第８卷第６期 铁道科学与工程学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩＬｖＶＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖ０Ｉ．８ ＮＯ．６ Ｄｅｃ． ２０１１ ２０１１年１２月 贵广铁路三都隧道岩溶高压富水段施工技术研究 任永华。曾维德 （贵广铁路有限责任公司，贵州贵阳５５００１４） 摘要：对三都隧道岩溶高压富水段施工的超前地质预报技术，施工处理方案和施工过程进行研究，认为岩溶高压富水段 施工宜采用以地质分析法为基础，以超前水平钻孔为核心，结合物探法的综合超前地质预报方法进行分析；在了解岩溶高 压富水段地质条件的基础上，采用打开（暴露）溶洞＋结构处理方案。结果表明，采用该方法施工后监测位移满足规范要 求，并经实际施工后已顺利通过该段。该施工方法可为类似工程提供有益参考。 关键词：三都隧道；综合超前地质预报；处理方案；施工技术 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７２—７０２９（２０１１）０６—００８０—０５ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓａｎｄｕ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｕｉ—－Ｇｕａｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ ｉｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｇｈ——ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ—－ｒｉｃｈ ｓｅｃｔｉｏｎ ＲＥＮ Ｙｏｎｇ—ｈｕａ，ＺＥＮＧ Ｗｅｉ－ｄｅ （Ｇｕｉｙａｎｇ—ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５００１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｓａｎｄｕ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｋａｒｓｔ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ—ｒｉｃｈ ｓｅｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｗｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｈｉｇｈ— ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ——ｒｉｃｈ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ａｄｏｐｔ ｔｈｅ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ａｎａｌｙｔｉｃ ｍｅｔｈｏｄ，ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｏｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｒｏｔｒｕｄｅｄ ｄｒｉｌｌ ｈｏｌｅ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ．Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｆｕｌｌｙ ｒｅａｌ－ ｉｚｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｔｅｒ—ｒｉｃｈ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ａｎｄ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ａｌｌｏｗａｂｌｅ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｐａｒｔ ｈａｄ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕ１．Ｔｈｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ Ｃａｎ ｂｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓａｎｄｕ ｔｕｎｎｅｌ；ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｄｖａｎｃｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｇｒａｍ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 大量国内外隧道工程的实践表明，制约深埋山 岭隧道特别是岩溶隧道建设的主要因素是地质灾 害及其伴生的地质环境问题，其中涌突水问题尤为 棘手。据不完全统计 Ｉ２ Ｊ，国内外隧道涌水量超过 重的伤亡事故和巨大的经济损失，而且施救难度非 常大，致使工期延长，甚至还会为隧道运营留下安 全隐患。许多学者对如何处理岩溶隧道高压富水 段进行了有益的探索。儒 在对隧道断层破 碎的地质特征及其处理措施进行深入研究的基础 １．０×１０ ｍ。／ｄ的大型涌突水事件中，７０％都发生 在岩溶隧道中，而在我国３０余座长大岩溶隧道中， 约４０％发生过大于１０．０×１０ ｍ ／ｄ的严重涌突水 事故。 上，提出了隧道高压富水断层破碎带注浆堵水措 施。张旭东 研究了规避高压富水岩溶隧道风险 的释能降压工法。曾蔚等 对圆梁山隧道２＃溶洞 平导施工技术进行了研究。 岩溶隧道施工过程发生涌突水不但会造成严 收稿日期：２０１ｌ—ｌ０—１６ 作者简介：任永华（１９７７一），男，贵州遵义人，工程师，从事隧道工程研究 第６期 任永华，等：贵广铁路三都隧道岩溶高压富水段施工技术研究 ８ｌ 三都隧道全长１４ ６３７ ｍ，是贵广铁路全线控制 性工程，具有不同于上述研究的特点，需对其高压 富水段施工技术进行研究。 三都隧道属Ｉ级风险隧道，按照Ｉ级风险隧道 进行超前地质预报的管理，采用以地质分析法为基 础，以超前水平钻孔为核心，结合物探法的综合超 前地质预报方法 。 ２０１１年４月５日１０：４０在线路右侧掌子面 （ＤＫ１３５＋５０８）底板处施做加深炮孔（钻孔深度ｌ０ ｍ）时钻进５．８ ｍ后探孔内涌出股状水，水质清无 杂物、水压较大，无法进一步向前钻进。经测量，涌 水量为２ ０００ ｍ ／ｈ，水压检测达１．５５ ＭＰａ。 １ 工程概况 三都隧道属Ｉ级风险隧道，其地质条件复杂， 突泥、涌水风险极高。设计物探资料显示ＤＫ１３５＋ ８８０一ＤＫ１３６＋０２０段为极低阻闭合圈，且延伸至隧 道洞身以下，施工时可能遭遇规模较大的围岩破 碎、溶洞、突水突泥等灾害，并具备发育大型溶洞洞 穴及地下暗河的可能性。该段褶曲构造为大田背 斜的一翼和大田１号向斜边缘，上覆石英砂岩夹砂 质页岩、粉砂岩，下伏页岩、钙质砂岩，夹粉砂质灰 岩、泥质砂岩夹页岩，洞身基岩为薄至中厚层状灰 岩、白云岩偶夹石英砂岩，段内溶蚀现象明显，岩溶 为确保掌子面工作人员安全，进一步探明后方 隐伏岩溶情况，施工单位在掌子面后方ＤＫ１３５＋ ５４９，ＤＫ１３５＋５５１．５，ＤＫ１３５＋５５３断面初支面流水处 附近，采用凿岩台车每处施做３个径向地质探孔，探 孑Ｌ深度１０ ｍ，其中３个有少量清水流出，钻孑Ｌ过程 未见异常，无隐伏岩溶。径向探孔最大涌水量基本 无变化，推测出水可能为可溶岩溶蚀裂隙水。同时 为全面了解该段含水量与外界降水的关系，进行了 涌水量、水压与降雨量的观测，结果见图２～图３。 发育（图１）。其中ＤＫ１３５＋８４０一＋１００段设计为 Ⅲ级围岩，处于可溶岩地层范围内。 Ｈ 石英 —＼ 壬曼 、、三 掌竺一 ————，． 、 页岩、钙质砂岩．夹粉砂质灰岩、泥质砂岩，偶央石英砂岩 … ……一 一一一一一 、 ０乇Ｊ 钙质粉砂岩、泥质灰岩央页岩 ｌ，暖 …一一一一一 一一一一一一自云岩、灰岩夹泥质自云岩条带 糯嚣一一擂 Ｉ 。 揣商硝 嚣嚣 嚣黼嚣 搿 葡鬲 屙 篁＿ｉ 絮蹋：：蒜…一杆 ＊■＾ ● ｌ＾＾●●■ｔ★＾＊州 ｌ■■■ｔ十■ｄ●■●・¨ ｑ，■■●●■・■ｌ 十■ ｗ＾ ■●■■ ・■ Ｉ ・■■■ ■●＊十■■ｔ＾ ．、 丽一Ｉ一～ Ｉ 物探情况 － ｔ Ｅ 袖 ■Ｉ释 地质柙｝况 Ｉ－ ★日 Ｒｉ２ｌ ＾ｌｗ Ｉ¨＾，ＩＩＩ坩■・■■■＾＾＾■ｔ州ｔｑ＾ｔ■■・■ｔ ■ ■ｔ＾＾●ｔ■％■呐 ■¨●■■ ■ｔｔ，■■■ Ｉ ‘ ￣Ｉ＇ＵｌＩＩＩＩＩＩＩＩ★■■ ● 帅－★＾ ■●蛐肼 料 ｄ Ｉ ｉＩ 蚶，ｔｔ■■Ｈ■＃＾ｔ ■＾■■■¨＊ ■Ｉ Ｉ ■～・■Ｆｔ■ｔ＾■ ■■ｔＩＩ￣ｍｔｔ・■■■■■帅ｔ∞¨ ｔ ■ ｑ● ■■■¨、‘■ｔｔ■■ ■■‘●■●■■■Ｈ＾■ ■ｔ 甜 ｔ■＾■＾ｔＥ●咖ｆ Ｔ／ｄ 重岩摄剐薄量 Ｉｌ锄 ｖ Ｉ－ ＴⅢ 帅 舄Ｉ嗣一嗣－ｌ哥 剜嗣稠剜嗣臻嗣剜ｄ割 一刭嗣ｄ ｌ柏＿ｌ Ｉｖ ｌ 禽 Ｉ加 ｖ 羽 Ｉ艄＿Ｉ ＩＶ ｌ 嗣嗣司萄 剐 Ⅲ 摹Ｉ嗣 地面高程 线路量程 蟊匐吾氢营萄蓦蠹虱詈鲁鸯着氢蠹警壹嗣叠霜叠蠹奢爿蜀嗣蜀 ；ｌ蟊；Ｉ籀酋蠹蓍刍訇璺鋈ｌ蛩虱 蟊秘一虱蛋 誊 图１ 三都隧道涌水段纵断面图 ｌ２ ＝：、 ｌ０ 矗 二＝ ● ８ 、－， ｅ翟 ４避 ２ Ｏ 嘲 ＊ 桨 （ａ）涌水量与降雨量关系曲线图；（ｂ）水压与降雨量关系曲线图 图２涌水量、水压与降雨量关系图 Ｆｉｇ．２ Ｗａｔｅｒ ｉｎｆｌｏｗ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｐ￣ｓｓｕｍ ｃｈａｎｇｅｄ ｗｉｔｈ ｒａｉｎｆａｌｌ ８２ 铁道科学与工程学报 ２０１１年１２月 从水量与降雨量关系曲线图也可看出，洞内涌 水量与瞬间降雨量无明显关系，说明地下水的补给 源与洞顶地表水关系不大。 超前钻孔资料显示，钻孔局部遇小溶洞，未见 大型溶蚀空洞。综合上述超前预报资料，结合本段 围岩所处岩溶水垂直分带分析，前方为构造挤压导 致的节理密集发育带；在节理密集带内发育溶蚀现 象，以小型溶洞及溶蚀裂隙为主，渗水性极好；从超 前钻孔资料结合洞身岩溶水处于岩溶水水平循环 带以下分析，洞身附近不具备形成大型～特大型岩 溶水廊的条件，储水类型为裂隙型管道。 前方岩体为受构造挤压（褶曲构造的结合部 位也受构造挤压作用）之后在节理密集带发生过 较明显的方解石成分重新胶结现象；因方解石重结 晶的作用，岩体完整性较差，围岩稳定性较差。 ２岩溶富水段施工技术方案研究 基于以上分析，该处岩溶处施工以排为主，但 岩体破碎需加强支护，以防止坍方。由于该段位于 １７．８％。顺坡施工段，中心沟过水能力为２ ８１４ Ｉｎ ／ｈ （满沟时为７ ５６５ ｍ ／ｈ），目前流量１ ８００ ｍ ／ｈ未 超出排水系统能力，故不需采用堵水限流的措施。 但在施工过程中，会存在掌子面附近未施作仰拱段 漫流情况。 ２．１ ＤＫ１３５＋５０８～＋４７８段处理方案 该段富水，水压高，水量大，可选取的处理方案 主要有迂回导坑绕避和打开（暴露）溶洞＋结构处 理方案，表１是２种方案的对比。 ２．２ ＤＫ１３５＋４７８～＋４ｏ８段处理方案 ＤＫ１３５＋５０８一＋４７８段开挖完成后发现 ＤＫ１３５＋５００线左边墙角为岩溶水主要出水口，水 压及总涌水量明显减小，但溶蚀现象仍较明显，因 此ＤＫ１３５＋４７８一＋４６３段围岩级别由原设计Ⅲ级 优化为Ｖ级，衬砌类型按Ｖ级Ｉ型加强施做； ＤＫ１３５＋４６３一＋４２８段围岩级别由原设计Ⅲ级优 化为Ｖ级，衬砌类型按Ｖ级复合式衬砌施做； ＤＫ１３５＋４２８一＋４０８段围岩状况明显转好，掌子面 岩性已转变为钙质砂岩，拱部易掉块，掌子面有少 量基岩裂隙水，设计变更后该段衬砌类型按Ⅲ级有 仰拱加强复合式衬砌施工。 表１ ＤＫ１３５＋５０８～＋４７８段处理方案比选 Ｔａｂｌｅ １ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎ ｆｏｒ ＤＫ１３５＋５０８一＋４７８ 本段地质分析显示洞身附近不具备形成大型～特大型 比选结果岩溶水廊的条件，储水类型为裂隙型管道，且水压不大， 无充填物。因此选用快捷、经济的处理方案二。 ３ 岩溶富水段施工过程及施工方法 ３．１总体施工方案 按照Ｖ级ＩＩ型进行加强支护，开挖方式为单 侧壁导坑超前台阶开挖，设置ｑｂｌ０８超前大管棚与 Ｉ２０ｂ全环钢架加强支护：中１０８超前大管棚３８根， 每根长３５ ｍ，环向间距０．４ ｍ，Ｉ２０ｂ全环钢架０．６ ｍ榀，导坑中线侧采用１１８钢架作为临时支护，且 该段衬砌按Ｖ级Ⅱ型复合衬砌施工。考虑前方地 质地下水由线左流向线右，将①部导坑设置于线路 左线部位，如图３所示。 图３侧壁导坑法施工工序图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｓｉｄｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ３．２分工序施工方法 开挖、支护施工流程为：大管棚施工一左线导 第６期 任永华，等：贵广铁路三都隧道岩溶高压富水段施工技术研究 ８３ 坑（①部）开挖 导坑初期支护 上断面②部开挖 支护（在①部导坑开挖长度达到１５ ｍ后），同时导 坑继续往前施工一下断面③部开挖支护（上断面 开挖一茬炮后），与上断面形成微台阶，围岩如破 碎则需留置核心土。 ３．２．１ 大管棚施工 管棚设置工作室（ＤＫ１３５＋５０８一ＤＫ１３５＋ ５１４），长６ ｍ，扩挖至设计轮廓线外５０ ｃｍ，架立２ 榀Ｉ２０ｂ型钢钢架，间距６０ ｃｍ，每榀采用锁脚锚杆 固定，防止倒塌，在钢架外沿安装ｑ￣１２７孔１３导向 管，环向间距０．４ ｍ，外插角３。。用经纬仪以坐标 法在工字钢架上定出其平面位置；用水准尺配合坡 度板设定孔口管的倾角；用前后差距法设定孔口管 的外插角。孔口管应牢固焊接在工字钢上，防止浇 筑混凝土时产生移位。 ３．２．２部导坑开挖及支护 大管棚施工完成后开始①部导坑开挖，开挖高 度、宽度参照单车道平导宜为６ ｍ×４．７ ｍ，根据现 场围岩情况制定导坑开挖专项爆破技术方案及安 全专项方案，在洞内设置安全警戒，挖机找顶后方 可进行出渣作业。出碴后立即安排初喷，确保围岩 稳定性，支护作业必须按照上述支护参数进行，拱 架间螺丝必须全部上齐拧紧，纵向连接筋及系统锚 杆、锁脚锚杆必须与拱架焊接牢固，以保证支护系 统的整体性，拱架脚部必须落至实处，杜绝拱架悬 空现象。 ３．２．３②部及③部开挖支护 在导坑开挖１５ ｍ后进行上断面及下断面开挖 支护，结合导坑开挖大致了解的前方围岩情况对施 工方案及爆破方案进行及时调整，支护工艺同① 部。 ３．２．４仰拱及拱墙二衬施工 仰拱及拱墙二衬施工前需进行隧底及周边岩 溶探测，如有岩溶则需对岩溶进行有效处理后方可 进行施工，考虑该段岩溶水较发育，需加强该段衬 砌施工中的防排水施工，盲管加密至３ ｍ／道。 ４处理效果 施工过程中，施工单位严格按照监控量测管理 办法，布设监控量测点并按规定的频率进行观测。 观测结果表明，经优化处理施工的开挖过程能够满 足施工规范要求，部分收敛速度及沉降速率历时曲 线见图４。从该监控量测数据可知，拱顶下沉速率 最大为２．７ ｍｍ／ｄ，水平收敛速率最大达到２．９ ｍｍ／ｄ。目前隧道施工已顺利通过该段，也验证了 岩溶富水段施工过程及施工方法的可行性。 ３．５０ ３．００ 一． ２５０ 呈２．００ ｛；｛卜１５０ １ ．００ 。０ ５ ｌ０ １５ ２０ ２５ ３０ 时间，ｄ ，． ０ ５ １Ｏ １５ ２Ｏ ２５ ３０ 时间，ｄ （ａ）ＤＫ１３５＋４８０收敛速率历时曲线； （ｂ）ＤＫ１３５＋４８０拱顶沉降速率历时曲线 图４水平收敛速率、拱顶下沉速率历时曲线图 Ｆｉｇ．４ Ｈｉｓｔｏｒｙ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｈｏｆｉｚｏｎｔ￣ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｏｍｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｒａｔｅ ５结论 （１）长大隧道特别是岩溶隧道地质条件的复 杂的隧道采用以地质分析法为基础，以超前水平钻 孔为核心，结合物探法的综合超前地质预报方法进 行超前地质预报，能保证工程快速、安全、顺利进 行，避免灾害产生。 （２）岩溶高压富水段施工技术方案必须建立 在对岩溶高压富水段的工程地质和水文地质条件 充分了解的基础上。 （３）根据掌子面前方未见大型溶蚀空洞，前方 为构造挤压导致的节理密集发育带；在节理密集带 内发育溶蚀现象，以小型溶洞及溶蚀裂隙为主，渗 水性极好；洞身附近不具备形成大型～特大型岩溶 水廊的条件，储水类型为裂隙型管道，且水压不大， 无充填物的特点，三都隧道岩溶高压富水段采用打 开（暴露）溶洞＋结构是可行的，能够满足施工规 范要求。采用该措施已顺利通过该岩溶高压富水 铁道科学与工程学报 ２０１１年１２月 段。可为类似工程的处理提供借鉴。 参考文献： ［１］王勐，许兆义，王连俊，等．铁路深埋隧道区岩溶发育 特征研究［Ｊ］．工程地质学报，２００４，１２（３）：２５３—２５８． ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ，ＸＵ Ｚｈａｏ－ｙｉ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ－ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｃｈａｒ－ ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ａ ｄｅｅｐ ｂｕｒｉｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２００４，１２（３）：２５３— ２５８． ［２］王勐，许兆义，王连俊，等．圆梁山毛坝向斜段隧道涌 突水灾害及对地下水的影响［Ｊ］．中全科学学报， ２００４，１４（５）：６—１０． ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇ，ＸＵ Ｚｈａｏ・ｙｉ，ＷＡＮＧ Ｌｉａｎ－ｊｕｎ，ｅｔ ａ１．Ｇｕｓｈ－ ｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｆｒｏｍ ｙｕａｎｌｉａｎｇｓｈａｎ ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ ｍａｏｂａ ｓｙｎｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ 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