隧道课题研究报告

隧道课题研究报告
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）和洞顶设置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
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
溶沟石芽
漏斗
云南石林
石芽
漏斗
溶蚀洼地
溶蚀洼地
落水洞
坡立谷林峰（张家界天子山）
落水洞
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。

干谷 溶洞 暗河 溶洞
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。

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。

施工中在洞口处设置了环形天沟。

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。

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) 。

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
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
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。

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、具体位置、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置、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置，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，位置，大小等；
4) 隧道内围岩级别变化趋势。

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、位置、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
点位置及出水状态、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、水体宽度及具体位置等则难以说清,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置是根据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置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。