石灰岩岩溶施工方法

本合同段隧道穿越地层多为灰岩地区，在厚大的灰岩中进行隧道开挖时会遇到隐伏性岩溶、溶洞。因此处理好石灰岩岩溶不良地质条件在本工程中显得尤为重要，本隧道主要采用超前地质预报进行地质探测，及时了解地形情况，在根据所测得的资料来拟定合适的施工方案来解决好石灰岩岩溶问题。

4.1 雷达超前地质预报

4.1.1雷达超前地质预报的原理

地质雷达与对控雷达在原理上十分相似，是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术，其探测原理如图1 所示。

图1　地质雷达工作原理示意

射体深度；x 为发射机和接收机间的距离；v 为雷达脉冲波速。由置于隧道掌子面发射天线送入隧道掘进方向的掌子面高频电磁波脉波(主频为数十兆至数百兆乃数千兆赫) , 当其在岩体传播过程中遇到不同目标体(岩石破碎带、溶洞、断层裂隙等) 的电性介面时就有部分电磁能量被反射折向掌子面, 被接收天线接收, 并由主机记录, 得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时,可根据测到的精确t 值求得目标体的位置和深度。这样, 可对各测点进行快速、连续地探测, 并根据反射波组的波形与强度特征, 经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测, 则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。

4.1.2雷达超前地质预报的检测设备及其优点a检测设备、方法及测线布置

对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达

检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。要探测到较深的地质情况，就必须选用相对较低频率的天线，本次检测选用了100MHz天线。使用的设备：美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达；由于隧道断面场地，在隧道上断面采用了连续测试及点测试方法，用100MHz天线进行连续扫描，采集地质雷达图像数据。具体检测线布置见如下示意图。在地质雷达图像上，隧道中线点为1个连续短标记；起、终点分别为2个连续短标记。

图 2-1地质雷达测试剖面布置图（面对掌子面）

b优点

SIR-3000型地质雷达地质超前预报探测系统，采用隧道高频地震反射回波的方法，探查隧道前方围岩的不良地质体（例如：岩体构造破碎带、岩性接触带和岩溶发育带等）。为隧道的快速掘进、支护材料的提前准备，以及灾害事故的预防提供地质资料与信息。

专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制开发的技术成果，已经经过国内著名隧道专家组评审，鉴定为具有国际先进技术水平。

隧道地质超前预报系统可预报隧道前方200米左右（本数值为中等硬度围岩条件，视当地地质构造有所偏差）的岩性变化、断层、破碎带、岩溶发育带、空洞等，并能计算出上述范围内的纵波、横波速度、波速比,泊松比,相应岩体的动弹模量和剪切模量等岩石力学参数。

TGP206隧道地质超前预报探测系统动态范围大，通过改变偏移距离和激发能量即可实现大范围预报。

TGP206隧道地质超前预报探测系统性能提高突出表现在高分辨能力的增强，即对隧道围岩病害地质体的判释能力的提高方面。

根据隧道地质超前预报和隧道地质检测两个方面的需要，开发出TGP隧道地质预报仪和相关软件处理系统。该隧道地质超前预报仪器系统既可以进行隧道地质超前预报，扩展配置又可以对开挖过程中未发现的隧道隐蔽病害（如隧底岩溶等）进行检测，和检测隧道围岩的弹性波速度、划分隧道围岩类别，以及检查混凝土衬砌与围岩之间是否存在脱空缺陷

等。

这种多功能仪器适应隧道弹性波多项目检测的需要，软件处理系统全部为WINDOWS编程，界面良好，处理中既有自动处理方式，也有手动处理方式，还具有深入分析异常可靠程度的追踪评估功能。这种功能设计的操作既适应非物探人员，又适应物探或专业人员利用弹性波传播特性对隧道复杂地质条件进行深入的研究。

4.2石灰岩溶隧道

4.2.1石灰岩溶形态及其发育条件4.2.1.1石灰岩溶形态

由于溶蚀作用和由此引起的机械冲刷坍陷等共同作用的结果，在地表与地下形成的奇特地形形态有十几种，如：溶沟和石芽、溶蚀裂隙、漏斗、溶蚀洼地、落水洞、坡立谷、峰林、干谷、溶洞、暗河等。4.2.1.2石灰发育阶段

可以岩溶发育过程分为4个阶段——幼年期、青年期、中年期、老年期。

（1）发育初期，大多是石芽、溶沟，逐渐发育成溶斗和落水洞，为岩溶发育的幼年期。

（2）岩溶地貌进一步发育，地下洞穴大量发育，并且互相贯通

暗河成为一个统一的地下水系统，地下水面以上，溶洞干涸，地下水面以下的洞穴充水，形成地下河，为岩溶发育的青年期。

（3）进一步发育，地面逐渐被蚀低，离地面较浅的溶洞的顶板开始崩塌，地下河的某些段塌顶成为地面河。岩溶地貌进入中年期。（4）最后，地下河和溶洞大量崩塌，成为地面岩溶盆地和平原地貌。此时石灰岩已大量蚀去，石灰岩的残积堆积物发育。除了溶蚀平原上残留少量的残丘及孤峰，地面起伏很小，形成一个准平原。为岩溶地貌的老年期。

4.2.1.3石灰岩溶发育条件

岩溶的发育条件：具有可溶性岩层；具有足够流量且具溶解能力的水（酸性水）；地表水有下渗，地下水有流动的途径。三者缺一不可！！也就是说，岩溶发育必须是：

（1）具有可溶性岩石（如碳酸盐岩、碳酸盐类岩石——石灰岩、白云岩、泥灰岩等；硫酸盐岩——石膏、硬石膏、芒硝；卤盐类岩石——钾、钠、镁盐岩石等）；

（2）岩石是透水的(风化、节理裂隙发育、褶皱、断裂)； （3）水必须具有侵蚀性（一般为酸性水，如溶解CO2的水或富含SO42-）；（4）水在岩石中应处于不断的运动状态中。

4.2.2石灰岩溶对隧道工程的危害

通过分析岩溶形态的特性及其发育的不均衡性和不规则性，不难看出，岩溶有利用的一面（如观赏旅游价值、岩溶伴生物的医疗价值），但作为一种特殊的地质现象，更主要的是对人们的生活和工程建设构成很大的威胁，给人们的生命财产构成威胁，甚至是灾难，也给隧道及地下工程的建设和使用、维护带来一些列困难。富水高水压地段的隧道衬砌设计参数选择很难把握；施工阶段的突水、突泥对施工安造成很大威胁，甚至生命的代价，也严重影响施工进度；修建地下工程后，因原岩溶水循环系统平衡破坏，造成地表水系、地貌和生态破坏，甚至造成地表结构物破坏、水资源缺乏等；因岩溶的发育和岩溶管道水、溶蚀物等对隧道结构形成威胁，影响正常使用、运营。特长隧道岩溶问题是国内外隧道施工中的重大难题。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，投入了大量的人力、物力、精力来解决和处置这些地质问题，积累了一些经验，取得了一些成效，但仍然发生了一系列问题，甚至是血的教训。4.2.3石灰岩溶隧道施工中存在的问题

在隧道施工过程中，溶洞使得隧道的施工力学动态更为复杂，易造成围岩中

应力的过度集中，隧道周边变形量增加，并可能引起隧道开挖中局部围岩的坍塌、掉块，影响隧道施工，直接危及施工人员和机械设备的安全。若溶洞中存在岩溶水或填充物等，施工过程中常发生的突水、突泥等工程灾害，危及隧道施工的安全，影响隧道施工的进度，一旦施工措施不当，常会使隧道建成后运营环境恶劣，地表环境恶化，给人们的生产和生活造成重大损失。

当前溶洞对隧道工程影响的研究一是有关岩溶区隧道影响范围内岩溶的探测问题；二是研究岩溶隧道灾害的超前预报、灾害的处理措施和岩溶隧道的施工方法等；三是研究不同形态和尺度溶洞引起的隧道稳定性问题，主要研究不同规模、位置的溶洞对隧道位移场、应力场和隧道支护结构内力变化的影响及对隧道施工动态的影响。这几个方面是相互联系，互相促进的。由此可见岩溶隧道相关问题的复杂性。一般岩溶隧道施工中存在的问题有：

（1）由于受勘测手段的，加上目前处于铁路建设高潮的时期，设计单位不可能在设计时有非常准确的地质资料，所以岩溶地质不一定非常详尽，因此导致在施工中不能提前预知，从而给施工带来困难。（2）在设计图中能预知岩溶地段，但岩溶的具体形态、位置也有可能与实际不一致，从而造成施工措施不到位而引起的问题。

（3）设计与实际岩溶有较大差别造成的岩溶突泥、涌水等灾害问

题。 （4）施工中由于施工方法不当引起的问题。

4.2.4石灰岩溶隧道施工的方法

岩溶隧道处于复杂地质条件下，它受天然形成的地质状态(如地应力、地质物理参数、地下水、地质断层等因素)和人工开挖操作(如开挖方式、支护方式、支护时间等因素)影响很大。由于其所处的地质环境不同，其围岩稳定特性也不同，因此采用的支护方式和开挖方式也就与一般隧道略有不同。大概而言，在方法中一般开挖工序上有差别，并更多的应用辅助工程措施。

目前隧道的开挖方式主要有：全断面开挖法、台阶法、分部开挖法、导坑法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。全断面开挖法适用于Ⅰ~Ⅲ级围岩；台阶法适用于Ⅲ~Ⅳ级围岩，上下台阶之间的距离，能满足机具正常作业，并减少翻渣工作量；分部开挖法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩，一般环形开挖进尺以0.5~1.5m为宜；导坑法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩，各工序安排紧凑，能保证施工安全；单(双)侧壁导坑法适用于围岩较差、沉降需要控制的隧道。而支护方式通常采用锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网加注浆、钢架支护、钢筋混凝土支护、注浆加固和预应力锚索支护等，实际应用中常常采用多次支护、联合支护等形式。

4.2.5岩溶隧道施工开挖方法

岩溶隧道由于处于复杂的工程地质和水文地质条件下，无论是出露溶洞还是隐伏溶洞，其对隧道的结构本身和隧道围岩都有非常不利的影响。这种影响不仅仅表现在勘察设计阶段，在施工过程中因施工方法的不正确等原因而造成突发性灾害事故。故对岩溶隧道提倡动态的施工设计，根据现场施工情况的反馈及时有效的指导隧道后续施工。

一般来说隧道施工开挖方法分为明挖法和暗挖法两大类，其中暗挖法按开挖隧道的横断面分部情形来分又可分为全断面开挖法、台阶法、分部开挖法，当然，暗挖法中也包括TBM和盾构法。对岩溶隧道而言，根据实际情况，可采用的开挖方法有全断面开挖法、台阶开挖法、留核心土台阶开挖法、分部开挖法等。其在方法上与一般的隧道相似，差异之处在于岩溶区段与非岩溶区段开挖工序上略有不同，并且采取更多的辅助工程措施，但所遵循的原则是一致的。 (一)全断面开挖

全断面开挖法是按设计开挖断面一次开挖成型，常适用于Ⅰ~Ⅲ级围岩。全断面开挖的主要优缺点为：

(1)全断面开挖法有较大的工作空间，适用于大型配套机械化施工，施工速度较快，且因工序少和干扰少，便于施工组织和管理。一般应尽量采用全断面开挖法。但开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求施工单位具有较强的开挖、出渣能力和相应

的支护能力；

(2)采用全断面开挖，钻爆施工效率较高，采用深孔爆破可加快掘进速度，且爆破对围岩的震动次数较少，有利于围岩的稳定。但每次深孔爆破震动强度却较大，因此要求进行严格的钻爆设计和控制爆破作业。

采用全断面开挖方法的主要注意事项有：

(1)摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施(包括改变施工方法)，以确保施工安全和工程进度。尤其应注意突然发生的地质条件恶化如地下泥石流；

(2)各工序使用的机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的使用效率和各工序之间的协调作用，力争环环相扣，在保证隧道稳定安全的条件下，提高施工速度；

(3)在软弱破碎围岩中使用全断面法开挖时，应加强对辅助施工方法的设计和作业检查以及对支护后围岩的动态量测与监控。

台阶法开挖

台阶开挖法(图2.2)一般是将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型，也有采用台阶上部弧形导坑超前开挖的。台阶法适用于VI～IV级围岩且含软弱夹层带或节理发育地段。根据围岩的破碎程度，台阶法又可分为长台阶法、短台阶法、超短台阶法。

台阶法开挖的主要优缺点为：

(l)台阶开挖法可以有足够的工作空间和相当的施工速度。但上下部作业有干扰；

(2)台阶开挖虽增加对围岩的扰动次数，但台阶有利于开挖面的稳定。尤其是上部开挖支护后，下部作业就较为安全，但应注意下部作业时对上部稳定性的影响。

采用台阶法开挖的主要注意事项有：

(1)台阶长度要适当。按台阶长短可分为长台阶、短台阶、微台阶三种。选用何种台阶，应根据两个条件来确定:其一是初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要求愈短；其二是上半断面施工时开挖、支护、出渣

等机械设备所需的空间大小的要求；

(2)解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。微台阶基本上是合为一个工作面进行同步掘进;长台阶基本上拉开，干扰较小；而短台阶干扰就较大，要注意作业组织。对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工；

(3)下部开挖时，应注意上部的稳定。若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖;若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺；若围岩稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。

分部开挖法

分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，一般将某部超前开挖，常用的有环形开挖留核心土法、上(下)导坑超前开挖法、单(双)侧壁导坑超前开挖法等。

(1)台阶分部开挖法

又称环形开挖留核心土法(图2.3)，适用于一般土质或易坍塌的软弱围岩地段。上部留核心土支挡开挖工作面，利于及时施作拱部初期支护，增强开挖工作面的稳定性，核心上及下部开挖在拱部初期支护保护下进行，施工安全性好。一般环形开挖进尺为0.5~1m左右，不宜过长，上下台阶可用单臂掘进机开挖。台阶分部开挖法的主要优点是：与超短台阶法相比，台阶可以加长，一般双线隧道为1倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨，而较侧壁导坑法机械化程度高，施工速度可以加快。此法曾在大秦线军都山隧道黄土及断层带地段、北京地铁复兴门折返线工程中采用，取得良好的效果。

单侧壁导坑法(CD法—Center diaphgram)

围岩较差，跨度大，地表沉陷难于控制时采用，此法单侧壁导坑超前，见图2.4，中部和另一侧的断面用正台阶法施工，故兼有正台阶法和双侧壁导坑法的优点，且洞跨可随机械设备等施工条件决定，此法已在北京地铁复兴门折返线，埋深与洞跨比为0.67、宽15m的渡线断面中应用并获得成功。

该方法还有一些变化方法，如在开挖单侧壁导坑时也采用台阶法，并及时用斜支撑支护，一般将这种方法成为CRD法，如在东京市地铁隧道施工中采用了该方法，该处地铁隧道埋深从0～10m，地层为漂砾土、细粘土、粘土、沙土等，隧道断面为马蹄形，宽10m，高8.5m。

双侧壁导坑法

适用于浅埋大跨度隧道(图2.5)，地表下沉量要求严格，围岩条件特别差时。此法安全可靠，但速度慢，造价高。北京地铁西单车站施工采用了该方法，该处地层主要是粉细沙、中粗沙、砾沙、中粗沙等，埋深在6m左右，车站长、宽、高分别为270m、26.04m、13.5m。衡广复线上的香炉坑隧道，为双线铁路隧道，全长238m，隧道开挖宽度13.22m，高度10.47m，面积约120m2，隧道最大埋深28m，洞口段覆盖层厚度在14m以内，最小埋深仅1.5m，该隧道采用双侧壁导坑法进洞获得了成功。

一般来说分部开挖法的主要优缺点为：

(1)分部开挖因减少了每个隧道的跨度(宽度)，能显著增强隧道围岩的相对稳定性，且易于进行局部支护，因此它主要适用于围岩软弱破碎严重的隧道或设计断面较大的隧道中。环形开挖留核土法由于留有核心

土支挡开挖面，利于及时施作拱部初期支护增强开挖工作面的稳定，并使得下部开挖在拱部初期支护保护下进行，安全性较好，分部开挖由于作业面较多，各工序相互干扰较大，且增加了对围岩的扰动次数，若采用钻爆掘进，则更不利于围岩的稳定，施工组织和管理的难度亦较大；

(2)导坑超前开挖，有利于提前探明地质情况，并予以及时处理。但若采用的导坑断面过小，则施工速度就较慢；

分部开挖法施工时注意事项有：

(1)因工作面较多，相互干扰大，应注意组织协调，实行统一指挥；(2)由于多次开挖对围岩的扰动大，不利于围岩的稳定，应特别注意加强对爆破开挖的控制；

(3)应尽量创造条件，减少分部次数，尽可能争取用大断面开挖；(4)凡下部开挖，均应注意上部支护的稳定，减少对上部围岩及支护的扰动和破坏，尤其是边帮部位开挖时。