齐岳山隧道

充水溶洞对隧洞施工的影响及岩溶的治理技术研究

岩溶探测技术的研究现状

岩溶的探那是解决岩洛隧道危害的前提条件，隧道拖工开挖工作面前方岩溶地震情况的探测

是国内外工程地质和隧道工程界关注丽又没有得到很好解决的问题。

国外早在上世纪70年代就开始进行地质超前预报工作了，80年代美国学者Benson等就利

用地质雷达对岩溶危害展开了预报。我国隧道地震超前颈报发震较晚，始于20世纪90年代，

但髓着交通建设的飞速发震，地质超预报技术得到了快速的发展。

目前，国内外得到快速发展的岩珞隧道地震超前颈报技术有：地震雷达技术、TSP技术、红

外线技术、陆地声纳法、TRT反射地震层析成像、HSP技术、断

层参数预痴法预报搓道隧洞断层技术、电磁导弹技术、地震反射负视速度法、超

前钻探、掌子面编录颈据法、数码成像和声援CT、不良地震剪兆预测法等[15]。

邓居智、莫撼[16](2001)等利属探地雷达对芜湖一宣域高速公路的路基塌陆地

段进行了勘察，通过对雷达图像的邦释，充分了解该路段范围内岩溶以及岩体中

袭嚣的发言情况。对其中南处进行了钻探验证，其雷达判释结果与钻探验证的结

果非常吻合。

叶英(l巧。006)通过对大量岩溶隧道超前地震预报资料以及实测地质资料进

行总结分斩，并综合利用数值模报、室内实验以及现场试验等多种研究手段，深

入研究了E普岩溶地区各类越道地震超前颈摄的方法，指出了各类方法的现状、

局跟性和发展趋势并给出了改进方法，提出了岩溶越道在施工过程中的地质灾害

预案机制，发黑了整套的岩溶颈报理论方法体系。

王mL[18](2008)以渝湘高速公路霆嘴岩隧道为对象，阐述了培震波反射法的

基本原理，并结合工程实例利用该方法对岩洛地区隧道超前琵报进仔验证。

徐贵辉[19)(2010)系统离述了地震波法CTSP)和探地雷达法CGPR)的理

论基础、基本原理、观测方式和资料解泽方法，并分析比较这两种方法的住缺点，

提出岩溶环境下基于该两种方法的综合地盾超苗预报方法，在工程中经过实际应

用后证明综合地震超前预报方法能够很好的提高岩搭地区超前地质预报的准确

率

岩溶区隧道〈涓〉匾岩稳定性的研究现状

以前在岩洛区域修建隧道〈洞)时主要采用工程类比法和结鉴己有的成功经

验，并结合理场监控量蜒的反馍信息来评赞图岩的稳定性和指导施工，而针对于

岩洛这种不良工程地质(岩溶揭穴、岩溶东及松散堆积物〉对路道〈洞〉的稳定

性影嘀的研究梧对较少。随着公路、铁路以及水利工程的大力发展，岩溶区隧道

〈洞〉工程的建设越来越多，而现有的一些理论和经验己不能满足岩溶区隧道

〈濡〉的设计及施工的需要。因此，溶润对隧道(洞〉影响特盔的研究越来越得

到人有]关注。近年来己有一些学者对岩洛区隧道(渭〉展开了研究，大多数是针

对公路铁路隧道，主要集中在对隧道漏水量的预测、突泥涌水等岩溶灾害等方面

以及不同分布的洛润对隧道洞用匿岩稳定性的影响，对岩溶区的东工搓祠研究还

不够成熟。

任美得、刘振中附(1983)认为，岩窑对隧道工程的危害主要表现为隧道突然

濡水:隧道遇地下羁穴时的悬空:越道硕部溶洞充填物的塌陆以及隧道基底溺穴

]莫扳塌陷等问题。

汪从锦[21J(1990以鲁布革水电站为依托工程，认为水利水电工程建设中，

岩搭地区最为突出的问题是岩溶渗漏、濡水和岩溶润穴危及地下润室围岩变形失

稳及基础的稳定。并通过计算分析了不同润径、位置以及与渭室闰不同距离的圈

形隐伏溶溺对引水隧捐位移的影嘀。认为，濡穴与越涓距离愈小，或溶涓涓径愈

大，则对隧摆尾边位移量的影响愈显著:其中，近水平向洛泪对隧道周边位移民

影响最为不利。

赵明盼、吴梦军等[22-28](2003，2004)以朝东岩隧道为依托工程，通过模墨试搓、

数值模拟方法以及现场监测等手段研究了顶部、京部和健部洛渭对隧道圈岩应力

和位移的影睛。提击了岩溶磁道围岩稳定性的评判标准、溶渭费主革稳定性撞算近

似模型、超蘸预支护和二衬的最佳时机等，对岩洛隧道的设计和施工提供了翠论

依据。

宋占是平[2勾(2006)对西南地区岩溶隧道的灾害形式以及工程中常见洛润形

态、尺寸和空前展布等情况进有分析，提出并建立了"空场"力学模型和"搓道好

力学模型。通过数值模拟，研究分析了不同形态的黯伏溶洞对国形以及城门洞墨

隧道菌岩应力、位移和支护结构内力的影嘀，解释了隧道位移变化娱律的内在机

璋。

彭)11[3叮(2009)运用二维弹塑性模型溶洞在隧道不同位置、不同大小、不

同距离分布时对能道虽岩稳定性的影响，得出靠近岩洛揭处围岩的稳定性最差，

施工中应加强对窑溺的处理，其结果为某隧道的安全施工提供了理论依据。

聂志凌[31](2009)将溶洞简化为圆形，通过二维数值模拟不同形态填充望

溶洞金子隧道的顶部、底部和销部三种软况时对隧道结构的不同影睛:并通过模

型试验对数值模拟的结果进行论证。

吕涛[3勾(2011)利用Abaqus有最元分析软件建立了基于完全流圄藕合的岩

溶管道对水工越洞围岩影响的数值分析模型，研究了岩洛管道倾角、管道内水压

力、管道与隧洞间的距离及管道大小在有压水工隧润开挖、运行及检修期间对匿

岩应力、应变及位移的影嘀。为岩搭管道区水工磁润的施工提供了宝贵的理论依

据。

1.2.3岩溶处治技术的研究现状

由于岩溶这大量隧道的惨建，人们也掌握了一些岩洛区的施工处理技术和成

功经撞。大致分为两今方面，一是对岩港进行处理:二是调整磁道施工措施或加

强隧道的支护参数，最终自的都是更好的保证隧道安全施工。

对岩溶处理主要包括对窑洞、漏水、窑洞内填充物的处理等等。报据国内外

大量岩蓓的处理技术，基本都遵锤"引、培、跨、绕"的原则。溶洞的治理，主要针对溶洞的

大小、位置、有无岩溶东、充填物及充填物的性庚，采取不爵的处

治措施。治理措施有:注浆回填、注浆如固、迂吕导坑、增强支护等。突泥濡水

的治理，遵锚"以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理"原则，王军量不改变

水的渗流路径，根据实际情况选择以排为主或是以赔为主，同时应考虑所采瑕的

措施对隧道庚处的东文地震条件相周雷环境影响最夺。

吕西明，张民庆等[33](2006)依据齐岳山隧道的具体情况，针对不同类型的

岩溶提出在撞工过程中宜采取释放、排泄、注浆等具有针对性措施，使岩溶得到

很好的治理。总结捂出(1)对于低水压、贫水型溶洞，宜采取爆破释放方案:

(2)对于低水压、富水里搭摆，宜采取泄水洞排水方案施工，尤其是在反援施

工的情况下(3)对于低水压、富水里溶槽，低水压、贫水型充填型搭漓，采取

注浆如匮+管挪支护最为合理、可靠、安全。

踪敬良[34](2009)结合武广铁路新离岭楼道施工过程中遇到大主溶润，提出多

种应对方案，权衡考虑技术、经济、安全、质量等因素，最终选择迂因导捷方案，

避免了因岩洛哥引起的相关灾害。

朱海涛[35](2010)依托齐岳出隧道，结合现场岩窑治理，提出"探测、排水、

截水、主才培、绕行押处理原则:分水薛压、注浆加盟、强支护与快挖快封组合等

技术，将不同类型岩溶进仔精细分类，并指出其相应的处治技术。

王木群[36](2011)本着"方案合理、结构安全、工程成本低、保持本环境、施

工易操作"的原则总结出大小溶洞、洛管、溶洞填充物以及岩洛水等岩溶坷题的

处治技术。

日本从20世纪90年代开始，就采用地质图像处理技术对掌子面的地质条件进

行图像处理，提炼出与围岩分级有关的参数，对围岩分级进行修正，

并开发了隧道掌子面图像系统

工字钢棚法在隧道溶洞和塌方冒顶处治中的应用

在发生塌方冒顶,坍塌物中夹有较大孤石,且仍

有较大孤石掉落的危险时,如果采用传统的注浆超

前小导管或管棚作为超前支护,因超前小导管和管

棚抗扭曲变形能力弱,加上在本来就因地质条件差

而导致塌方冒顶的围岩处施作管棚导向墙的难度

大,有孤石存在管棚的方向也很难保证,一旦有较大

或巨大孤石掉落,在巨大的偶然瞬时冲击荷载作用

下很容易将已施作好的管棚、小导管甚至已施作完

的初期支护砸坏,无法保证施工和后期运营的安全。

同样,若开挖掘进时揭示有往拱顶上方发育的较大

溶洞,且溶洞壁或填充物不稳定,有孤石或危石掉落

风险,则直接施作初期支护无法保证施工和后期运

营的安全。

工字钢具有较好的抗扭曲变形能力,常用的工

字钢惯性矩见表1,截面见图1。若用挖机将工字钢

从已施作好的钢拱架背面斜向小角度顶进,并用环

向连接筋焊牢成棚状支护结构,再在该工字棚下施

工初期支护及二次衬砌,则既能保证施工安全,又能

保证施工进度

果乱隧道左线ZK56+785—826段拱顶往上发

育一特大型厅堂状溶洞。该段埋深约140m,溶洞

高度20多m(具体高度很难探测),溶洞填充物以淤

泥夹石为主,局部地段分部有悬挂岩体。溶洞侧壁

局部分布有危岩体,经常有孤石掉落,整个溶洞内涌

水严重,呈瀑布状,站在溶洞口边缘处能明显感受到

较大气流涌动,施工技术难度大,安全风险较高。图

2为左幅溶洞总体剖面图。

为确保施工安全,经对该溶洞段进行综合调查,

并对其稳定性进行分析和评估,确定如下处治方案:

(1)将二次衬砌施作到距离溶洞口15m处,确

保已施作段初期支护的稳定性。

(2)溶洞段拱顶120°范围设置1m长I14工字

钢作为悬臂杠杆(见图3),设置于原设计初期支护

I20a工字钢的外侧,环向间距50cm,并用2环ϕ16

钢筋环向连接焊牢,在钢架上布一层间距20m×20

m(长×宽)ϕ8钢筋网片,再在网片上放置木板作临

时防护盖,依次循环向前施工。

(3)为满足该溶洞段自由落体落石冲击力要

求,按式(1)对该段可能产生的最大冲击力进行计

算后,在I20a钢架外侧设2m厚砼护拱,在施作护

拱时预埋长度为5m的注浆管,初期支护及护拱完

成后,向护拱外注2m厚M5砂浆作为缓冲层。

p=2.108M2/3λ2/5hH3/5(1)

式中:p为落实最大冲击力(kN);M为落石质量

(t);λ为拉梅系数,建议取1000kN/m2;H为自由

落体落石的自由落体高度(m)。

(4)根据溶洞内水流量,用反演法对溶洞段涌

水量进行预测,根据预测结果在施作初期支护和护

拱时纵向每2.5m埋设2根长4.5mϕ100PVC管

(埋设位置视溶洞情况适当调整,尽量位于护拱两侧

最低点),环向接ϕ100弹簧盲管(埋在初喷砼内)接

引水管将水引入拱脚泄水孔。

(5)施工过程中加大监控量测频率,并尽快跟

进溶洞段的二次衬砌,以确保安全、顺利地通过该溶

洞段。

工字钢棚法在伏内2号隧道塌方冒顶处治中

的应用

伏内2号隧道左线由出口端往进口端掘进。出

口ZK16+345—362段平均覆盖层厚度约13m(浅

埋段),围岩以红褐色饱和性黏土夹孤石为主,开挖

过程中常有孤石滑落,开挖至ZK16+353掌子面处

时因连日暴雨作用而发生塌方冒顶,从塌腔口中涌

出约210m3孤石和饱和性黏土,并将ZK16+350—

353段已施作的上台阶超前小导管和I20b工字钢

悉数砸坏,塌腔壁上的围岩仍为饱和性黏土夹大块

或巨块状孤石,存在孤石继续滑落的危险。为确保

施工安全,保证施工进度,采用如下处理方案:

(1)为确保地表水不顺着塌腔流进洞内,在洞

外塌方冒顶周围设置截水沟,并设置警示围护标志。

(2)尽快跟进二次衬砌,将二次衬砌施工至距

冒顶处15~20m处,然后清除上台阶的塌方体。

(3)继续往小里程方向掘进时,除按原设计

LS5-A施作超前小导管外,在初期支护的I20b工

字钢外施作工字钢棚(见图4)。即将12m长I18

工字钢顶端削尖成30°~40°角后在洞内用挖机尽可

能顶进,纵向工字钢间距50cm,纵向工字钢尾端用

ϕ6盘条与I20b工字钢绑扎,再用纵向间距1m的

ϕ25环向连接筋焊接牢固,最后在纵向工字钢外侧

设置一层15m×15mϕ8钢筋网片,依次循环向前

施工。

(4)在工字钢棚下施作初期支护及二次衬砌,

待顺利通过该塌方段后从洞外对塌腔进行回填