡，地形較陡，坡度27°～31°，坡向朝東。

建中隧道地質情況：Ⅲ級圍巖為淺灰色中風化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性一般；Ⅳ級圍巖為淺灰色中風化灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性較差；Ⅴ級圍巖主要為粉質黏土夾雜淺灰色強～中風化灰?guī)r，節(jié)理裂隙很發(fā)育，局部溶洞貫通性發(fā)育，巖體很破碎，穩(wěn)定性差。

隧址區(qū)未見地表水發(fā)育。地下水主要為硅酸鹽巖類巖溶水、基巖裂隙水，含水量較小，接受大氣降水的補給，水位埋藏度隨季節(jié)變化和地勢的高低變化而變化。

1.3施工方法

建中隧道主要施工方式為：Ⅲ級圍巖段采用全斷面開挖；Ⅳ級圍巖段采用上下臺階法開挖；Ⅴ級圍巖土質段采用CD法開挖，粉質黏土較少且整體性相對較好的巖石段采用預留核心土法開挖。

按照上述施工方式，Ⅲ級圍巖巖石堅硬，整體性好，擬采用全斷面光面爆破開挖，對于整體性較好Ⅳ級圍巖段分上下斷面采用光面爆破，Ⅴ級圍巖視掌子面實際情況，對于圍巖整體性較差段主要采用機械結合松動爆破開挖，巖石段采用中間松動爆破與周邊光面爆破相結合的爆破方法。

2工程難點及應對措施

2.1工程難點

巖溶地區(qū)的隧道施工會經常遇到軟弱的地質帶、斷層以及巖溶空洞，有的巖溶空洞中還會有巖塊、松散土或泥漿作為填充物[6-7]。巖溶發(fā)育對隧道工程危害較大，溶洞、溶蝕裂隙、溶蝕小孔破壞了圍巖的整體性，降低了巖體的整體強度，影響圍巖穩(wěn)定，導致洞室坍塌及洞頂地表塌陷。若破壞了巖溶水通道，則會導致涌水、突泥的發(fā)生，這些事故都十分危險，會阻礙隧道施工的進行，甚至出現人員的傷亡。

本工程中主要遇到的典型施工難點問題如下。

(1)圍巖與設計地質情況不符

建中隧道掘進至ZK79+722處，該處原設計為Ⅲ級圍巖，實際掌子面圍巖主要為中風化灰?guī)r，節(jié)理裂隙呈水平狀發(fā)育，巖體較破碎，且夾雜大量的經沉積作用形成的煤矸石，隧道開挖后，受構造影響，拱部松散巖體大量坍塌，極不穩(wěn)定。

(2)施工過程中突現溶洞(圖2)

圖2　隧道施工揭示溶洞情況

建中隧道掘進至YK79+596處發(fā)現溶洞，溶洞處于拱頂及拱腰位置，豎向深度約25 m，呈不規(guī)則狀，環(huán)向影響范圍約10 m，溶洞為填充型干溶洞，洞壁巖體極其破碎，極不穩(wěn)定，填充物為破碎石塊夾泥，爆破開挖后，填充物及洞壁四周破碎巖體夾雜泥塊失去支撐而大量掉落，掌子面上方難以穩(wěn)定，嚴重影響施工作業(yè)安全。

2.2一般預防及應對措施

2.2.1超前地質預報

巖溶地區(qū)施工過程中圍巖與設計地質情況不符的現象時有發(fā)生，為盡可能減小這一幾率，超前地質預報便是十分重要的一個環(huán)節(jié)。若隧道的地質情況復雜，存在溶洞、斷裂帶、巖石破碎帶等不良地質帶，需結合地質勘探設計予以查明。為此，要針對隧道輔助施工設置的具體情況，開展綜合超前地質預測預報。

目前超前地質預報主要手段有物探法、地質分析法和超前鉆探法[8-9]。針對隧道的工程特點，可采用地貌、地質調查與地質推理相結合的方法，進行定性預測。具體采取的措施有：對開挖全過程進行綜合預測、預報，方法有地質素描法(常規(guī)地質法)、首先采用TSP探測儀進行遠程較宏觀的地質預報，再采用地質雷達進行近距離較微觀的地質預報，對于較強富水地段以及主要斷層和寬度的斷層前后50 m范圍采用超前地質鉆孔組合，對于涌水地段采用3孔組合，以對不良地質地段進行最后確認。

施工中應該將幾種預報手段綜合運用，取長補短，相互補充和印證。綜合監(jiān)測結果，及時提出對不良地質的處理措施，以降低施工風險，確保工程質量和運營安全。

超前地質預報若發(fā)現前方地質情況與設計不符時要及時通知設計單位到現場核實，以便及時采取有效的設計變更方案。

2.2.2巖溶塌方處理辦法

當溶洞位于隧道上方時常常會發(fā)生塌方，溶洞中的松散土、碎石等會隨之落下[10-12]。這時應優(yōu)先保持塌方體的穩(wěn)定，一般采用噴射混凝土或注漿的方法實現。遇到上述情況，可在拱部小導管注漿或管棚預固結圍巖的保護下，盡量減少對圍巖的擾動，采用拱部預留核心土，周邊采用人工風鎬開挖，核心土及中槽用挖掘機開挖。溶洞位于隧道上方發(fā)生塌方時施工程序如圖3所示。

圖3　溶洞塌方地質段施工程序

2.3建中隧道應對措施

2.3.1圍巖與設計地質情況不符的施工段方案修改

(1)以ZK79+722為起點，暫定縱向20 m范圍內按照如下方案實施：將開挖斷面按619 cm半徑開挖，初期支護厚度24 cm，預留沉降量5 cm，二襯厚度35 cm；增設I18型鋼，每榀間距60 cm；采用φ22 mm的螺紋鋼單層連接，環(huán)向間距100 cm；間距20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm藥卷錨桿，L=3 m，間距60 cm×120 cm(縱×環(huán))，每環(huán)16/17根，梅花形布置。其余設計參數不變。

(2)結合該段地質超前預報，考慮到后續(xù)地質情況可能存在變化， 暫定先按上述方案施工20 m，再根據圍巖情況確定后續(xù)方案。

2.3.2溶洞塌方地質段具體治理措施

(1)立即撤離掌子面人員及機械設備，避免溶洞坍落造成損失，待穩(wěn)定后再清理堆積的填充物，進行后續(xù)施工。

(2)YK79+596斷面開始，溶洞環(huán)向14 m范圍設置雙排φ25 mm中空錨桿，單根長度3.5 m，環(huán)向間距40 cm，搭接長度50 cm，縱向范圍為溶洞影響全長(預估縱向10 m范圍)，以穩(wěn)定洞頂松散巖體，便于后續(xù)施工。

(3)掌子面用碎石土反壓封閉，在溶腔底部設置φ8 mm(間距25 cm×25 cm)雙層鋼筋網，預留φ108 mm×6 mm注漿孔，在反壓土支撐下，泵送C25混凝土至溶洞腔內，C25混凝土在溶洞裂隙范圍擴散，與松散巖體相互結合形成支撐整體，一方面防止繼續(xù)坍塌，另一方面阻擋溶洞內高處掉落的石塊，確保人員設備可以安全進入掌子面附近施工。

(4)溶洞縱向影響范圍內(YK79+596斷面開始，預估縱向10 m范圍)支護加強處理：將開挖斷面按630 cm半徑開挖(原設計開挖半徑605 cm，擴大25 cm開挖)，初期支護厚度28 cm，預留沉降量12 cm，二襯厚度35 cm；增設I22b型鋼，每榀間距40 cm；每榀鋼拱架采用4根，單根長4 m的φ42 mm×4 mm的鋼花管鎖腳固定；采用φ25 mm的螺紋鋼雙層連接，環(huán)向間距50 cm；設φ8 mm雙層鋼筋網滿鋪，間距20 cm×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用φ22 mm藥卷錨桿，L=3 m，間距40 cm×120 cm(縱×環(huán))，每環(huán)16/17根，梅花形布置。用φ108 mm×6 mm鋼管(長100 cm，2根)焊接于工字鋼上，預留1個漿孔，1個排氣孔。

(5)待工字鋼、鋼花管、連接筋、系統(tǒng)錨桿、注漿孔及排氣孔安裝完成后噴射C20的混凝土。

(6)待噴射混凝土凝固后，用混凝土輸送泵通過預留的注漿孔往溶腔內泵送C25混凝土。

2.3.3監(jiān)控量測

措施實施后需對該施工段進行監(jiān)控量測，隧道斷面測點布置如圖4所示，拱頂布設三個測點，分別為測點A、B、C，在拱腰兩側分別布設一個測點，為周邊位移下測線。

圖4　隧道監(jiān)控量測測點布置示意

針對圍巖情況與設計不符段以及溶洞塌方段分別選取典型斷面進行監(jiān)控量測，結果如下。

(1)圍巖情況與設計不符段監(jiān)控量測結果見表2。

表2　圍巖情況與設計不符段監(jiān)控量測結果

注：控制標準按Ⅲ級圍巖考慮。

(2)溶洞塌方段監(jiān)控量測結果見表3。

由表2和表3可知，圍巖情況與設計不符段以及溶洞塌方段拱頂下沉值和下測線收斂值均小于控制標準，變形量在可控制范圍內。截至2014年3月8日，監(jiān)測斷面圍巖已基本趨于穩(wěn)定，可推斷所處施工段圍巖應力場重分布完畢，后續(xù)施工能順利進行。

表3　溶洞塌方段監(jiān)控量測結果

注：控制標準按Ⅳ級圍巖考慮。

3結語

針對建中隧道在施工過程中遇到圍巖情況與設計不符、溶洞塌方問題，借鑒國內其他工程實例，采取了如下措施。

(1)針對圍巖與設計不符的情況，及時修改設計方案，并對支護結構進行加強。

(2)針對隧道個別出現溶洞塌方的情況，在等待塌方穩(wěn)定后，采用深孔注漿的方法穩(wěn)定塌方體，在掌子面封閉的情況下加固松散巖體，之后向溶洞中回填混凝土。

通過采取上述治理措施，兩段拱頂下沉最大值分別為6.39，8.82 mm；隧道周邊位移最大值分別為4.85，5.96 mm，均小于控制標準，后期圍巖基本趨于穩(wěn)定。治理措施效果良好，后續(xù)施工能夠順利進行。

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Construction Difficulties and Treatment Measures of Jianzhong Tunnel on Guiweng HighwayQi Jun1, Sun Yi1, Dai Li-chun2, Li Guo-wen3, Yang Yong-bin4

(1.Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,

China; 2.China Communications Construction Company Guiweng Highway Company Limited, Weng’an 550400;

3.China Communications Construction Company Highway Consultant Company Limited, Beijing 1000088;

4.China Communications Construction Company Second Highway Engineering Company Limited, Xi’an 710065)

Abstract：Dissolved cavity, cavern, soft and shear zone are difficult points in the construction of karst tunnels. During the construction of Jianzhong tunnel on Guiweng highway, great differences appeared between the local surrounding rock conditions and those indicated in the design and some caverns were collapsed. These seriously affected the construction progress. Therefore, through analyzing the domestic typical karst tunnel design and construction cases, based on the engineering geological conditions of Jianzhong tunnel, programs in the area with conflicted surrounding conditions against the design are modified with reinforced support. In the area of dissolved cavern collapse, such measures are taken as tunnel face closing, deep hole grouting and concrete backfilling. With the measures taken, crown settlement and tunnel inner perimeter displacement are less than the control limits and the effect is good.

Key words：Highway tunnel; Dissolved cavity; Advance geological forecast

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.02.021

文章編號：1004-2954(2015)02-0087-04

作者簡介：齊俊(1990—)，男，碩士研究生，E-mail：13121075@bjtu.

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助(2012JBM081)

收稿日期：2014-05-12； 修回日期：2014-05-28