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岩溶隧道主要设计原则探讨肖广智铁道部工程管理中心2009年9月引言岩溶具有发育不规律性和岩溶型态各异性的特点，国内外大规模修建岩溶隧道的实践经验较少，理论研究也较少，因此，岩溶隧道的设计施工没有规范和指南可遵循和参照。宜万铁路全长378km，隧道161座，其长度占全线总长的60%。其中岩溶隧道92座，长247km，占隧道总长的74%。全线岩溶极其发育，八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、金子山、齐岳山、别岩槽等8座长大隧道岩溶发育、暗河众多、地下水丰富，个别工区为反坡施工，施工中极有可能发生大规模突水突泥的地质灾害，风险等级为Ⅰ级。堰湾一号、堰湾二号、景阳坪等26座岩溶隧道施工中可能出现局部突水、突泥或大型溶腔，风险等级为Ⅱ级。其余岩溶隧道为一般风险隧道。宜万铁路是国内外第一条大规模修建岩溶隧道的铁路，对岩溶隧道的建设理念、设计原则、施工方法和措施进行了有益的探讨和尝试。以下结合宜万铁路岩溶隧道的实践经验，对岩溶隧道建设理念、设计、施工原则等提出一些观点，以供和同行们商榷。1勘察和施工地质在岩溶地区应加深地质勘察工作，对高压富水大断层、深埋富水大型岩溶尽量躲避，不能躲避时尽量通过物探、钻探查清其分布和特征，必要时请当地专家会审。施工地质是工程勘察阶段工程地质勘探在施工阶段的延续，用以在施工过程中解决勘察阶段所没有或不能解决的工程地质问题。施工地质以超前地质预测预报为主体，以规避大型施工地质灾害为目的。施工地质应包括以下主要内容：超前地质预报，施工围岩分级和围岩稳定性评价，隧底及周边隐伏岩溶探查，灾害评估、防治工程措施建议等。施工地质预测预报应包括以下主要内容：地质素描，地震反射波探测、地质雷达探测、红外探测等物探，水平钻探，超长炮孔，洞内外水文监测等。1.1水平钻探物探方法只能用于探测掌子面前方或已开挖隧道的隧底及周边的不良地质体，水平钻探可以用一定的外插角和仰、府角，探测隧道围岩一定厚度以外不良地质发育情况，以保证隧道围岩有一定厚度的稳定岩盘，保障施工和运营安全。钻孔数量根据地质复杂和风险级别而定，一般3~6个。钻孔可以采取取芯和不取芯两种模式钻探。当工程结构需要掌握前方岩性的变化、破碎程度或溶洞充填物的性质时，采用取芯钻探，当为了提高钻探速度，减少掌子面占用时间，在只需要掌握掌子面前方是否存在不良地质异常时，可采用不取芯钻探。1.2超长炮孔超长炮孔探测主要是为了弥补超前钻孔的不足而采取的超前预报措施，确保一个施工循环后，掌子面前方和周边有3m左右的稳定岩盘。主要用来发现其它方法不能发现的小的溶腔和导水通道，据统计宜万线60%以上的溶腔和突水突泥事件，都是超长炮孔提前发前的。1.3水文监测对于复杂岩溶隧道来说，岩溶或地下暗河造成的突水突泥是是最主要的安全隐患，因此在施工过程中加强对洞内外的水文监测是施工地质的重要一环。根据宜万铁路工程水文地质特点，对复杂岩溶隧道从洞内、洞外两个方面进行水文监测。1.3.1洞外水文监测主要是进行大面积的水文地质调绘，根据调绘所掌握的大气降水、汇水面积、断层的导水特征、岩层的导水性和地下通道的发育特征等，来探索岩溶隧道在不同降雨条件下的水文过程并进行岩溶管道突水模式的隧道峰值涌水量的预测。马麓箐隧道在发生“1.21”突水事故后，结合大气降水的观测资料和施工中深孔、洞中的水文观测资料综合分析，得出了隧道突水点与“下部充水管道”的关系和涌水量的估计，以及排水带来的环境地质问题，为泄水方案的决策和泄水洞的设计提供了充分的依据。马鹿箐隧道进口泄水洞降雨～涌水量曲线0204060801001201401601804月1日4月9日4月17日4月25日5月3日5月11日5月19日5月27日6月4日6月12日6月20日6月28日7月6日7月14日7月22日7月30日8月7日8月15日8月23日8月31日9月8日9月16日9月24日10月2日10月10日10月18日10月26日降雨量〔mm〕0200040006000800010000120001400016000流量〔m3/h〕降雨量涌水量图1马鹿箐隧道进口泄水洞降雨~涌水量曲线1.3.2洞内水文地质观测在施工阶段对洞内的水文地质观测是施工地质的一项主要内容，主要有涌水点的调查、涌水量的观测和水压测试。通过上述工作，建立复杂岩溶隧道突涌水模式，预测可能发生灾害性的突涌水的时间和空间2]。2单线隧道和双线隧道的设置铁道部“关于印发《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》的通知（铁建设〔2007〕88号）”第十一条规定：隧道设计应根据行车组织方式、地质条件、防灾救援、空气动力学效应、工程造价、施工方法以及隧道两端接线条件等因素综合确定采用两个单线隧道或单洞双线隧道方案。一般情况下，新建长度小于10km的隧道可采用单洞双线隧道方案；长度大于等于10km隧道，宜优先采用两个单线隧道方案[1]。对于一般性的岩溶隧道可按此规定执行，而对于高压富水、岩溶发育强烈的存在大规模突泥突水风险的隧道，如设为双线隧道，施工难度大，安全风险高，一旦施工受阻，将一筹莫展，而采用单线隧道则施工灵活性大，两洞可交替推进，互为救援，互为超前探测。虽然从设计阶段看工程数量和投资较高，但如考虑施工过程中增加的工程量和风险投入全过程计算的话，也可能小。如马鹿箐隧道全长7879m，隧道区发育5条暗河，特别是+978特大型溶腔多次发生突泥、突水，云雾山隧道全长6640m，在+526组合溶腔施工受阻，大支坪隧道全长8770m，隧道区发育8条断层、3条暗河，+990溶腔多次发生突泥、突水。都是得益于单线隧道，不但岩溶处理时施工难度相对较小，而且两个隧道可互为救援，交替推进，可互为超前探测。因此建议：对于高压富水、岩溶发育强烈的存在大规模突泥突水风险的隧道，长度大于7km，宜采用两个单线隧道方案。3纵坡设置铁道部“关于印发《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》的通知（铁建设〔2007〕88号）”第九条规定：地下水发育的岩溶地区，长、特长隧道宜优先采用人字坡[1]。在隧道设计中往往较多的考虑整体的线路纵坡设置，隧道的纵坡设置服从整体的线路纵坡，而隧道反坡施工提高了隧道施工安全的风险，特别是富水岩溶隧道施工风险非常大，施工难度大，抽水量大。如齐岳山隧道进口为反坡施工，遭遇了约150个大小溶洞，施工难度大，施工安全的风险大，排水量大。因此建议：1）地下水发育的岩溶隧道长度大于7公里优先采用人字坡2）存在高压富水、突泥、突水的地段尽量采用顺坡施工。4辅助坑道设置根据宜万线、渝怀线岩溶隧道的实践经验，在富水、岩溶发育的地区辅助坑道尽量选择平导和横洞，尽量不设置斜井或竖井。勘察中水量较大或有可能发生大量突水突泥时在设计中设置泄水洞，勘察未发现而在施工超前预报或揭示大型富水溶洞时在施工中及时增设泄水洞。如宜万线的马鹿箐、野三关、齐岳山、云雾山隧道等都是在施工期间遇到大型富水岩溶后增加的泄水洞。5防排水对于一般的隧道，采用“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则。对于穿过岩溶、断裂破碎带，预计地下水较大，当采用以排为主而影响生态环境时，宜采用“以堵为主，限量排放”的原则；当排水不影响环境围岩又能够稳定时可采用以排为主的原则，施工中在保证开挖安全的前提下可超前引、排水、带水作业；当大量排水围岩自稳性较差时采用加固围岩适量排放的原则。在岩溶发育地段，应尽量维系岩溶暗河的既有通路，严禁随意封堵溶洞、暗河。6结构设计一般情况下按排水设计，二次衬砌不承受水压力。在以堵为主限量排放时二次衬砌承受一定的水压力；溶腔段隧道的二次衬砌承受一定的水压力；在直接受降雨影响水位可能积聚的地段隧道二次衬砌可适当考虑承受一定的水压力。衬砌承受水压力的合理取值目前处于探索之中，尚无规范可遵循，主要按照经验设计。抗水压衬砌应向普通衬砌段延伸一定距离，并考虑抗水压衬砌段和非抗水压衬砌段的隔离措施。7岩溶处治岩溶隧道的处治思路、原则是“探明情况、因地制宜、消除水患、综合治理”。主要是探明岩溶规模及水文、工程地质以及内部填充物的情况。针对相应的地质情况采取不同的方案[2]。7.1不同岩溶的处理方案1）洞穴型、管道型岩溶：采用回填方案。2）充填型岩溶：采用注浆加固+大管棚方案。3）过水型岩溶：采用引排方案。4）大型干溶洞：托梁+板跨方案、钢管群桩方案、桩基+承台方案、路基填筑方案、梁跨方案等。5）深埋高压富水溶腔：采用“释能降压”方案。6）高压富水大断层：采用“注浆加固、排水降压”方案。7.2深埋高压富水溶腔采用“释能降压”方案的结构设计、施工原则7.2.1结构设计原则1）支护和衬砌结构要永、临结合。2）初期支护宁强勿弱，初期支护刚度和强度都要大，护拱要有一定厚度，要能防落石，根据需要，初期支护可以采用双层支护。3）溶腔水要有永久排泄通道，并有措施保证永久排泄通道的畅通。4）二次衬砌按抗水压衬砌设计，要考虑泄水不畅形成的水压。5）隧道底部跨越溶腔的措施可选择梁式跨越、复合地基、桩基承台等。7.2.2施工地质原则1）溶腔揭示后，每开挖循环都要详细进行地质素描，溶腔发育的方向、边界，充填物的性质，水源的方向，特别是底部溶腔的边界、充填物情况等都要记录清楚。2）隧道底部要进行补勘，补勘要尽量简化，在最短的时间内及时完成。7.2.3施工原则溶腔释能后消除了高风险，解除了安全隐患，要组织快速施工，尽早把结构闭合。1）在确保安全的前提下快速清淤。2）在空腔处及时施作护拱，护拱背后回填一定厚度的混凝土，即要抵抗落石，又要使排水通畅。3）在无水，掌子面具有一定自稳能力的条件下，采用小导管超前支护，掌子面预留核心土，短台阶法施工。4）在清完泥砂清块石时，如出现溶腔壁持续坍塌，块石无法清完的情况，要封闭掌子面回填混凝土，采用管棚支护通过。5）初支后及时安设拱顶和水平收敛测点，根据监控量测情况必要时施作第二次初期支护。6）仰拱及时封闭。7）二次衬砌及时施作，在旱季一定要完成二次衬砌。7.3施工中遭遇高压富水充填性大型溶洞时的处理原则遵循“探、绕、堵、放、排”原则。探，就是探清楚水压、充填物性质、隧道与溶洞的边界关系；绕，就是迂回通过，贯通后再处理溶腔；堵，就是对于无水的充填物进行注浆封堵，管棚支护通过；放，就是迂回贯通后侧向放水减压、正向支护通过（侧放正过），如宜万线野三关隧道“602”溶腔处理，泄水洞放水减压后，正洞清淤支护安全通过，马鹿箐隧道“978溶腔”，泄水洞放水减压后，正洞管棚支护安全通过；或者，迂回贯通后，选择在旱季无雨季节，正洞爆开、清淤、支护通过（正放正过），如宜万线云雾山隧道“526”、“617”溶腔，大支坪“990”溶腔；排，就是做好排水，特别是反坡排水，必要时增设泄水洞。8结束语岩溶隧道应加深地质勘察工作，深埋大型岩溶、高压富水大断层尽量躲避，施工地质工作是地质勘察工作的延续，超前水平钻探、超长炮孔、洞内外水文地质调查是重要和主要的施工地质工作；高风险岩溶隧道长度超过7公里宜应采用双洞单线隧道；富水隧道应设置人字坡，富水地段尽量顺破施工；辅助坑道尽量采用平导和横洞，水量大的地段和溶洞设置泄水洞；防排水应排堵结合，因地制宜，岩溶隧道设置承受一定水压的抗水压衬砌段；岩溶隧道的处治采用“探明情况、因地制宜、消除水患、综合治理”的原则。