浅谈喀斯特地貌区域隧洞开挖安全控制

浅谈喀斯特地貌区域隧洞开挖安全控制

肖永  白小东

中国水利水电第一工程局有限公司  吉林省长春市130000

摘要：水利枢纽工程遍布世界各地，期间遇到的特殊地质条件千奇百怪，五花八门。随着我国水利市场的进一步发展，全国各地的水利行业开发建设踏遍祖国的大江南北。克服施工过程中遇到的特殊地质条件制约，也是我们水利行业在施工过程中，需要面临及解决的首要问题之一。为保证施工中人员及设备的安全，我辈一直在特殊地质条件安全控制方面努力研发，从未放弃，并取得突出成效。本文着重介绍喀斯特地貌区域隧洞开挖强支护安全控制措施经验。

关键词：喀斯特地貌隧洞开挖安全控制

一、概述

我国是世界上喀斯特分部面积最大的国家，从热带到寒带各种喀斯特地貌类型齐全。我国喀斯特主要分布于贵州、广西、湘西、鄂西、山西等省区。

贵州省铜仁市地处云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带，介于东经107°45'～109°30'、北纬27°07'～29°05'之间，国土面积1.8万平方公里。以梵净山为主峰的武陵山脉成为铜仁市东西部的分水岭，全市最高海拔2572米，最低海拔205米，喀斯特地貌发育典型。铜仁市大兴水利枢纽工程输水隧洞工程，全长688.69m。

二、隧洞水文地质

1、物理地质现象

岩溶塌陷输水线路沿线岩溶发育，暴雨季节大量地表径流通过漏斗、落水洞迅速进入地下管道，由于水压力的顶托，造成上覆岩层及覆盖层塌陷。塌陷多发于在洼地底部。输水线路及灌溉线路沿线未发现有滑坡、崩塌及泥石流等不良地质现象。

2、岩溶

输水线路及灌溉线路沿线均为碳酸盐岩地层，岩溶发育。主要岩溶形态有溶沟、石芽、漏斗、落水洞、溶洞、岩溶洼地等。

3、水文地质

地下水类型及运动规律输水线路及灌溉线路沿线地下水主要为碳酸盐岩岩溶水。主要赋存于寒武系以及奥陶系地层中。地下水的富集程度与岩溶发育程度相一致，受岩性组合、岩层厚度、构造等因素影响明显。地下水主要受大气降水补给，在管道或溶蚀裂隙中运移，以暗河或泉的形式排泄于当地侵蚀基准面。地下水动态变化不一，以裂隙水为间接补给源、埋藏较深的地下水动态变化较小；而以落水洞、漏斗等垂直管道补给的地下水动态变化较大，地下水位随降水量大小相应迅速升降。

4、岩石（体）物理力学特性

为了解输水线路岩石的物理力学性质，取样进行了室内物理力学试验。岩石试验成果表明，引水线路弱风化状条带状灰岩天然密度为2.69g/cm³，岩石饱和单轴抗压强度平均值为54.50MPa，属较坚硬岩，软化系数为0.86；微风化状泥质条带状灰岩天然密度为2.73g/cm³，饱和单轴抗压强度平均值为56.67MPa，属较坚硬岩，软化系数为0.53；弱风化状(结晶)白云岩天然密度平均值为2.81g/cm³，饱和单轴抗压强度平均值为68.06MPa，属坚硬岩，软化系数为0.65。

三、开挖过程中遇到的问题

1、岩溶、岩石破碎带

在输水洞开挖循环过程中，经常遇到岩溶地貌、岩石破碎带。

此情况在钻孔过程中能预见到，可提前预防。一般，在钻孔过程中，发现突然掉钻、钻具不返水、掌子面出现沙化现象等情况时，可判定为遇到岩溶、较大裂隙或破碎带等。      图3-1 隧洞内岩溶通道

岩溶多为地下水长期侵蚀岩石形成的过水通道，不会存在较大的松动岩石等情况，存在的安全风险较小。

但在施工过程中，还是必须要在保证安全的前提下，施工条件又允许时，将掌子面覆盖层揭露，露出内部情况进行判定。

2、溶洞

溶洞在本隧洞开挖过程中，频频遇到。同时伴有渗水、淋水、涌水等现象。

遇到此地貌的情况下，因爆破原因，溶洞顶部钟乳石时常会有掉落、洞顶塌方等现象发生。

3、塌方、冒顶

在输水洞开挖过程中，不少洞段遇到古河道堆积体、岩石破碎带等地貌不良地质情况，时有发生。

此类情况在开挖过程中，受掌子面覆盖层的影响，不能在第一时间预判，只能是事后确保安全的前提下，进行强支护处理。

四、处理措施

1、岩溶、岩石破碎带

在确保安全的前提下，根据现场实际情况，如岩溶发育较小，渗水量少，地质情况在可控的情况下，可采取以下措施处理：

岩溶范围起始桩号内向外各返1.5m，按照50cm一榀的间距，采用I16进行钢拱架支护。用于支撑顶部岩体等。

拱架两侧用8根Φ28锁脚锚杆固定，单长3.5m，φ6.5钢筋挂喷16cm厚C20砼。用于固定钢拱架及封闭洞壁等。

2、溶洞

开挖过程出现溶洞后，在确保安全的前提下，先对洞顶松动岩体进行排危。如岩溶发育较小，渗水量少，地质情况在可控的情况下，采取以下措施处理：

（1）岩溶范围起始桩号内向外各返1.5m，按照50cm一榀的间距，采用I16进行钢拱架支护。用于支撑顶部岩体等，防止落实、塌方等情况发生。

（2）拱架两侧用8根Φ28锁脚锚杆固定，单长3.5m，φ6.5钢筋挂喷16cm厚C20砼。用于固定钢拱架及封闭岩石洞壁等。

（3）如遇塌方，在掌子面处先支立钢拱架，以确保施工部位人员安全。再采用预留核心的方式，每进尺50cm，支立一榀钢拱架，严格遵循“短进尺”原则，钢拱架循循跟进，直到度过溶洞部位及预留有效安全距离为止。

（4）在钢拱架拱顶位置，喷混之前，预埋合适直径的PVC管1根（喷混通道），另设小一号的PVC管1根（排气孔兼观察孔），外露10～20cm。在拱顶溶腔内，回填C25一级配泵送混凝土100cm厚以上，形成混凝土拱圈，防止施工过程中，拱顶二次塌方、落石等出现安全事故。

（5）如溶洞贯穿隧洞上下，可根据设计、业主等单位的要求，对溶洞进行回填处理。

1）隧洞底部溶洞无淤积物填充类溶洞。可采用C20泵送混凝土回填至隧洞底板高程。

2）隧洞底部溶洞有淤积物填充类溶洞。对底板溶洞无法探测深度的部位，将溶洞内填充物向下清理0.5～1m深，在清理完的区域内，回填C25一级配泵送混凝土仰拱。在回填混凝土前，在每个钢拱架底部设I16工字钢仰拱，与隧道边墙的钢拱架底部可靠焊接，防止边墙钢拱架因底角无受力而产生变形。在质检及监理验收完成后，进行仰拱混凝土回填。                                  图4-1拱顶混凝土回填后

3、塌方、冒顶

此类情况危险性大，没有有效的预判措施。主要存在于掌子面前方，隧洞穿越古河道堆积体、岩石破碎带等地貌不良地质容易发生塌方、冒顶。

在确保安全的前提下，先对掌子面周边洞顶松动岩体进行排危。根据现场实际情况，可采取以下措施处理：

（1）遇塌方、冒顶现象，首先排查完掌子面周边危险后，对掌子面塌落的堆积体进行10～15cm厚素喷砼封闭，确保掌子面不裸露在空中，到达封闭效果，不再进一步塌方。

如遇塌方，在掌子面处先支立钢拱架，以确保施工部位人员安全。

（2）待喷混终凝后，再采用预留核心的方式，将150cm的安全距离范围内的钢拱架按50cm一榀支立完成。

（3）在喷混完成后的掌子面布设直径32mm的注浆小导管，浆液浓度根据设计要求执行，对塌方体进行固结灌浆，将塌方体固结成一个整体。

（5）在上述防护措施做完后，对核心土两侧进行槽挖，每50cm支立一榀钢拱架后，根据实际情况做注浆小管棚或超前锚杆，再挖除中间预留的核心土，进行掌子面素喷封闭。

严格遵循“短进尺”原则，钢拱架、注浆小导管、小管棚、超前锚杆都依次按要求施工完成，直到度过危险部位及预留有效安全距离为止。

五、结论

在贵州铜仁地区，喀斯特地貌的工程建设中，我们严格遵守“短进尺、强支护、弱爆破”的原则，严格按照已定的处理措施进行强支护。

大兴水利枢纽工程自2017年3月份开工以来，直到2018年1月开挖完成，虽然在工期上有所滞后，但未耽误主线工期，也没有出现任何一起人员伤亡事故。

至此，充分证明本文的处理措施，符合该地区喀斯特地貌特殊地质情况高发区的施工需要。同时也为在同行业同地质条件下施工的同行们，提供了可借鉴的强支护方案。

参考文献

[1]陈治平中国喀斯特地貌研究进展地理研究1985年

[2]全国水利水电施工技术信息网水利水电工程施工手册中国电力出版社2012年