蒙海霖 程貴海 陳善江 蔣文俊

(廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004)

0 引言

改革開放以后，我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展邁上了一個(gè)全新的臺(tái)階并取得了世界矚目的成就。我國的發(fā)展之所以能夠取得今天的成就，這與國家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投資是密切相關(guān)的，如公路、鐵路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展?？墒窃谖覈降睾颓鹆甑匦位旧险既珖恋氐慕^大多數(shù)。當(dāng)鐵路、公路經(jīng)過此等地區(qū)時(shí)，往往會(huì)遇到山嶺障礙[1]。所以，在公路、鐵路建設(shè)時(shí)，為了降低企業(yè)成本，縮短運(yùn)行時(shí)間及減少交通事故等，就不可避免地要將隧道納入建設(shè)體系。

隧道是一種埋置于距地表一定深度的工程建筑物，也是一種人類對(duì)地下空間使用的形式。根據(jù)1970年召開的國際隧道會(huì)議，綜合考慮各方面的因素，將隧道定義為：為了實(shí)現(xiàn)我們的某種目的，在地面下用任何施工方法按規(guī)定形狀和尺寸修筑的斷面面積大于2 m2的洞室[1]。隧道的種類繁多，分類方法也很多，如：按隧道用途，所處的地質(zhì)條件，埋深深度等。隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，隧道建設(shè)規(guī)模和速度已經(jīng)穩(wěn)居世界第一。截止2014年年底，運(yùn)營鐵路隧道達(dá)12 095座，在建的有3 856座；公路隧道約為12 432座，在建的達(dá)4 536座。由于我國地質(zhì)條件的復(fù)雜性，必須在施工時(shí)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的開挖法。目前為止，隧道開挖法主要有：全斷面開挖法、臺(tái)階法、分部開挖法、新奧施工法，其各有各的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。雖然分部開挖法在不良地質(zhì)條件下被廣泛地應(yīng)用于修建公路、鐵路隧道，但其缺點(diǎn)如：施工工序多、進(jìn)度慢、不利于采用大型施工機(jī)械和無軌運(yùn)輸、工程造價(jià)高等，必將限制其今后的應(yīng)用前景；尤其在巖溶地質(zhì)條件下施工掘進(jìn)時(shí)，巖溶本身就對(duì)隧道施工有四個(gè)主要的有害影響：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、拱頂?shù)乇沓两档?，再加上方法自身缺點(diǎn)等，使得安全、質(zhì)量、效率等問題進(jìn)一步突出。因此，為了保證施工安全、質(zhì)量、效率，有必要針對(duì)特殊復(fù)雜的巖溶地質(zhì)施工條件，尋求一種新的施工方法——“綜合施工法”。

1 巖溶隧道開挖

1.1 施工流程

可溶性的巖層經(jīng)過地表水與地下水長期的補(bǔ)給、循環(huán)、徑流及滲透之后，發(fā)生化學(xué)溶解與機(jī)械破壞，從而形成巖溶[3,4]。由于溶洞巖質(zhì)的破碎，充填物的松軟及其含水性的存在，使得當(dāng)隧道穿過該巖層時(shí)容易發(fā)生塌方、涌水、流石、流泥，甚至拱頂?shù)乇沓两档炔『5]。所以，為了避免災(zāi)害事故的發(fā)生及保證施工進(jìn)度，我們采用“綜合施工法”掘進(jìn)巖溶隧道。

施工流程如圖1所示。

1.2 溶洞前期處理及預(yù)防措施

1.2.1巖溶水的處理

對(duì)于溶洞內(nèi)的水，在處理時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮和利用其自流的特性[6]。所以，我們應(yīng)盡可能地遵循宜疏不宜堵的原則，并且在處理與施工時(shí)采取超前鉆探的同時(shí)，配備一定數(shù)量的抽水設(shè)備，以防止突發(fā)情況。具體疏水的措施如下：

1)暗溝、引水槽、涵洞、小橋排水(適用于查明水的流向、與隧道的位置以及溶洞較小，圍巖較穩(wěn)定)。

2)開挖蓄水池，用抽水設(shè)備將其排出地表(已探明水量不是很大且出庫枯竭期以及因地勢等原因不能將其通過自流方式流出，只能借助外力，將其排出)。

3)排水管道(在有條件的地方，水流量大，水源充足的地方可以考慮修建水電站。這樣既可以滿足就近施工用電的需求，可以將電外送，其次，還可以考慮農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水，將溶洞這部分水充分利用)。

1.2.2溶洞洞穴的處理

這一塊的處理要依據(jù)“跨”“堵”“繞”三大原則。當(dāng)溶洞的范圍較小，水流量較小且所處的水文條件與地質(zhì)條件并不復(fù)雜時(shí)，可以考慮采用“跨”的原則[7]。反之，則使用“繞”的原則指導(dǎo)施工。具體施工對(duì)策如下：

1)當(dāng)溶洞范圍較大、充填物松散，隧道基礎(chǔ)加固處理需耗費(fèi)巨大人力物力時(shí)，可根據(jù)具體條件采用拱跨，梁跨或組合的形式跨過溶洞。

2)對(duì)已停止發(fā)育，范圍較小的干、濕溶洞，可以采用混凝土、漿砌片石或塊石等材料進(jìn)行回填，必要時(shí)注漿、錨桿、噴網(wǎng)加固。

3)當(dāng)溶洞內(nèi)的水流、流石、流泥量較小，且靠近隧道邊墻以及有向隧道隨時(shí)發(fā)生涌水、涌泥等風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以考慮采用“堵”的原則，最好再挖一條暗溝或鋪設(shè)暗管，將它們盡可能地遠(yuǎn)離隧道，防止積累成患。

4)對(duì)于極個(gè)別地質(zhì)和水文條件復(fù)雜的地段，經(jīng)過技術(shù)分析與論證之后溶洞難以處理或經(jīng)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)現(xiàn)，處理成本遠(yuǎn)高于繞行開挖的情況時(shí)，采取“繞”的原則處理此類巖溶地區(qū)。

1.2.3預(yù)防災(zāi)害發(fā)生的措施

在我國，碳酸鹽分布極其廣泛，被其覆蓋的面積約占總面積的1/5。因此，隧道施工掘進(jìn)中很容易遇到巖溶地質(zhì)，尤其是溶洞和暗河兩大危害。它們會(huì)造成隧道的坍塌、隧道內(nèi)涌水、涌泥、涌石等地質(zhì)災(zāi)害。為了降低或減少人員，財(cái)產(chǎn)的損失，目前在施工時(shí)對(duì)它們的處理主要以預(yù)防為主，治理為輔。原則是：先勘探，后開挖；先排干，后開挖，以排為主。具體的預(yù)防措施有：

1)強(qiáng)化地質(zhì)超前勘探預(yù)報(bào)工作，及時(shí)分析勘探數(shù)據(jù)并制定出相應(yīng)的預(yù)防措施指導(dǎo)施工。

2)超前排水。在水流量大，涌水、涌泥、涌石發(fā)生幾率較高的地段，超前掌子面30 m～40 m處利用超前鉆孔或開鑿側(cè)洞、溝排水[7]。

3)當(dāng)隧道一側(cè)邊墻處于巖溶地質(zhì)且該處圍巖較破碎時(shí)，可以采用注漿加固或注漿加固與超前排水相結(jié)合的措施。

2 隧道聯(lián)合開挖

隧道施工就是要挖出隧道范圍內(nèi)的巖體，并盡量保證坑道圍巖穩(wěn)定或減少對(duì)圍巖擾動(dòng)的前提條件下，選擇適當(dāng)開挖、掘進(jìn)方式并盡可能地提高掘進(jìn)速度與效率。雖然目前的開挖方式不管是在安全、經(jīng)濟(jì)、圍巖擾動(dòng)還是掘進(jìn)速度等技術(shù)方面都較之前有了很大的提升，但還是存在一些美中不足之處。為了保證巖溶地質(zhì)條件下安全、快速、有效地進(jìn)行隧道施工，我們采用聯(lián)合開挖法來推進(jìn)隧道掘進(jìn)。

所謂聯(lián)合開挖，就是在巖溶地質(zhì)條件下利用目前已有的技術(shù)手段和信息技術(shù)在確保安全的前提下，對(duì)隧道實(shí)施快速高效的掘進(jìn)。它實(shí)際上是一種其他方法的綜合體，唯一的不同之處在于，充分考慮了各自的優(yōu)點(diǎn)，避免了缺點(diǎn)而已。根據(jù)初始勘探的地質(zhì)資料，在離巖溶地質(zhì)大致30 m時(shí)，沿著隧道掘進(jìn)方向在掌子面處向隧道輪廓線外圍打5個(gè)超前傾斜鉆孔，孔角要保證超前鉆孔超前工作面至少兩個(gè)循環(huán)。他們的開鑿位置分別是：拱頂中心線、隧道中心線、地板中心線、圍巖較差一側(cè)拱腰中心線、拱肩與拱腰交匯處一個(gè)，如圖2所示。最后依據(jù)地質(zhì)資料及超前探孔經(jīng)過分析處理所得數(shù)據(jù)，確定巖溶區(qū)與隧道的位置關(guān)系，溶洞類型，溶洞發(fā)育情況及溶腔內(nèi)充填物的性質(zhì)，然后實(shí)施開挖步驟。

開挖原則要遵循新奧施工法中的：“早支護(hù)、緊封閉、少擾動(dòng)”三大法則，以它們?yōu)橹笇?dǎo)法則，指導(dǎo)隧道施工。在支護(hù)方面，依據(jù)圍巖自身的性質(zhì)以新奧法為主，傳統(tǒng)支護(hù)法為輔，選擇合適的支護(hù)方法，避免因支護(hù)體強(qiáng)度不夠所造成的危害。所以在開挖與支護(hù)時(shí)，我們要選擇能快速形成“拱頂效應(yīng)”的步驟。開挖步驟由雙側(cè)導(dǎo)洞法、全斷面法、臺(tái)階法中關(guān)鍵施工步驟所組成。

2.1 施工工序

1)將隧道斷面劃分成三部分，先開挖邊側(cè)圍巖較差的一側(cè)壁導(dǎo)坑，并進(jìn)行初期支護(hù)(錨桿加鋼筋網(wǎng)、或錨桿加鋼支撐、或鋼支撐，噴射混凝土)及未開挖側(cè)圍巖應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測，此部分要超前。

2)開挖圍巖較好一側(cè)的側(cè)壁導(dǎo)坑，進(jìn)行超前強(qiáng)支護(hù)與已支護(hù)體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，并對(duì)其監(jiān)測數(shù)據(jù)做分析處理，此部分與第一部分一樣要超前一個(gè)臺(tái)階的長度。

3)依據(jù)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，選擇合適的開挖方法開挖剩余部分[9]。如果拱頂圍巖條件好，采用全斷面一次開挖，使整個(gè)隧道快速形成“拱頂效應(yīng)”。反之，使用臺(tái)階開挖法掘進(jìn)。

4)最后一部分開挖時(shí)，要根據(jù)拱頂圍巖的穩(wěn)定性考慮是否先將拱頂部分開挖暴露出來并進(jìn)行支護(hù)以后再依次開挖剩余部分，最后迅速處理底部，鋪設(shè)仰拱，使全斷面閉合。

5)拆除臨空部分的支護(hù)體系。

6)實(shí)施二襯襯砌，埋設(shè)監(jiān)測儀器。

7)前期監(jiān)測要做到“勤量測，勤分析，即三天一抄一檢，五天出報(bào)告并提出相應(yīng)的預(yù)案”。

2.2 施工工藝

1)巖溶較厲害側(cè)超前深孔帷幕注漿，在開挖圍巖條件較差側(cè)導(dǎo)洞前，施作初期支護(hù)及中隔壁、中隔板。超前1個(gè)～2個(gè)循環(huán)開挖洞室土體。

2)圍巖較好側(cè)壁超前錨桿支護(hù)，先將該側(cè)做超前2個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的錨桿支護(hù)，外插角在10°～30°。在施作中孔位誤差不超過10 cm，外插角誤差不超2°。開挖超前1個(gè)～2個(gè)循環(huán)，且開挖以后及時(shí)噴射混凝土封閉開挖面并打入下一排超前錨桿。

3)在開挖中間部分時(shí)，依照拱頂圍巖的穩(wěn)定性，靈活決定拱頂暴露面積的大小及支護(hù)。當(dāng)圍巖中等穩(wěn)固以上時(shí)，采用全斷面一次爆破，將此部分洞體挖除，然后迅速支護(hù)，使整個(gè)隧洞形成“拱頂效應(yīng)”；若圍巖強(qiáng)度屬于中等以下，再加上此部分面積開挖量大，為了確保作業(yè)安全，應(yīng)在短管棚預(yù)支護(hù)的形式下開挖。

4)當(dāng)選擇短管棚預(yù)支護(hù)開挖時(shí)，將其分成上下臺(tái)階兩部分，將下臺(tái)階當(dāng)做核心部分最后開挖。上臺(tái)階超前下臺(tái)階1個(gè)循環(huán)，且上臺(tái)階開挖以后，先立即施作初期支護(hù)，然后再開挖下臺(tái)階。

5)分段(根據(jù)監(jiān)測情況確定縱向3 m～6 m)截?cái)嘌龉昂穸确秶鷥?nèi)的中隔壁，剔除初支混凝土及鋼筋網(wǎng)，保留格柵鋼筋100 mm長在二次襯砌范圍內(nèi)，鋪設(shè)仰拱防水層，施作二次襯砌，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后，頂緊豎[1-3,9]向臨時(shí)支撐與二襯結(jié)構(gòu)。

6)分段局部破除臨時(shí)支撐(縱向3 m～6 m)，敷設(shè)防水層、綁扎鋼筋、臺(tái)車就位澆筑拱部邊墻及拱部混凝土，形成封閉二次襯砌結(jié)構(gòu)。

3 綜合施工法的要點(diǎn)

1)在巖溶地質(zhì)條件下，采用此法掘進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)密切協(xié)調(diào)各個(gè)工序，使它們緊密銜接。支護(hù)和襯砌要及時(shí)，同時(shí)利用現(xiàn)有的勘探技術(shù)設(shè)法探明巖溶的位置、規(guī)模、形狀、類型及水的情況，然后給出治理方案和安全預(yù)防措施。

2)施工中要密切注意檢查溶洞頂部，發(fā)現(xiàn)浮石，要及時(shí)處理。當(dāng)溶洞范圍較大，較高且頂部巖石破碎時(shí)，在開挖之前應(yīng)先做好超前支護(hù)的工作將其加固并安置好施工防護(hù)網(wǎng)。

3)爆破作業(yè)盡可能地做到多打眼、打淺眼，并控制好爆破藥量以阻止爆破后充填物或水大量涌入，甚至坍塌等情況的發(fā)生。

4)溶洞在未制定出治理方案之前，不能隨意將棄渣，廢料，廢石等傾倒于其中，以免因掩蓋溶洞的真實(shí)情況而做出不合理的處置措施。

4 結(jié)語

巖溶地質(zhì)條件下的隧道，其施工開挖，穩(wěn)定運(yùn)行的成敗在于巖溶水的整治。而水的治理無外乎“堵”和“排”及其二者的組合三種方案。但無論是哪種，其主要目的還是在于保持隧道水土平衡，隧道安全快速開挖以及安全長久運(yùn)行。而在聯(lián)合開挖法中，不管是巖溶水的處理還是其他問題的處理，都要在遵循已有原則的基礎(chǔ)上，還要將隧道開挖掘進(jìn)的效率與速度考慮在內(nèi)。所以在選擇開挖方法時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道斷面大小及形狀、圍巖的工程地質(zhì)條件、埋置深度、支護(hù)條件、施工條件、環(huán)境條件、工期要求、工程量、機(jī)械配備能力、施工安全、經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮。目前，在絕大多數(shù)情況下，爆破掘進(jìn)依然是主流的開挖方法。對(duì)于聯(lián)合開挖法，它綜合了其他方法的優(yōu)點(diǎn)，只要各個(gè)工序緊密銜接，不僅不會(huì)出現(xiàn)安全事故，其開挖速度也會(huì)比單一的隧道開挖法有很大的提升。