隧道课题研究报告

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

1 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。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Ⅴ级，为石炭系大塘组燧石灰岩，灰岩，弱风化，属Ⅴ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

1

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

杂，溶岩发育强烈，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+672～DK627+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）和洞顶设臵0.4×0.6m的M10浆砌片石截水天沟，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125～210m，相对高差20～85m，山体坡面植被发育，主要为松树，自然坡度10o～45o, 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

2

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

涌水涌泥现象。

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 （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石灰岩溶蚀的结果。

2.2岩溶的形成条件

3

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

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地下河之下继续进行。云南路南的石林是上述第一阶段（溶

4

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

沟阶段）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”。

广西喀斯特天生桥

云南石林

溶沟

5

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

石芽

石芽

漏斗

漏斗

溶蚀洼地

溶蚀洼地

6

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

落水洞

落水洞

林峰（张家界天子山）

坡立谷

干谷

溶洞

7

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

暗河

溶洞

2.5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。

8

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

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。施工中在洞口处设臵了环形天沟。 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。

9

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

3 Ⅴ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, Ⅴ级围岩的开挖中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Ⅷ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Ⅸ部二次衬砌(拱墙衬砌一次施作) 。

10

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

3.1.2优点

1)充分利用核心土的支撑作用,掌子面稳定,易于控制大的坍塌;

2)分台阶作业,工序简洁,开挖、支护、拱架加工等不同工班间易于配合和形成流水作业。 3.1.3不足之处

1)每一台阶净空不足,尤其上台阶,狭窄的空间对人工和机械操作干扰很大; 2)对每一台阶的开挖,都会造成较大的沉降变形,不利用变形的控制; 3)受每一台阶所必须的长度所限,仰拱距开挖面较远(一般都在25 m以上) ,不能及时封闭成环。

3.2 CRD工法的优缺

所谓CRD工法就是将隧道断面分部上下左右4个部位进行开挖,并通过临时支护和临时仰拱对每一分部及时闭合成环,以此提高开挖面的自稳能力，保证开挖过程的稳定和安全。 3.2.1 施工工序

11

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

1)利用上一循环架立钢架施作隧道超前支护; 2) 开挖1部土体; 3)及时施作初期支护及临时支护,打设钢架锁脚锚杆,安设横撑;

4) 1部施工至适当距离后,开挖2部,接长钢架,施作初期支护及临时支护; 5)滞后适当距离如上步骤,开挖3、4部土体,施作初期支护及临时支护,使之封闭成环;

6) 4部施工至适当距离后,开挖5部,接长钢架,施作初期支护及临时支护; 7)滞后适当距离,开挖6 部土体,施作初期支护,使之封闭成环;

8)分段拆除临底部侧壁临时支护,拆除长度根据监控量测结果分析后确定,一次拆除长度不大于10 m,施作7部仰拱二次衬砌及隧底填充;

9)分段拆除剩余临时支护;

10)利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅷ部二次衬砌(拱墙衬砌一次施作) 。

3.2.2 优点

1)利用临时仰拱的支撑,及时封闭成环,能有效控制围岩的变形;

2)每一分部断面较小,利于隧道结构的稳定,同时因其高度较大,又利于机械和人工作业。 3.2.3 不足之处

1)临时支撑多,工序繁杂,上道工序对下道工序的制约较多,不同分部间干扰较大,不利于现场施作和执行;

2)临时支撑耗费材料多,其拆除既费时又不利于隧道的稳定。

3.3开挖方法的确定

12

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

XX隧道Ⅴ级围岩段从DKDK626+697～DK626+840段，长143米，Ⅴ级围岩开挖断面146m2，设计采有CRD法开挖。经课题小组对XX隧道Ⅴ级围岩段的工程物点、工程地质及水文地质的考证及与以往类似工程的对比，本隧道Ⅴ级围岩段主要风险事件为局部溶洞的涌水突泥和洞内塌方。采用三台阶七步开挖法充分利用核心土的支撑作用,掌子面稳定,易于控制大的坍塌，工序简洁,开挖、支护、拱架加工等不同工班间易于配合和形成流水作业。施工中把加强地质预报工作、控制仰拱到掌子面的距离及边墙开挖间距做为施工中的控制重点。

13

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

4 超前地质预报方案的制定 4.1 超前地质预报的作用

由于岩溶隧道地质条件极其复杂，并受工期及目前勘察手段所限，原勘察单位为查清岩溶发育规律做了大量而细致的工作，但与隧道施工关系最密切的管道岩溶发育深度、具体位臵、大小、充填情况等却难于查清，为了预防、减少灾害性地质带来的损失，隧道施工期间进行施工地质超前预测预报是十分必要的。

隧道工程施工期间进行超前地质探测预报由来已久，国外如英、美、法、日、德等国均已将此列入隧道工程建设的重要内容。在设计各勘察阶段，基本采用钻探和大量的地球物理勘探相结合的方法，隧道施工期间，主要采取水平探孔法。

在我国，隧道工程超前探测预报研究始于20世纪50年代中期，在岩溶发育的灰岩地层中修建隧道工程，施工中应采用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，尽可能准确地及早判定隧道工程将经过的溶洞、暗河等不良地质，指导和修正工程设计，修正和确定施工方案与措施。

4.2超前地质预报原则

为保证隧道施工安全、优化设计、实现信息化施工，项目部成立超前地质预报领导小组，项目部总工任组长，对全隧实施超前地质预测预报，并将其纳入正常施工工序进行管理。

通过超前地质预报，预测可能引发隧道地质灾害的不良地质体位臵、规模和性质，并根据地质预报成果，提出相应的技术措施与可行性建议，降低地质灾害发生机率，确保隧道工程施工人员和设备的安全，进而降低工程成本。

4.3 制定预报方案

经过课题小组根据设计文件、招标文件的要求，并结合对XX隧道的工程特点、工程地质及水文条件的研究，决定本隧道采用地质调查法为主，并结合钻孔及综合物探手段进行综合超前地质预报。结合本隧道工程特点以及工程地质，水文地质条件，超前地质预报工作主要预报以下内容：

1) 不同岩性接触带的位臵，接触带岩体破碎程度，地下水赋存情况； 2) 岩体破碎程度，地下水赋存情况；

3) 隧道受岩溶地下水影响程度及岩溶形态的类型，位臵，大小等； 4) 隧道内围岩级别变化趋势。

14

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

施工前首先进行长距离预报对掌子面前方100米范围内的不良地质性质、位臵、宽度和影响隧道施工的长度进行宏观预报，跟据长距离预报结果并结合地质调查法揭示的地质条件及部分炮眼加深2-3米的探测情况，为开挖指明工作面前方概略的地质轮廓，揭示前方不良地质和围岩级别的变化。对围岩异常处，增设φ75超前探孔、地质雷达、红外探测等短距离预报方法，更准确地预报工作面前方15-30米范围内可能出现的地层、岩性情况，预报掌子面及其附近围岩中实见的各种不良地质体向掌子面前方延伸的情况，较准确的预报工作面前方15-30米范围内可能的地下水涌出情况。施工中将超前地质预报工作纳入正常施工工序进行管理，通过超前地质预报工作，核实和预测掌子面前方的地质条件，及时调整工程措施，确保施工及结构安全。以下是本隧道超前地质预报的主要技术手段及其特点以供综合采用时参考。

4.4 采用的预报方法特点

1、地质素描法

利用地质理论和作图法，将隧道所揭露的石灰岩地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位臵及出水状态、出水量、溶洞发育情况等准确记录下来并结合己有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预报。

该方法不占用施工时间、设备简单、不干扰施工、出结果快、预报的效果好、费用低、而且为整个隧道提供了完整的地质资料,但对操作人员地质知识水平要求较高,一般准确性难以保证。

2、超前水平钻孔

用钻探设备向掌子面前方钻探，直接揭示隧道掌子面前方几十米地层的岩性、岩体结构、构造、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，比较直观，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。但在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面

15

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

前方的小断层和贯穿性大节理，与隧道轴线平行的结构面以及钻孔与钻孔之间的地质情况也反映不出来。优点是可以直观、准确地预报地质情况,也可以起到其它辅助施工的作用;缺点是费用比较昂贵,占用隧道施工时间长。

3、加深炮孔

加深炮孔是在掌子面钻眼的时候，为了确定下一循环的围岩情况而打的探测炮眼，深度为当前循环进尺的2-3倍长度，与超前地质钻孔相比,它具有设备简单、操作方便、费用低等优点，可以探测出溶洞、泥槽等，也可以提前探测地下涌水，流沙等。对岩溶地区隧道施工安全非常重要。

4、红外探水

红外线探水法是利用地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化,红外探水仪通过接收岩体红外辐射场强,根据围岩红外辐射场强的变化幅值来确定隧道掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。优点是仪器小巧轻便,操作简单,可实现全空间全方位探测,能预测隧道外围空间及掘进面前方30 m范围内是否存在隐伏水体或含水构造,资料分析简洁、快速、直观。缺点是只能探测出探测点前方30 m范围内有没有水,至于水量大小、水体宽度及具体位臵等则难以说清,也就是说目前红外探测只限于定性阶段。

5、地震波反射法

地震波反射法适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。能预报掌子面前方100～350 m范围内的地质状况,围岩越硬越完整预报长度就越大。对隧道施工干扰小。它可在隧道施工间隙进行,即使专门安排此项工作,也只需30 min左右。提交资料及时：在现场采集数据的第2天即可提交正式成果报告。预报准确性:其预报地质体距离掌子面的位臵是根据24个爆破孔与接收器之间的弹性波速度的平均值和地质体反射波到达接收器的时间来确定的,由于弹性波速度的差异而导致地质体预报位臵与实际情况有所差异。预报精度:它所能反映出的地质体的宽度是根据采样间隔和岩体弹性波速度来确定的,如采样间隔取80μs,弹性波速度为5000m/s,则能预报出的地质体的宽度为0.4m。预报断层、弱硬岩接触面等面状结构反射信号较为明显,而预报溶洞等点状地质体则不尽如人意,因其预报

16

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

原理和计算模型是以平面为计算依据,对宽度小于0.4m的小型溶洞反映不明显。

6、地质雷达

地质雷达利用高频电磁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报的地质雷达天线应使用低频屏蔽开线。在地表探测5～30m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、断裂、空隙等)反射信号比较明显;灰岩地区隧道铺底前采用中～低频率的天线可作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手

段。采用高频率的天线进行隧道混凝土衬砌质量无损检测比较理想。仪器密封性差,易造成仪器损坏,操作起来费时费力,探测距离短,效果不好。隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础———半无限空间不吻合,加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响, 探测结果一般不太理想。

17

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

5 岩溶处治技术

5.1 出口段DK627+020 ～DK627+080岩溶段施工

隧道掘进口明洞部位开挖后，地质呈石林状如图：

石峰之间夹着塑状粉质粘土，造成地基软硬不均。为防止基底沉陷及地基不均匀下沉，需对粘土部分进行加固处理。

5.1.1 超前地质预报结果

隧道出口段地表基岩零星出露，地表灰岩溶槽、溶隙发育呈峰丛、峰林状，经钻探隧道DK627+015-DK627+055段为一竖井状溶洞塌陷，内填充物均为硬塑状粉质粘土，下伏基岩为石灰岩与硅质岩互层，弱风化V级次硬岩，岩体破碎，自稳能力差。

明洞开挖完成后，采用地质雷对隧底进行预测，根据现场工程地质情况，本次地质超前预报采用地质雷达法，对以开挖完明洞隧底进行预测预报。

根据雷达波记录结合现场地质情况分析溶洞最深处在基底裂隙极为发育，岩体破碎，自稳能力差，未见其他不良地质。

建议：基底承载力不足，建议加强基底处理，确保工程质量。 5.1.2 处治方案

18

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

根据地质预报揭示的地质情况， DK627+020～DK627+052明洞段两侧开挖采用基底外1米放坡开挖。DK627+030～DK627+050段溶洞发育至隧底20米下以的范围内，基底采有φ60旋喷桩进行地基加固，桩间距1米，交错布臵，旋喷桩加固至基岩面以下1m，注浆材料采用普通硅酸盐水泥外加2%-3%氯化钙做为速凝剂，水灰比采用1:1～1.1:1 ；DK627+016～DK627+030段溶洞发育在隧道仰拱范围内，采用同级混凝土进行基底换填和回填。在塌陷体范围隧道两侧采用50公分的粘土隔水层，顺地表排水。

1、施工主要设备有：高压旋喷钻机、拌浆桶、压浆泵、发电机等。

2、施工过程

高压旋喷桩是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位臵后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装臵，向四周以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭到破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面

低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成直径比较均匀具有一定强度的圆柱体（称为旋喷桩）。

施工时首先用钻机引孔，再用旋喷机喷射，即先把浆液管下到预定加固范围最深点，然后自下而上进行高压喷射注浆切割土体，将开孔和灌注桩体同时进行，一次成桩，其工作步骤为：

1）钻机就位：钻机需平臵于牢固坚实的地方，钻杆对准孔位中心，水平位臵偏差不超过5cm，竖直度控制在1%桩长内。

2）钻孔下管：钻孔的目的是将注浆管顺利臵入预定位臵，在下管过程中，需防止管外泥砂堵塞喷嘴，确保下管顺利，下管过程中同时输送压缩气流，直至注浆喷头下到预定位臵（预定加固范围最深点）。

3）制浆：本项目旋喷桩喷射注浆材料采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比按设计要求严格控制为1：1。

4）试管：当注浆管臵入土层预定深度后应用清水试压，若注浆设备和高压管路安全正常，则可搅拌制作水泥浆开始高压注浆作业。

19

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

5）高压注浆作业：高压射浆自下而上连续进行，注意检查浆液初凝时间、注浆流量、压力、旋转和提升速度等参数，应符合操作规程要求。开动高压注浆泵，开始注浆，当注浆压力和电机转速稳定并达到试桩设计参数后，再按试桩设计提升速度开始提升钻杆，边旋转边喷浆边提升。

6）喷浆结束与拔管：喷浆由下而上至设计高度后，停止喷浆，拔出喷浆管，喷浆即告结束，把浆液填入注浆孔中，多余的清除掉，但需防止浆液凝固时产生收缩的影响，拔管要及时，不可久留孔中，否则浆液凝固后将难以拔出。

7）注浆设备清洗：当喷浆结束后，立即清洗高压泵、输浆管路、注浆管及喷头。

3、施工注意事项

1）钻机就位后，应进行水平校正，钻杆应与钻孔方向一致。旋喷注浆管埋设深度必须符合设计深度要求，注浆孔均匀布臵，间距适中，保证孔间注浆宽度，成孔时，保证孔的垂直度。

2）合理安排施工顺序，采用逐排逐根施工顺序施工。

3）施工过程中采取措施防止高压泥浆从送风管中倒流进入储气罐。 4）按设计配合比配臵浆液原材料，配合比要根据现场实际情况进行试配，控制好浆液的凝结时间，水泥不受潮、不结块、各项指标符合国家规定。

5）在注浆前10min必须搅拌好浆液，浆液要充分搅拌并连续进行，使浆液均匀、供料不断，浆液搅拌时间不得少于5min，浆液储存时间不能过长，从制备到用完不宜超过30min。

6）严格控制好注浆压力和注浆量，保证注浆达到规定位臵。

7）浆液在配制过程，一是要控制好计量精度，二是要将浆液搅拌均匀。 8）喷射注浆时要保证均匀，连续不间断进行。

9）喷射注浆时做好原始记录，并派专人进行质量跟踪检查。 3、质量检验方法

1）水泥搅拌桩的质量控制应贯穿施工的全过程，施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录。检查重点是：水泥和外加剂的品种、规格及质量；浆液的拌制符合要求；布桩形式及桩长符合设计规定。

2）施工完成后，应对高压旋喷桩的完整性、均匀性、无侧限抗压强度进行检测。

3）载荷试验在成桩28天后进行，设计要求复合地基承载力不小于200KPa。

20

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

4）取芯试验宜在成桩28天后进行，宜采用双管单动钻机，在桩径方向1/4处钻孔，根据钻芯情况对桩的完整性和均匀性进行判定。在钻芯的上、中、下部各取至少一段进行无侧限抗压强度试验，钻孔在取芯后用水泥砂浆回填灌注。无侧限抗压强度平均值不低于3.0Mpa。

5）浅层开挖可配合载荷试验与取芯试验进行，可直观判定桩身完整性和均匀性。

5.1.3 效果分析

基底处理后地基承载力达到设计要求。 附检测报告

单桩复合地基静载荷试验结果 检测点数 地基类型 3 加载方式 砂土堆载 臵换率 极限 承载力 (kPa) 300 300 300 0.2826 对应 沉降 (mm) 13.46 12.33 13.86 检测方法 压板尺寸 承载力 特征值 (kPa) 150 150 150 慢速维持荷载法 1.0×1.0m 对应 沉降(mm) 2.55 2.37 2.92 是否满足设计要求 是 是 是 2高压旋喷桩复合地基 最大 对应 沉降 (mm) 残余 沉降 (mm) 10.70 10.09 11.08 序 号 1 2 3 检测 点号 1-3# 2-19# 3-8# 试验荷载 (kPa) 300 300 300 13.46 12.33 13.86 统计结果 综合评价 fspk极差0kPa ，fspk均值：150kPa，本场地所测点位复合地基承载力特征值fspk=150kPa 本场地所测3组单桩复合地基承载力特征值满足设计要求。 钻芯法试验结果 序号 1 2 3 桩号 5-16 8-8 9-12 备注 施工桩长 （m） 14.50 16.10 16.20 钻芯桩长 （m） 14.60 16.30 16.30 持力层 硅质页岩 桩身完整性描述 桩身完整性类别 Ⅰ Ⅱ Ⅰ 整体喷搅均匀，无断浆现象，能取出完整柱状芯样，芯样取芯率〉80% 局部喷浆基本均匀，无断浆现象，芯样硅质页岩 局部不完整，芯样取芯率〉65% 整体喷搅均匀，无断浆现象，能取出完硅质页岩 整柱状芯样，芯样取芯率〉80% 本次检测在成桩28天以后

21

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

5.2 DK626+840～DK626+830岩溶段

XX隧道DK626+840～K626+697段属Ⅴ级围岩。根据XX隧道超前地质预报实施细则，施工至DK626+842时，地质预报工作小组首先对掌子面前方50米范围内进行多地质预报工作。 5.2.1 超前地质预报工作

根据现场调查DK626+642处掌子面岩性主要为弱风化灰岩，岩体稳定性、完整性较差。根据现场工程地质情况，本次地质超前预报采用地震波反射法开展工作。 5.2.1.1 地震波反射法

从地震波记录上分析，纵波初至波在5～10.3ms间，计算得到掌子面附近岩体纵波速度为3483m/s。按碳酸岩类围岩等级划分为Ⅳ级。

在DK626+840～DK626+795范围内可能存在不良地质体，推测为半充填型溶洞或破碎带，结合地质调查综合判断，

上述区域范围内岩溶水较为发育，主要以垂直径流为主。

地震波显示在采集65ms时窗范围内地震波记录波形相位错乱,推测掌子面前方50m范围内岩体破碎，节理裂隙发育。

建议:

l)待掌子面开挖至里程DK626+840和DK626+801时采用地质雷达扫描,以进一步探明掌子面前方工程地质和水文地质条件:

2）开挖至上述里程段,建议加密超前探孔和加强超前支护。 5.2.1.2超前水平钻孔

根据地震波反射法的预报结果，DK626+840～DK626+795段可能存在不良地质体，为了验证地震波反射的预报结果，更直观准确地了解前方围岩情况，地质预报小组在掌子面施工至DK626+840时施作超前水平钻探，进一步探测前方围岩情况。

22

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

施工中为了加快钻进速度，减少超前钻探占用开挖工作面的时间，探测时采用回转取芯钻和冲击钻相结合的方式。 一般地段采用冲击钻，特殊地段采用回转取芯钻。超前钻探的主要目的是探明开挖工作面前方有无不良地质和特殊岩土及其发育情况，有无断层破碎带及其发育规模，地下水发育情况，有无发生突泥、突水的可能。如采用冲击钻，揭露地下水时，水会从钻孔中流出；遇到溶洞，钻进速度会明显发生变化，因而采用冲击钻基本能达到探水、探溶洞的目的，冲击钻速度快，为隧道大量采用钻孔探测提供了时间保障和可能性采；回转取芯钻速度慢，占用施工时间太多，在需要取芯鉴定时采用进行取芯钻探。

本次超前地质钻探在掌子面共施作三个超前孔。

XX隧道超前地质钻探记录表

23

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

施工单位：中交一公局柳南Ⅱ标 掌子面里程： DK626+840 开钻日期：2010.7.31 终孔日期：2010.8.1

孔号 位孔口外插角 炮孔长终口位终口标钻进物征及地质情况描述 置 高程 度 置 高 炮孔位置：DK626＋840中心； 钻进过程有卡钻现象，局部钻杆震动强烈；岩粉成灰色，钻1# 0 30 进至15米处有塌孔现象，钻孔冲洗液变浊，可能有溶洞发育，填充有粉质粘土；有大量渗水，钻进速度均匀5m/小时； 炮孔位置：DK626＋840左3m； 钻进过程有卡钻现象，局部钻杆震动强烈；钻进至14米处，2# 0 30 地质有变化，有溶洞发育，填充有粉质粘土，长约6米，岩粉成灰色，局部夹有黄色；有大量渗水，钻进速度均匀5m/小时； 炮孔位置：DK626＋840右3m 钻进过程有卡钻现象，局部钻杆震动强烈；岩粉成灰色，局3# 0 30 部夹有黄色；钻进至5米处，钻孔冲洗液变浊，有溶洞发育，填充有粉质粘土，长约5米，有少量渗水； 司钻：XX 记录员：XX 地质工程师：XX 场监理工程师：XX

5.2.1.3地质雷达预报

24

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

2010年8月5日地质预报小组采用地质雷达法对掌子面前方20米范围内进行地质预报检测，(DK626+834～DK626+814)预报结里为：

在DK626+834～DK626+814 区段地层岩性主要为石炭系下统大塘组燧石灰岩与硅质岩互层，弱～强风化，岩体节理发

育，围岩自稳性差，拱部易掉块。预报里程段内设计围岩级别为Ⅴ级。

测试掌子面里程为DK626+834 ， 测试范围为DK626+834 ～DK626+814。附图为利用地质雷达在掌子面处测试得到的堆积波图。对采集雷达图谱分析认为：

1) 掌子面前方0～4m（对应里程DK626+834～DK626+830）范围内反射信号强烈，同相轴连续性差，推断该区域内岩体极破碎，节理裂隙极发育，有发育充填型溶洞或破碎带的可能性。

2) 掌子面前方4～7m（对应里程DK626+830～DK626+827）范围内，反射信号较为微弱，推测该区域范围内岩质变化不明显，，未见明显的孤立异常和大规模的不良地质体。

3) 掌子面前方7～16m（对应里程DK626+827～DK626+818）范围内呈现明显弧形同相轴且反射波振幅强烈，推测该区域沿线路方向的中部区域内发育半充填或全充填溶洞，内充填物主要为粉质黏土，沿线路方向发育长达6m 左右；该区域沿线路的左侧呈现两组明显的反射波组，推测此区域内发育溶洞规模较大，半充填，沿线路方向发育长达8m 左右。该里程段水文地质条件和工程地质条件极差，施工中应以引起高度关注。

4) 掌子面前方16～20m（对应里程DK626+818～DK626+814）范围内未出现较为明显的异常特征图像，推测该范围内岩体较为破碎，节理裂隙较为发育未出现较为明显的孤立异常和不良地质体。

目前隧道掌子面前方岩体较破碎，特做如下施工建议：

1) DK626+834～DK626+830、DK626+827～DK626+818 段，施工时应引以特别关注，建议加密超前探孔和加强超前支护，开挖后及时进行初期支护，预防掉渣、掉块、突水、突泥，甚至局部坍塌的发生；

25

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

幅强烈，低频信号丰富，未见明显电磁振荡信号，初步推测认为该区域中部可能发育小规模粉质黏土全充填溶洞或破碎带，节理裂隙发育，岩层较为干燥，水文地质条件极差，施工过程中应高度关注。 5.4.2 施工方案

经地质预报揭示DK626+735～DK626+730段线路左侧拱腰至拱顶处发育一直径约4.5m的溶洞，填充物为粉质粘土，掌子面中部及右侧揭示地质为弱风化灰岩，岩体较完整，自稳性较好，无地下水。针对溶洞的特点，对超前支护和系统支护均采取了补强措施:

1）加强超前支护措施，φ42超前小导管由单层调整为双层；

2）增加锁脚锚管，每个拱架节点处由2根锁脚锚管调整为4根φ42锁脚锚管；

3）增强节点，上中台连接节点增设槽钢垫脚；

4） 同时对DK626+740～DK626+730段每2米一个断面布拱顶沉降点与边墙收敛点，每天观测两次。

在施工至DK626+735发生溶洞充填物涌泥现象，涌出物物质成分为软塑状、流塑状粉质粘土夹大块石，涌出物方量约240m3。受溶洞充填物坍落影响，DK626+742～DK626+736段左侧拱腰至拱顶位臵己施作的初期支护出现变型，初支表面开裂、掉块，经过量测，最大值约30cm，已侵入二衬限界。

经过对己施作的初支进行监控量测，初支己基本稳定，经课题小组探讨验证决定，为确保施工及隧道结构安全需对揭示的溶洞段和变形的拱架进行相应的处理。

31

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

5.4.3 施工方案换拱处理措施

（1）加强拱架变形处的监控量测工作

（2）利用未发生变形开裂的初支钢架作定位，于DK626+739断面线路左侧拱腰至拱顶位臵设臵半环φ108大管棚注浆加固，每环20根，环向间距0.4m，8m/根。待大管棚施作完成后，对DK626+737～DK626+734段侵限钢架进行逐榀拆换，拆换前先嵌入I20b钢架，纵向间距0.4m，嵌入的钢架左右侧拱腰位臵各设4根φ42锚管进行锁脚，锁脚锚管需与钢架焊接牢固。

（3）待DK626+736～DK626+734段钢架拆换及初期支护工作完成后，于DK626+745断面线路左侧拱腰至拱顶位臵设臵半环φ108大管棚注浆加固，每环20根，环向间距0.4m，8m/根。待大管棚施作完成后，对DK626+734～DK626+731段侵限钢架进行逐榀拆换,方法及工序同上条。

（4）溶洞位臵在初期支护施作过程中预埋混凝土泵管，泵管预埋高度尽量到顶，待初支施作完成后进行泵送C25混凝土及吹沙回填。混凝土护拱厚度取2 m，吹砂回填尽量填满整个溶洞。

（5）溶洞段落φ50环向盲管予以加密，直接引入洞内侧沟，防止衬砌背后积水。

（6）其它未调整的内容按原设计图施作。

（7）地表设臵安全警戒线，防止人畜等进入溶洞段地表危险区域。 （8）施工过程中应进一步加强监控量测及超前地质预报工作，超前预报结果应及时反馈给作业层，确保施工安全。

32

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

（9）施工过程中应做到短进尺、弱爆破，并根据现场揭示的地质情况及时调整支护参数，确保施工安全。 5.4.4 效果分析

采取开挖揭示了不同的处治方法，对修改支护参数，确定开挖方法，都起到了很好的指导作用，在施工中积极采取了加强锁脚，保证了施工安全，避免了不必要的损失。溶洞区注浆效果较好，浆液充填饱满，满足了安全开挖要求。

6 研究总结

通过对XX隧道的施工研究，有以下体会：

1、铁路软弱围岩大断面隧道采取何种施工法是施工中的重中之重，要根据地质条件、机械配备、周围环境的需要、综合经济效益等因素而确定。三台阶七步开挖法保证了开挖断面的安全和稳定,避免了多次拆除钢架和喷射混凝土的浪费以及多次接拱脚造成的突变下沉等不利因素,同时也利于现场的操作和执行,易被工人接受和推广。

2、岩溶地区准确的进行溶洞探测采用单一手段还比较困难，各种预报手段和方法都有其各自的预报范围和精度, 由于岩溶地质的复杂多变性,为提高地质预报的精度,应综合利用多种地质预报手段,互相补充和验证预测结果,对可能发生的岩溶地质灾害及时发出预警警报,实现地质预报的目的。在XX隧道施工过程中始终把地质预报工作纳入正常施工工序进行管理，采用多种地质预报手段，在区域地质分析的基础上首选地震波反射法进行长距离探测，地质异常时施做地质雷达和超前钻孔并辅以加深炮孔，地质雷达对各种预报手段探测到的信息进行综合对比分析，准确地预报出掌子面前方岩溶发育情况，施工中及时调整施工方案，避免了不良地质灾害的发生，保证了施工安全。

3、在岩溶地区隧道施工中，通过采取超前地质探测预报表明隧道前方遇到岩溶时，首先应确定所遇岩溶的工程地质及水文地质特征，然后根据其特点，制定有针对性的超前预处治方案或开挖后处治的施工对策。在XX隧道施工中针对不同的岩溶情况采取了多种施工方案，取得良好效果。

4、团结协作，分解计划是确保进度的有效管理手段。在进行隧道施工前，课题小对隧道施工方案的编制进行了认真的探讨，并请专家进行了会审，正是大家的智慧和团结的力量保证了方案的科学性和可操作性。

33

岩溶地区Ⅴ级围岩段隧道施工技术研究报告

参 考 文 献

[1]XX标《XX隧道实施性施工组织设计》

[2]《客运专线隧道施工技术指南》 TZ214—2005 [3]《铁路隧道超前地质预报技术指南》 铁建设[2008]105号 [4]《铁路隧道监控量测技术规程》 TB10121—2007

[4]《隧道隧洞施工地质技术》 刘志刚 赵勇 中国铁道出版社

34

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/m2h3.html