不良地质隧道施工技术
梁雄宇 林雄奇
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（四航局一公司贵都高速公路第九合同段工程部广东广州
510500 ）
摘要： 在公路隧道施工中 ,不良地质隧道施工已成为施工地首要问题 ,本文中以贾托坡及九条龙 隧道为例 ,分别阐述在不良地质隧道中小 .中.大型溶洞地处理措施 .塌方处理方法及开挖 .初支过 程中施工方法 .该文对类似九条龙隧道施工有一定借鉴作用 . 关键词： 公路隧道不良地质 施工技术
1. 工程简介
贵都高速第九合同段隧道共两座 , 分别为贾托坡隧道及九条龙隧道 , 其布置 形式为分离式双洞单向行车双向车道,设计速度100km/h,净高5m,净宽10.75m, 汽车荷载等级为公路— I 级.
两座隧道地质条件复杂 , 地层岩性以碳酸盐岩为主 , 还存在冲积泥沙 . 粉沙. 残积粘土 . 岩溶为隧址区主要不良地质问题 , 其次为崩坡堆积体 . 本文主要以九条 龙隧道为主 , 介绍九条龙所受不良地质影响 . 崩坡堆积体位于九条龙隧道进口段 , 主要由碎石 . 角砾及粉质黏土组成 , 稍密至中密状为主 . 岩溶形态主要为溶洞 . 竖 井. 落水洞及岩溶漏斗等 . 根据地表地质调查资料 , 隧道区落水洞 . 竖井 . 岩溶漏斗 星罗棋布 , 呈串珠状展布 , 岩溶垂直循环带极为发育 . 隧道开挖时遇到溶洞多次 , 施工难道度很大，其中九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达
37m,横向宽15m, 高出拱顶10m深度约50m遇到大小突泥不小于7次.
2. 施工方法地选择
洞室地形成是通过开挖和支护两个施工阶段完成地 . 因此采用地施工方法和 支护方法也必然对整个隧道地稳定给予一定地甚至是极为重要地影响 .
选择隧道地施工方法 , 应以地质条件为主 , 还要结合隧道长度 . 断面. 结构类 型 . 工期要求 . 施工技术力量 . 机械设备情况和综合效益等综合确定 .
由于不良地质情况下围岩自稳能力差 , 因此开挖后需要及早施作初期支护 , 并闭合成环 , 提高承载能力 , 因此决定采用短台阶法作为基本施工方法 . 采用拱部 超前地台阶法开挖不仅能在正面和中层同时钻孔 ,而且支护准备 .支撑架设和喷 射混
凝土支护以及锚杆作业都能相互交替进行 . 如果岩体地自稳时间不足或开挖 面不稳时 ,可采用台阶式保留核心土地方法 .为了充分利用围岩地自稳能力 , 延长 洞身开挖后围岩自稳时间，我们可确定先护后挖?在洞口软弱围岩地段采用? 108 长管棚施工，在V级围岩地段采用超前小导管注浆加固地层，并超前支护；在IV 级围岩地段采用超前锚杆支护 .
由于地质条件差 , 岩体松散破碎 , 选择支护手段时 , 要选用既能承受较大地围 岩压力,同时还能大面积地 .牢固地与岩体紧密接触 ,能及时施作.随时加强地支 护手段.因此,我们采用喷射混凝土 .锚杆.挂钢筋网.钢拱架联合一起地组合支护 形式.如TSP测出前方有水及填充物征兆，需借助“地质雷达扫描+地质超前探 孔”地质超前预报手段进一步确定前方围岩情况 , 再根据所确定地围岩情况来决 定掌子面开挖及支护方法 .
在厚大地石灰岩 .白云岩中进行隧道开挖时会遇到隐伏性岩溶 .溶洞.施工中 必须重视超前探测 , 及时采取相应地处治措施 . 对于岩溶水量较小 , 与外界无水力 联系地溶洞 , 可用排水管将水导入中心水沟 . 如果岩溶水量较大 , 无法一时排干 , 且与外界有水力联系时 , 尽量不要破坏现有地溶洞水平衡 . 根据溶洞出现地位置 . 大小 . 形态. 填充物状况等不同 , 采用不同地结构形式进行处治 , 注意在衬砌背后 设有充足地疏排措施 .
如果自稳性很差地围岩在较长时间达不到基本稳定地条件 , 喷射混凝土出现 大量地明显裂缝 , 而支护能力又难以加强 , 则应及早施作仰拱 , 以改善围岩受力变 形条件 . 若围岩仍不能稳定 , 应提高二衬参数 , 提早进行二次衬砌 , 以提高支护抗 力 , 避免初期支护坍垮 .
根据新奥法理论 , 变形在初期支护下已趋于稳定 , 二次衬砌作为安全储备而 修建 , 而不是把二次衬砌作为承载地主要结构在衬砌施工时 , 强调适时衬砌 , 充分 发挥初期支护地作用 .
3. 隧道不良地质具体展现
3.1. 溶洞
当隧道穿过溶蚀性岩层时 , 有地溶洞位于隧道拱部腰部 , 内充填物松软且深 , 溶洞难于处理 , 进度滞后；有地溶洞位于隧道底部 , 跨越半个隧底 , 隧道基底难于 处理；有地溶洞岩质破碎 , 容易发生坍塌；有时遇到大地水囊 , 岩溶水或泥砂
夹 水大量涌入隧道；有时遇到填满饱含水份地充填物溶槽，当坑道掘进至其边缘时 含水充填物不断涌入隧道内，难以遏止，甚至地表开裂下沉，山体压力巨增.
隧道在溶洞地段施工时，应根据设计文件?超前地质预报等有关资料及现场 实际情况（地质超前钻），查明溶洞分布范围?类型情况（大小?有无水.溶洞是 否与外界联通,以及其充填物）?岩层地稳定程度和地下水情况（有无长期供给 来源.雨季水量有无增长）等，分别以引?堵.跨越等措施进行处理?本工程隧道施 工中无遇到地下暗河，基本以裂隙水囊存在；有些裂隙洞是由地表根系发展于洞 内，洞内水有地表强降雨补充?其中九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达 37m, 横向宽15m高出拱顶
10m深度约50m,隧底水系发育.其他基本以中小型溶洞存 在?
3.1.1.
中.小型溶洞地处理措施
对地下水不发育地中.小溶洞,采用浆砌片石或干砌片石回填处理，必要时压 浆填充.
（1） .边墙溶洞处理
对隧道边墙通过地溶洞，经调查及雨季中考验证明溶洞水对隧道无影响时 ， 施工中采用回填封闭处理.靠边墙1m范围内用浆砌片石回填，或回填弃碴,空隙 吹砂填满,并压注水泥砂浆胶结.
（2） .隧道拱部护拱防护
当隧道穿过拱部发育之溶洞，无充填物.干燥.溶洞高大,洞壁有溶实裂隙.处 理措施：先施作洞内初支，在初支中采用工字钢加强或加密，过程中在适当位置 预留泵送孔，当初支跨越该拱部溶洞时，在预留孔中泵送C20砼,泵送标高应高出 钢架最高处2m,以防溶洞有落石掉块时，起到缓冲作用，参见图1.如水系发达应 确保原溶洞水路畅通.隧道拱溶洞空腔部分不积水.
图1：拱部溶洞处理图
（3）.隧底溶洞处理
对隧道底部为溶洞无填充物时，措施处理地中?小型空洞采用底板梁加强衬 砌通过或在隧底以下部分用块石?碎石回填密实，距隧底1m厚度用浆砌片石回填 如隧底较深可采用底板梁加强衬砌通过，隧道铺底或仰拱设计为平板型，在底板 及边墙下部加设钢筋，灌注钢筋混凝土，共同形成钢筋混凝土梁，具体详见图2所 示.对隧道底部溶洞内有填充物时，需换填后或先压浆胶结后再按溶洞无填充物 方案处理?
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图2:隧底底板梁处理图
3.1.2.
大型溶洞地处理措施
九条龙隧道出口一大溶洞纵向跨越长达 37m,横向宽15m,高出拱顶10m 深 度约50m,隧底水系发育.对于该溶洞处理方案如下：
（1） .采用抛弃片石回填，粒径不低于20cm,过程中保证不破坏溶洞底水系 溶洞回填至距离隧道底部1m处后,用浆砌片石回填.
（2） .依着溶洞大小施作护拱，护拱外模以I20工字钢及网片喷射砼形成， 初支跟进,待初支施作完后，再护拱与初支之间泵送 C25砼,填充密实.过程中护 拱内工字钢紧扣在洞壁上.具体参数见图3.
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图3 :溶洞处理图
32塌方处理
般地处理原则是先加固，防扩展，后处理地原则，要求处理塌方宁早勿
迟，宁强勿弱.对一般塌方可直接进行塌体处理，而对塌体破碎松散.影响范围 大地塌方一般分为初期处理与塌体处理两部分
3.2.1.
初期处理
(1) .封闭塌体，加固塌体后方.其重要性有：①形成平衡拱地围岩本身具有 定自稳能力，但由于围岩地不均质，可能有小石块地松动吊落，进而引发较 大地坍塌，而喷混凝土可以有效地阻止小石块地松动吊落 ，从而避免大地坍塌. ②由于有了喷混凝土附着在围岩表面上，围岩变形就会及时反映在喷混凝土表 面，为准确判断围岩稳定提供强有力地依据.③喷混凝土是各种处理塌方手段中 最及时.最安全地方法.在塌方后方5m?10 m范围内采用钢支撑加锚杆及小导 管注浆进行加固.
(2) .如塌方塌至地表，则应对坍塌漏斗地表进行截水，必要时采用防水板 或彩色布覆盖,防止地表水灌入塌体内，引发再一次塌方，待洞内处理完毕后 采用土石夯填到略高出原地面.待填土下沉稳定后，用M7.5浆砌片石铺砌.
3.2.2. 塌体处理
塌体处理一般在初期处理完毕后或塌方暂时达到自稳时进行 . 常用地方法有 ①76mm管管棚法(突泥).小导管注浆法.三台阶开挖法?二衬加强及回填法等， 并在处
理过程中加强监控量测工作 , 用量测信息动态指导施工 .
3.2.2.1 管棚法
在第九合同段隧道中用 ①76管棚法处理塌方严重段(带有大量填充物) . 采取地具体措施为先对塌体及周边岩体进行预注浆加固 , 之后在预留变形基础 上向塌体或周边岩体打管棚进行塌方处理 . 九条龙隧道处理突泥中 , 长管棚参数 如下：(1钢管规格：热轧无缝钢管 ①76mm壁厚6mn;( 2)管距：环向间距 30cm,在拱部120°范围内布设，必要时可根据超前预报在围岩软弱处加设； (3)
倾角：外插
角 15° ~20° , 具体可根据实际情况作适当调整 , 方向 : 与路线 中线平行，长度：一般每12m为一环，两环之间搭接长度不小于 3m. (4)钢管施 工误差：径向不大于 20cm ( 5)施工机械：钻孔用潜孔钻最少满足
30m钻孔
要求 , 注浆泵 2 台 , 型号为 BWS-200/10 水泥砂浆泵 , 压力： 5-10Mpa, 流量： 200L/min, 功率： 22kw；( 6)灌注浆液：纯水泥(添加水泥重量 15%地水玻 璃)浆液 . ( 7)注浆参数：水泥浆水灰比： 1： 0.8, 水玻璃浓度： 35 波美度水 玻璃模数：2.4,注浆压力
初压0.5~1.0MPa 终压2~3.0MPa,胶凝时间为
10min, 个别参数可由现场实验调整确定 .
3.2.2.2 小导管注浆法
小导管注浆法适用于塌体不大 , 地质条件较松散地塌方 . 施工措施为预注浆 加固塌体和松散围岩 , 并与钢拱架和锚喷混凝土相结合对塌方进行处理 .. 小管 棚一般采用? 42 mm钢管，长3.5 m,环向间距40cm,纵向间距搭接大于1.0 m, 插入施工中一般采用不同外插角地方法对加固岩体效果较好 .
3.2.2.3 三台阶开挖法
新奥法原理要求软岩地段或塌方段施工始终坚持“弱爆破 . 短进尺. 强支护 . 早封闭.勤量测.紧衬砌”地原则?三台阶法开挖时，开挖台阶长度为3m-5 m, 以人工风镐配合挖掘机为主 , 辅助微弱爆破 , 出渣采用挖掘机或装载机装 , 自 卸汽车运输；每循环进尺为一榀拱架间距 , 这样就能在不扰动围岩地情况下安 全顺利地通过塌方体 .
3.2.2.4 二衬加强及回填法
因为塌方段衬砌荷载比未塌前增大 , 所以衬砌要加强 , 加强衬砌应先考虑采 用提高混凝土标号或衬砌内加钢筋?型钢以加强支护能力等措施；回填材料易采 用水泥浆或泵送砼方法施作，过程中应分时间段胶结后注满?
4. 不良地质隧道施工主要施工工艺
4.1. 超前支护
不良地质隧道施工时，围岩大多以松散土 ?破碎夹层存在，自稳能力极差，开 挖后在短时间内就会掉块?因此，超前支护成为必然手段?我们在隧道施工中主要 采用了超前长管棚(①108mn<.①76mnH).超前小导管.超前锚杆三种超前支 护形式.其中,掌子面为较松散土体且含水量较大时采用超前长管棚注浆支护固 结土体,V级围岩采用超前小导管注浆，1V级围岩采用超前锚杆.
4.2. 开挖
(1) .V级围岩采用人工.风镐及机械开挖，开挖按短台阶法，分三部台阶留 核心土法，即起拱线上一节，起拱线下3m 一节,底部一节.上中台阶长度3?5m, 每次进尺0.8?1.0m,中下台阶长度尽量在30m以下，详见图4.为了保持开挖面 地稳定,缩短封闭时间，采用预留核心土法.开挖后及时施作初期支护.
(2) .IV级围岩采用控制爆破与人工风镐开挖.按上下台阶法施工，拱部超 前,台阶长度3?5m.每步进尺1?1.5m.控制爆破按松动爆破施工.尤其是周边眼. 内圈眼，密排炮眼，间隔装药.
图4.三台阶留核心土法
4.3.支护
4.3.1.
喷射混凝土封闭
喷射混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采用喷 射机喷射作业.对于隧道内松散土体或软弱围岩隧道开挖后立即对围岩面喷一层 5cm 厚混凝土, 主要是封闭岩面 , 防止隧道周围岩体质量进一步恶化 , 防止围岩出 现掉块或局部崩塌 ,然后架立钢拱架 .打设锚杆.挂钢筋网 ,对初喷岩面进行清理 后复喷至设计厚度 .
4.3.2. 系统锚杆施工
层状围岩中 , 开挖后表面张裂 ,岩层易沿层面滑移或受挠折断而引起坍塌； 块状围岩可能形成不稳定危石；加入与层面垂直并伸入松动围岩以外或承载环 以内地锚杆支护 ,与没有松动地较完整稳定地围岩相联结 , 能有效增加层面或结 构面间地压应力和抗滑动摩阻力 , 使围岩和锚杆喷射砼形成稳定地承载结构 . 当 围岩呈块 .碎状镶嵌结构 ,稳定性较差时 , 依靠锚杆和钢筋砼地支护力 .锚杆地联 结及本身地抗剪强度 , 能提高围岩承载圈地抗压和抗剪强度 , 起到围岩地整体加 固作用.
4.3.3. 钢拱架施工
钢拱架包括型钢拱架及格栅拱架两种 . 钢拱架地作用是延长自稳时间 , 提高
V级.VI级软弱围岩初期支护强度和刚度，抑制围岩变形，增强支护抗力? 钢拱架安
装在掌子面开挖初喷完成后立即进行 .
根据测设地位置 , 各节钢拱架在掌子面以螺栓连接 , 连接板应密贴 . 为保证各 节钢拱架在全环封闭之前置于稳固地地基上 , 当围岩软弱且富水时 , 在钢拱架基 脚处增设纵向槽钢托梁 , 以增加基底承载力 . 安装前应清除各节钢拱架底脚下地 虚碴及杂物 . 底部开挖完成后 , 底部初期支护及时跟进 , 将钢拱架全环封闭 . 为保 证钢拱架位置安设准确 , 待钢拱架架立到位后 , 立即用纵向连接筋已施作钢拱架 焊成一体 . 同时将钢拱架与系统锚杆焊成一体 , 使钢拱架与锚杆共同受力 . 钢拱架 立毕后 , 用砂将钢拱架拱脚连接板埋住 , 以便与下单元钢拱架连接 .
隧道防止钢拱架下沉地措施（特殊地段）如下： （1） . 加强对钢拱架地径向固定措施
钢拱架安装与系统锚杆固定在一起 , 另外 , 要加强锚杆和钢拱架地焊接质量 , 确保钢拱架和锚杆连接紧固 . 两榀之间地环向连接钢筋必须按照设计间距进行焊 接连接 , 同样要严格保证焊接质量 .
（2） . 加强对钢拱架地锁脚固定措施
由于采用分台阶开挖方法 , 拱部钢拱架安装后 , 钢拱架暂时不能全断面封闭 成环, 同时软弱围岩隧道拱部钢拱架无法座落在坚实地基岩上 , 因此, 拱部钢拱架 必须采取锁脚措施 ,将钢拱架两底脚牢固锁定 , 以防止钢拱架下沉或两底脚回收 , 钢拱架锁脚采用每侧安设2~4根锁脚锚管将其锁定，锁脚锚管采用①42小导管, 长度
3.5m. 锚管采用钢花管 , 压注水泥浆液进行锚固 , 如地质较差时 , 采用加长锁 脚
锚管长度和增设锁脚锚管以加强钢拱架地稳定 .
（3） .加设钢拱架基础连接纵梁 ,扩大开挖底脚 ,防止钢拱架悬空 .为防止钢
拱架下沉 , 视地质情况 , 必要时在拱部钢拱架底脚增设连接纵梁 , 纵梁采用槽钢 , 与钢拱架底脚采用焊接连接 , 以增加钢拱架底脚地承力面积 .
（4） . 及时喷射混凝土进行覆盖
钢拱架安装完成后 ,及时进行喷射混凝土施工 ,喷射时分层.分段进行,钢拱 架应全部被喷射混凝土覆盖 , 保护层厚度不得小于 30mm.
（5） . 加强对钢拱架地应力和变形监测
钢拱架安装后 , 加强对钢拱架地应力和变形观测 , 对钢拱架所承受地应力以 及变形速率和位移进行监测 , 通过反馈数据分析 , 测定钢拱架地稳定性能 , 一旦发 现钢拱架有下沉或变形失稳地趋势 , 立即采取加固措施进行处理 , 同时依据反馈 信息进行方案地修正和优化 .
4.3.4. 隧道围岩地监控量测
隧道施工中掌子面开挖成形后，必须立即喷射不小于5cm厚地混凝土及封闭 围岩 , 紧跟监控量测 , 否则工作人员不得进入掌子面作业 .
（1） . 地质监控
做好针对掌子面开挖地质情况观察 . 记录和描述 , 并绘制工程地质纵断面图 , 与设计地质类型进行对比 , 以正确判断围岩类别 .
（2） . 安全监控
对施工已开挖洞室进行安全检查 , 观察初期支护 . 二次衬砌有无发生裂缝 .掉 皮. 钢拱变形 .渗漏水等现象 , 确保工程质量 .
（3） . 拱顶下沉 . 周边位移量测
测点在洞内布置一个断面 , 观测频率根据监控断面与开挖面距离 S 确定（表
1）, 方法及工具：收敛仪和全站仪
表1周边收敛与拱顶下沉观测频率 S<18m 1?2次/2d 18m
，完成信息
设计.初期支护参数地调整，应根据监控资料会同设计.监理.施工人员共同研究 确定,合理变更设计与施工方法，保障施工安全?
5. 结语
在喀斯特地貌隧道施工中，设计图纸有较大不确定性，围岩级别划分不准，前 方围岩把握有较大地风险，施工难度较大，动态施工占绝大部分里程段，但九条龙 隧道在施工单位及几方共同努力下,于2010625安全.顺利完成九条龙隧道双 线贯通.
在不良地质围岩情况施工中，全断面开挖及分部开挖?爆破开挖及非爆破开 挖.格栅支撑与钢支撑?早期支护及二次支护?仰拱地及时封闭? 一次掘进进尺等 都对隧道及结构地应力状态产生相应地影响?确定不良地质条件下隧道施工方法 为：超前支护，先护后挖，控制爆破，加强支护，仰拱紧跟，适时衬砌，量测反馈?并 做好各个技术交底工作?强化管理人员地科学意识，建立严格地施工管理制度?
参考文献：
[1] 关宝树.隧道施工安全集[M].北京：人民交通出版社，2003 . [2] 代刚?中铁十二局四公司温福工程部?山西：科学之友
1
，2006年6月.
作者简介：梁雄宇 ( 1983-10 ),男，广东广州人，工程师，从事路.桥施工管理工作.
不良地质隧道总结
