特殊地质隧道设计及施工工法

特殊地质隧道设计及施工工法

来磊

中铁第一勘察设计院集团有限公司陕西西安710043

摘要：针对特殊地质条件，应根据地质资料制定不良地质预警方案，加强施工过程的地质观测、预报工作，采用地质预报系统、超前钻探、地质雷达等超前地质预报预测手段进一步探明掌子面前方的工程地质、水文地质的活动态势等情况，主要探测隧道特殊地质段岩石的强度、岩性、岩层的破碎程度以及地下水等情况，从而选择正确合理的处治方案。最常见的隧道特殊地质条件有岩溶及岩溶水、腐蚀性膏盐、有害气体、穿煤或采空区等。

关键词：隧道、特殊地质、工法设计、预警

1岩溶及岩溶水

岩溶性地质以溶隙、小溶孔为主，岩溶水位标高低于洞口标高，岩溶及岩溶水对隧道建设影响较小，但洞口外岩溶洼地内极端天气情况季节变化最高水位高于隧洞口标高，建议隧洞内排水沟尺寸设计需满足极端天气情况下对洼地内积水的排泄需求，施工期间应防范极端天气情况下洼地内积水进入隧洞内，保证施工人员的安全[1]。

(1)溶洞及岩溶水：隧道穿越可溶岩段时，可能遇到发育规模不一的大小溶洞，溶洞的处治原则是“超前预报、钻孔验证、分类处治，确保安全”。根据溶洞发育的规模及与隧道的空间关系，按设计进行处治，当设计的处治方法不适用时，应及时通知业主、监理和设计单位。

(2)溶洞水的处理：主要以排为主（采用盲沟将溶洞水引入到隧道中心排出管渠），采取堵排相结合的措施。

(3)地表岩溶塌陷处治：隧道在可溶岩段施工或运营后，可能因隧道施工引起地表出现岩溶塌陷现象。对于塌陷性地表，宜进行早期预测，预防和治理相结合的措施。

2可溶岩段突水突泥处治

隧道穿越岩溶发育段时，地下水丰富，可能出现突水突泥事故，危及施工安全[2]。对此，可采取以下措施：

(1)探水：一般段采用雷达超前探测预报，异常段采用钻孔探测来进行验证，并详细记录出水点具体位置、水量以及水压等情况。

(2)堵水：当隧道开挖后，周边存在大面积渗漏水以及裂隙水，但围岩稳定性较好而且不影响施工掘进时，可采用小导管注浆来堵水，确保围岩不发生突水突泥现象，从而确保施工的安全。

(3)耐水压衬砌：耐水压衬砌为“注浆堵水圈围岩+衬砌+防排水网络”共同组成的“复合式耐水压衬砌支护结构”。对于耐水压衬砌，必须进行动态施工程序的设计及施工，并对水压力及内力进行监控量测，减轻对地表的影响。

3煤层及瓦斯处治

对于瓦斯隧道的施工，关键就是解决好通风问题，既要有一套完整的通风技术手段，又要有科学先进的规章制度，洞内施工要严格落实以下几项措施[3]：

(1)超前探测与预排放：必须坚持全段落实施超前探测与超前探孔预排放。施工接近预计煤层时，进行超前预报、钻孔验证确定煤层的确切位置，测定瓦斯浓度与压力，抽排释放瓦斯，同时加强通风，达到安全标准后，进行揭煤施工处理。

(2)施工瓦斯监测：在全段落每个工序前后，采取人工检测与自动检测相结合的方法监测瓦斯浓度，合理布置监测位置。

(3)瓦斯隧道衬砌结构设计：合理采用注浆、全封闭支护和防排水结构、气密性混凝土等手段，隧道穿越煤层及其前后各30m采用全封闭的结构。

(4)施工通风：根据隧道长度以及瓦斯含量，合理采取通风措施，有效降低瓦斯毒气含量至容许值。

(5)钻爆作业：必须采用湿式钻孔，瓦斯工区的爆破作业必须采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管，严禁使用秒或半秒级电雷管。

(6)电气作业与机械设备：根据瓦斯含量的高低，对于电气作业和机械设备分别采用非防爆型和防爆型，工区内应采用双电源线，不得与隧道以外任何负荷分接。

(7)运营通风：瓦斯浓度在运营中任何时间地点都不得大于0.5%。

4采空区与老窑积水处治

(1)采空区处治

采空区段衬砌采用衬砌加强支护，在Ⅴ级围岩洞身浅埋段衬砌的基础上增加仰拱防水层，形成全包结构，防止运营期间瓦斯溢出进入隧道，采空区衬砌地段的确定按动态设计原则办理。

(2)老窑水的处治

隧道开挖揭穿老窑时，将出现突水现象，直接危及施工安全，为防止突水事故发生，采用超前探水和钻孔排水的措施进行处置。

5地下水、岩土腐蚀段处治

石膏为弱透水层，按Ⅱ类环境判定[4]，石膏对砼具有强腐蚀(对应腐蚀作用等级为D级)，隧道施工中穿越石膏层建议对隧道衬砌层采用抗硫酸盐水泥(对有地下水的含石膏层应采取与其他段落相互隔离封闭措施)，并需作抗溶出型腐蚀处理措施。建议施工工程中加强验证工作，进一步确定含石膏段落，同时为防止石膏对拟建线路的不利影响。抗腐蚀施工要求可采用入下措施：

(1)存在腐蚀性段落必须遵循动态设计、信息化施工原则。

(2)施工至腐蚀性段落，必须取样验证其腐蚀类别和腐蚀程度再根据设计措施处治。

(3)施工单位应根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01－2004等要求，制定保证混凝土质量的措施与实施细则，根据设计文件提供的环境类别和作用等级、工程设计基准期和对混凝土的技术要求，精心选择原材料，进行混凝土试配。对设计文件有疑问或疑义时，应主动向设计方讨论解决。

(4)掺用方法：采用水泥裹砂法与水泥和砂、石拌匀，最后加水拌和90-120S，泵送和夏季施工，宜采用后掺法。

(5)对于衬砌混凝土在浇筑前，应仔细检查混凝土层垫块的位置、数量及其紧固程度。

(6)其余未尽事宜详见《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/TB07-01-2006)[5]相关条文。

6松散地层隧道设计施工

松散地层结构松散，稳定性差，胶结性较弱，施工中易发生坍塌等情况。隧道穿过这类地层的时候，为了减少对四周围岩的扰动，必须先采用超前支护的措施增强围岩的整体性和稳定性，开挖后即使支撑锚喷封闭，并做好控制好地下水等措施：

(1)超前支护：在隧道开挖之前，先向围岩打入锚杆、超前小导管、钎等从而支护围岩，防止掘进过程中发生坍塌。

(2)超前小导管预注浆：超前小导管预注浆是沿开挖外轮廓线，以一定角度打入管壁带孔的小导管，并以一定压力向管内压注水泥或化学浆液的措施。它既能将洞周围岩体预加固，又能起超前预支护作用。此法适用于自稳时间很短的砂层、砂卵(砾)石层等松散地层施工。

(3)降水、堵水、排水：水对松散地层中的隧道施工危害极大，因此在施工中硬尽早排出地下水的危害，可采用降水、堵水以及深井泵降水等措施来达到降水的目的，允许衬砌背后设置超量排水管将水排至中心排水沟。

(4)开挖方法：一般采用台阶法、CD法及侧壁导坑法。施工中必须短进尺、弱爆破、强支护。开挖循环进尺宜为50~100cm。

参考文献:

[1]胡居义,王连成.基于综合超前地质预报的隧道施工不良地质预警体系研究[J].公路交通技术,2009(06):116-119+124.

[2]卢伟.岩溶隧道超前地质预报方法研究[J].山西建筑,2008(12):322-323.

[3]贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南[M].人民交通出版社,2014.

[4]公路隧道设计细则[M].人民交通出版社,中交第二公路勘察设计研究院有限公司,2010

[5]公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].人民交通出版社,2006

作者简介

来磊(1992—)，男，汉族，工程师，2017年毕业于西南交通大学建筑与土木工程专业，工程硕士，主要从事铁路勘察与设计工作。