神马文学网隧道关键技术
来源：百度文库 编辑：神马文学网 时间：2024/04/27 20:20:27
龙潭特长隧道关键技术问题研究
摘 要 以处于岩溶特殊地质条件下的龙潭隧道为依托工程，重点从超前地质预报、防排水技术、结构处治技术等三个方面分别对其现状及重点成果进行了论述，并指出了相应的对策。
关键词 特长隧道 岩溶 超前地质预报 防排水 抗水压衬砌
1 工程概况
湖北沪蓉西高速公路中的龙潭隧道进口位于宜昌市长阳县贺家坪镇境内，出口位于宜昌市长阳县榔坪镇境内。其左洞长8693m，右洞长8620m，是目前国内在建的第二长公路隧道，纵向坡度为—1.504％的单向坡，最大埋深约800m。
该隧道位于长阳背斜的北翼，背斜构造线走向近东西向，路线与地层走向基本平行；地层倾向北倾角50°左右，在K71+220附近有F1断层分布，走向北西，倾向北东；在K72+610附近有12分布，走向北北西，倾向东。K70至出口段长约4000m地层为奥陶系碳酸盐岩地层，本段沿可溶岩与非可溶岩界面形成强岩溶带，并发育管道式地下河。该段岩溶地下水的汇水范围约5km2。
该隧道出口段岩溶条件下的可靠合理修筑技术将是其建设迫切需要解决的关键技术。
2 岩溶地质隧道修筑的灾害问题
众所周知，当隧道通过溶洞、地下暗河等岩溶地质发育的含水区段时，其影响主要表现为“涌突水、突泥(沙)、塌陷”，容易导致：
a．隧道围岩及支护结构变形、开裂、失稳直至坍塌；
b．制约工程进度，直接危及人员和机械设备的安全，造成工程投资的增加。
在岩溶地区隧道工程的建设和后期建成运营期间，由于处治措施不当等原因，也可能影响场区环境，如：
a．改变了水文地质条件，从而激活古岩溶；
b．增加了新的出水点，对于正处于发育期的岩溶，可能加快其岩溶发育速度；
c．可能不断恶化场区的水文环境；
d．由于环境恶化、地下水位下降，可能造成植被减少、地表沙土流失、地面沉陷等；
e．可能造成地下水干涸，地下水流失，场区生态环境受到破坏。
对于影响环境的以上认识，目前业内人员的关注度还极为欠缺。
3 主要技术问题
针对该隧道工程的实际情况，结合以上对岩溶地质隧道修筑的灾害问题的认识，笔者认为，其主要技术问题主要包括以下三方面：
a．确定合理有效的涌水突泥灾害的预测预报技术；
b.在岩溶富水段落采取切实合理的防排水措施；
c．针对溶洞、地下暗河等岩溶不良地质，提出安全可靠的处治技术。
4 涌水突泥灾害的预测预报技术
4.1 综合超前地质预报技术
隧道涌水突泥灾害预测预报不但是基础性研究，也是防治的基础。但是，地质体是一个复杂的综合体，岩溶的成因与发育规模以及与隧道的空间组合形态存在差异，所以必须根据不同预测方法的适用条件和优缺点，结合工程的实际地质特征，进行预测预报。
鉴于隧道的实际地质条件，采取了综合超前地质预报方法，如图1所示。
施工时综合运用两种或两种以上方法和手段进行预报，以达到取长补短、相互印证、提高预报效果的目的，并基本遵循以下步骤开展综合超前地质预报工作：
a．首先运用TSP—202／203地震仪探测出掌子面前方l00mm范围内的不良地质体的准确属性、较准确位置与空间分布规模，结合地质学的地质构造分析法，进行长期预报。
b．在上述基础上，利用地质雷达进一步探测掌子面前方30m范围内的不良地质体的属性、位置与空间分布规模，以近距离印证TSP地震仪的反演分析结果，提高探测预报精度，结合掌子面的地质编录，进行短期预报。
c．在以上手段无法准确判断不良地质体的属性、位置与空间分布规模的疑似地段，以及根据以上手段综合判断出不良地质体可能有严重突水、涌泥或崩塌等施工隐患的目标地段，或当前掌子面渗水严重的段落，对掌子面前方30m实施超前钻孔探测。
d，根据以上预报分析结构，并结合断面的监控量测信息，得出综合地质超前预报的结论。
4.2 TSP法解译应注意的问题
由于TSP法是预测预报的关键，因此其解译结果尤其重要，经验表明：
a．正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。
b，若S波较P波强则表明岩层饱含水。
c．Vn／Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。
d．若Vn下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
5 岩溶富水段落的防排水技术
5.1 控制型防排水原则
基于对环境问题的关注，该隧道岩溶富水段落的防排水设计贯彻了“以堵为主、防排结合”的控制型防排水原则。
问题的关键是为何还要排水，主要基于以下考虑：
a．隧道如果完全防水，将大大提高防水层的造价；
b．由于隧道岩溶特殊地质条件的多变性，隧道围岩完全防水在技术上是不可行的，从这个意义上讲，排水是为了更好的防水；
c．龙潭隧道局部地段地下水水头较高，最大静水压力达5MPa，如果完全防水进行隧道衬砌设计，衬砌就要承受同水头相当的水压力，以至于把衬砌加大到不可思议的厚度；另一方面，在衬砌背后积聚的地下水，如果不加有效的引导，将会对支护形成相当大的外荷载。若因排水不畅，将导致衬砌裂损破坏，引起隧道结构渗漏水的情况。然而，若不加控制的排放地下水，就会导致地下水环境的恶化，进而引发地表水位下降、地面塌陷等一系列的生态环境问题。
因此，提出了控制型防排水原则，即在相关防排冰技术和设计的支持下，实现人为地、可控制地排放地下水，做到保持地下水位的基本稳定，尽量减少或者避免对地下水环境的影响，同时将作用在衬砌上的水压力减少到可以承受的水平，从而实现隧道周围地下水环境的可持续发展。
5.2 实施方案
根据调研及工程类比，最终确定在岩溶富水段落通过注浆堵水、设置全封闭防水衬砌来体现，因为这两种措施可由外及内依次形成a．围岩注浆固结堵水圈、b．初期支护、c．全包式防排水网格系统和d．抗渗(水压)二次衬砌的复合防排水结构的多道防线。
5.3抗水压衬砌结构形式
针对抗水压衬砌的设置，该隧道设计提出了一种结构形式，见图2。
为评价抗水压衬砌结构的稳定性，进而确定合理的结构型式，特以该隧道衬砌模型进行“等截面梁”的荷载一结构法数值分析(图3)。
通过改变外压，以模拟衬砌承受不同荷载等级的外水压力下的衬砌受力变形情况，如图4所示。
通过对计算结果的分析，有：
a．抗水压衬砌的仰拱及仰拱隅角是弯距和轴力集中的位置，即最薄弱部位，而且这种趋势将随着外水压力的增大而增大。
b．抗水压衬砌在外水压力的作用下，其变形朝着竖向高度越来越小、横向宽度越来越大的趋势发展，而且这种趋势将随着外水压力的增大而增大。
c．通过改善仰拱和仰拱隅角处的力学特性可更好发挥抗水压衬砌承受外水压力的力学性能。
根据以上结构，笔者在图3所示结构型式的基础上，又增加了三种抗水压衬砌的结构型式(图5)，进行了地层一结构模型法的数值计算。
计算贯穿隧道由开挖施工至衬砌承受外水压力的全过程，外水压力采用水岩分算法计算，对地层和隧道结构的受力与变形情况进行了分析。
结果表明：
龙潭隧道的抗水压衬砌结构具有较高的结构安全度。
b．从目前的分析结果来看，力学性能的排序是加厚边墙的抗水压衬砌断面(图5a))<减小仰拱矢跨比的抗水压衬砌断面(图5c))<仰拱加厚的抗水压衬砌断面(图5b))<增大仰拱矢跨比的衬砌断面(图2)。
当然，实际抗水压衬砌的力学性态、边界条件等因素都与模拟模型不同，但这种分析方法能更简洁地揭示出抗水压衬砌的重要受力变形特点，为设计抗水压衬砌提供了科学有效的途径。
5.4 注浆堵水技术
根据隧道的实际地质情况，注浆堵水方式采用预注浆和后注浆两种相结合的综合注浆手段。其中，预注浆包括全断面帷幕超前预注浆，全断面周边超前预注浆，及局部断面超前预注浆等方式；后注浆包括径向注浆、局部注浆和补充注浆等方式。其选用标准如表1。
注浆技术是从实践中总结出来的，不能一成不变，必须在施工实践中不断修正、补充、发展、完善、创新，根据地质情况，及时调整各项参数，以达到最佳的注浆效果。
总之，合理的防排水措施，不仅关系到岩溶富水段落隧道结构稳定的问题，而且更与周边生态环境息息相关。它是岩溶地区隧道修筑、运营成败好坏的基础。
6 岩溶不良地质的结构处治技术
当前，设计人员往往十分重视处治预案的设计，通常是针对位于隧道周边不同位置的溶钢，不同大小的溶洞、地下暗河等进行处治预案设计，但存在的几个问题值得商榷：
a．这种预案设计往往只能应用在预测较为准确或开挖揭示后的情况下；设计的主动性不够，依赖于预测结果。
b．对处于岩溶条件下隧道围岩的施工力学形态不能完全把握，设计的合理性缺乏依据 笔者对拱顶上不同形态的溶洞分布，进行丁围岩与衬砌结构的稳定性分析(图6)。
结果表明，这种情况下并不会增大拱顶沉降，实际上主要表现为对隧道拱部塑性区和拉应力区的影响，因此其处治设计应重点减小这种不利影响。
再则，对于溶洞规模的判断，人为的随意性较大；进行处治设计时，对溶洞洞径、溶洞与隧道边缘的距离、隧道洞径、围岩的力学性质等相关因素之间的关系还缺乏必要的科学分析依据。
因此，为防患于未然，并能有效应对紧急情况，必须：
a．重视对围岩施工力学形态的研究，积极运用监控量测的分析结果，结合超前地质预测，增强设计的动态性。
b．灾害发生后，需根据现场施工环境和条件，制定合理、安全、快速的处治抢险方案。
c. 溶洞空腔宜尽可能填充，如施工条件难以满足，设置一定厚度的柔性缓冲层(如砂砾层)是一种较好的处治途径。
d．通过对溶洞水质、水量、水压等情况的分析，特别应注意砂、干砌片石等材料较轻微改变原有水流通道的渗透水力特性，灵活选用建筑材料。
7 结语
结合上述的研究工作，可以得出以下结论：
a．龙潭隧道以其长度、难度成为了沪蓉国道主干线宜恩段的控制性重难点工程，其主要技术问题包括以下三个方面：①确定合理有效的涌水突泥灾害的预测预报技术；②在岩溶富水段落采取切实合理的防排水措施；③针对溶洞、地下暗河等岩溶不良地质，提出安全可靠的处治技术。
b．鉴于该隧道的岩溶复杂地质条件，应采取包括长期预报、短期预报；超前钻探与灾害临近警报的综合超前地质预报方法。
c．岩溶特殊地质条件下的隧道修筑需要从结构与环境两个方面综合考虑，才能形成技术可靠、经济合理的关键技术。
d．抗水压衬砌的仰拱及仰拱隅角处是弯距和轴力集中的位置，即最薄弱部位，通过改善其力学特性可更好发挥抗水压衬砌承受外水压力的力学性能。
e. 从目前的数值模拟结果来看，抗水压衬砌的力学性能排序是加厚边墙<减小仰拱矢跨比<仰拱加厚<增大仰拱矢跨比。
f. 拱顶分布溶洞的危害主要表现为对隧道拱部围岩与支护结构的塑性区和拉应力区的影响，因此其处治设计应重点减小这种不利影响。
参考文献
1 蒋树屏．我国公路隧道工程技术的现状及展望[J]．公路隧道，2000，(1)：1—5
2 丁浩等．岩溶地区隧道修筑关键技术探讨[A]．2004年岩溶地区隧道修筑技术专题研讨会论文集[C]．北京：人民交通出版社，2004．54-57
3 重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范(JTG D70--2004)[S]．北京：人民交通出版社，2004
《2005年全国公路隧道学术会议论文集》
(曹传林 丁 浩 叶志华)
摘 要 以处于岩溶特殊地质条件下的龙潭隧道为依托工程，重点从超前地质预报、防排水技术、结构处治技术等三个方面分别对其现状及重点成果进行了论述，并指出了相应的对策。
关键词 特长隧道 岩溶 超前地质预报 防排水 抗水压衬砌
1 工程概况
湖北沪蓉西高速公路中的龙潭隧道进口位于宜昌市长阳县贺家坪镇境内，出口位于宜昌市长阳县榔坪镇境内。其左洞长8693m，右洞长8620m，是目前国内在建的第二长公路隧道，纵向坡度为—1.504％的单向坡，最大埋深约800m。
该隧道位于长阳背斜的北翼，背斜构造线走向近东西向，路线与地层走向基本平行；地层倾向北倾角50°左右，在K71+220附近有F1断层分布，走向北西，倾向北东；在K72+610附近有12分布，走向北北西，倾向东。K70至出口段长约4000m地层为奥陶系碳酸盐岩地层，本段沿可溶岩与非可溶岩界面形成强岩溶带，并发育管道式地下河。该段岩溶地下水的汇水范围约5km2。
该隧道出口段岩溶条件下的可靠合理修筑技术将是其建设迫切需要解决的关键技术。
2 岩溶地质隧道修筑的灾害问题
众所周知，当隧道通过溶洞、地下暗河等岩溶地质发育的含水区段时，其影响主要表现为“涌突水、突泥(沙)、塌陷”，容易导致：
a．隧道围岩及支护结构变形、开裂、失稳直至坍塌；
b．制约工程进度，直接危及人员和机械设备的安全，造成工程投资的增加。
在岩溶地区隧道工程的建设和后期建成运营期间，由于处治措施不当等原因，也可能影响场区环境，如：
a．改变了水文地质条件，从而激活古岩溶；
b．增加了新的出水点，对于正处于发育期的岩溶，可能加快其岩溶发育速度；
c．可能不断恶化场区的水文环境；
d．由于环境恶化、地下水位下降，可能造成植被减少、地表沙土流失、地面沉陷等；
e．可能造成地下水干涸，地下水流失，场区生态环境受到破坏。
对于影响环境的以上认识，目前业内人员的关注度还极为欠缺。
3 主要技术问题
针对该隧道工程的实际情况，结合以上对岩溶地质隧道修筑的灾害问题的认识，笔者认为，其主要技术问题主要包括以下三方面：
a．确定合理有效的涌水突泥灾害的预测预报技术；
b.在岩溶富水段落采取切实合理的防排水措施；
c．针对溶洞、地下暗河等岩溶不良地质，提出安全可靠的处治技术。
4 涌水突泥灾害的预测预报技术
4.1 综合超前地质预报技术
隧道涌水突泥灾害预测预报不但是基础性研究，也是防治的基础。但是，地质体是一个复杂的综合体，岩溶的成因与发育规模以及与隧道的空间组合形态存在差异，所以必须根据不同预测方法的适用条件和优缺点，结合工程的实际地质特征，进行预测预报。
鉴于隧道的实际地质条件，采取了综合超前地质预报方法，如图1所示。
施工时综合运用两种或两种以上方法和手段进行预报，以达到取长补短、相互印证、提高预报效果的目的，并基本遵循以下步骤开展综合超前地质预报工作：
a．首先运用TSP—202／203地震仪探测出掌子面前方l00mm范围内的不良地质体的准确属性、较准确位置与空间分布规模，结合地质学的地质构造分析法，进行长期预报。
b．在上述基础上，利用地质雷达进一步探测掌子面前方30m范围内的不良地质体的属性、位置与空间分布规模，以近距离印证TSP地震仪的反演分析结果，提高探测预报精度，结合掌子面的地质编录，进行短期预报。
c．在以上手段无法准确判断不良地质体的属性、位置与空间分布规模的疑似地段，以及根据以上手段综合判断出不良地质体可能有严重突水、涌泥或崩塌等施工隐患的目标地段，或当前掌子面渗水严重的段落，对掌子面前方30m实施超前钻孔探测。
d，根据以上预报分析结构，并结合断面的监控量测信息，得出综合地质超前预报的结论。
4.2 TSP法解译应注意的问题
由于TSP法是预测预报的关键，因此其解译结果尤其重要，经验表明：
a．正反射振幅表明岩层变硬，负反射振幅表明岩层变软；负反射与正反射的组合表明该位置有断裂(断层)。
b，若S波较P波强则表明岩层饱含水。
c．Vn／Vs增加或δ突然增大，常常由于流体的存在而引起。
d．若Vn下降，则表明裂隙或孔隙度增加。
5 岩溶富水段落的防排水技术
5.1 控制型防排水原则
基于对环境问题的关注，该隧道岩溶富水段落的防排水设计贯彻了“以堵为主、防排结合”的控制型防排水原则。
问题的关键是为何还要排水，主要基于以下考虑：
a．隧道如果完全防水，将大大提高防水层的造价；
b．由于隧道岩溶特殊地质条件的多变性，隧道围岩完全防水在技术上是不可行的，从这个意义上讲，排水是为了更好的防水；
c．龙潭隧道局部地段地下水水头较高，最大静水压力达5MPa，如果完全防水进行隧道衬砌设计，衬砌就要承受同水头相当的水压力，以至于把衬砌加大到不可思议的厚度；另一方面，在衬砌背后积聚的地下水，如果不加有效的引导，将会对支护形成相当大的外荷载。若因排水不畅，将导致衬砌裂损破坏，引起隧道结构渗漏水的情况。然而，若不加控制的排放地下水，就会导致地下水环境的恶化，进而引发地表水位下降、地面塌陷等一系列的生态环境问题。
因此，提出了控制型防排水原则，即在相关防排冰技术和设计的支持下，实现人为地、可控制地排放地下水，做到保持地下水位的基本稳定，尽量减少或者避免对地下水环境的影响，同时将作用在衬砌上的水压力减少到可以承受的水平，从而实现隧道周围地下水环境的可持续发展。
5.2 实施方案
根据调研及工程类比，最终确定在岩溶富水段落通过注浆堵水、设置全封闭防水衬砌来体现，因为这两种措施可由外及内依次形成a．围岩注浆固结堵水圈、b．初期支护、c．全包式防排水网格系统和d．抗渗(水压)二次衬砌的复合防排水结构的多道防线。
5.3抗水压衬砌结构形式
针对抗水压衬砌的设置，该隧道设计提出了一种结构形式，见图2。
为评价抗水压衬砌结构的稳定性，进而确定合理的结构型式，特以该隧道衬砌模型进行“等截面梁”的荷载一结构法数值分析(图3)。
通过改变外压，以模拟衬砌承受不同荷载等级的外水压力下的衬砌受力变形情况，如图4所示。
通过对计算结果的分析，有：
a．抗水压衬砌的仰拱及仰拱隅角是弯距和轴力集中的位置，即最薄弱部位，而且这种趋势将随着外水压力的增大而增大。
b．抗水压衬砌在外水压力的作用下，其变形朝着竖向高度越来越小、横向宽度越来越大的趋势发展，而且这种趋势将随着外水压力的增大而增大。
c．通过改善仰拱和仰拱隅角处的力学特性可更好发挥抗水压衬砌承受外水压力的力学性能。
根据以上结构，笔者在图3所示结构型式的基础上，又增加了三种抗水压衬砌的结构型式(图5)，进行了地层一结构模型法的数值计算。
计算贯穿隧道由开挖施工至衬砌承受外水压力的全过程，外水压力采用水岩分算法计算，对地层和隧道结构的受力与变形情况进行了分析。
结果表明：
龙潭隧道的抗水压衬砌结构具有较高的结构安全度。
b．从目前的分析结果来看，力学性能的排序是加厚边墙的抗水压衬砌断面(图5a))<减小仰拱矢跨比的抗水压衬砌断面(图5c))<仰拱加厚的抗水压衬砌断面(图5b))<增大仰拱矢跨比的衬砌断面(图2)。
当然，实际抗水压衬砌的力学性态、边界条件等因素都与模拟模型不同，但这种分析方法能更简洁地揭示出抗水压衬砌的重要受力变形特点，为设计抗水压衬砌提供了科学有效的途径。
5.4 注浆堵水技术
根据隧道的实际地质情况，注浆堵水方式采用预注浆和后注浆两种相结合的综合注浆手段。其中，预注浆包括全断面帷幕超前预注浆，全断面周边超前预注浆，及局部断面超前预注浆等方式；后注浆包括径向注浆、局部注浆和补充注浆等方式。其选用标准如表1。
注浆技术是从实践中总结出来的，不能一成不变，必须在施工实践中不断修正、补充、发展、完善、创新，根据地质情况，及时调整各项参数，以达到最佳的注浆效果。
总之，合理的防排水措施，不仅关系到岩溶富水段落隧道结构稳定的问题，而且更与周边生态环境息息相关。它是岩溶地区隧道修筑、运营成败好坏的基础。
6 岩溶不良地质的结构处治技术
当前，设计人员往往十分重视处治预案的设计，通常是针对位于隧道周边不同位置的溶钢，不同大小的溶洞、地下暗河等进行处治预案设计，但存在的几个问题值得商榷：
a．这种预案设计往往只能应用在预测较为准确或开挖揭示后的情况下；设计的主动性不够，依赖于预测结果。
b．对处于岩溶条件下隧道围岩的施工力学形态不能完全把握，设计的合理性缺乏依据 笔者对拱顶上不同形态的溶洞分布，进行丁围岩与衬砌结构的稳定性分析(图6)。
结果表明，这种情况下并不会增大拱顶沉降，实际上主要表现为对隧道拱部塑性区和拉应力区的影响，因此其处治设计应重点减小这种不利影响。
再则，对于溶洞规模的判断，人为的随意性较大；进行处治设计时，对溶洞洞径、溶洞与隧道边缘的距离、隧道洞径、围岩的力学性质等相关因素之间的关系还缺乏必要的科学分析依据。
因此，为防患于未然，并能有效应对紧急情况，必须：
a．重视对围岩施工力学形态的研究，积极运用监控量测的分析结果，结合超前地质预测，增强设计的动态性。
b．灾害发生后，需根据现场施工环境和条件，制定合理、安全、快速的处治抢险方案。
c. 溶洞空腔宜尽可能填充，如施工条件难以满足，设置一定厚度的柔性缓冲层(如砂砾层)是一种较好的处治途径。
d．通过对溶洞水质、水量、水压等情况的分析，特别应注意砂、干砌片石等材料较轻微改变原有水流通道的渗透水力特性，灵活选用建筑材料。
7 结语
结合上述的研究工作，可以得出以下结论：
a．龙潭隧道以其长度、难度成为了沪蓉国道主干线宜恩段的控制性重难点工程，其主要技术问题包括以下三个方面：①确定合理有效的涌水突泥灾害的预测预报技术；②在岩溶富水段落采取切实合理的防排水措施；③针对溶洞、地下暗河等岩溶不良地质，提出安全可靠的处治技术。
b．鉴于该隧道的岩溶复杂地质条件，应采取包括长期预报、短期预报；超前钻探与灾害临近警报的综合超前地质预报方法。
c．岩溶特殊地质条件下的隧道修筑需要从结构与环境两个方面综合考虑，才能形成技术可靠、经济合理的关键技术。
d．抗水压衬砌的仰拱及仰拱隅角处是弯距和轴力集中的位置，即最薄弱部位，通过改善其力学特性可更好发挥抗水压衬砌承受外水压力的力学性能。
e. 从目前的数值模拟结果来看，抗水压衬砌的力学性能排序是加厚边墙<减小仰拱矢跨比<仰拱加厚<增大仰拱矢跨比。
f. 拱顶分布溶洞的危害主要表现为对隧道拱部围岩与支护结构的塑性区和拉应力区的影响，因此其处治设计应重点减小这种不利影响。
参考文献
1 蒋树屏．我国公路隧道工程技术的现状及展望[J]．公路隧道，2000，(1)：1—5
2 丁浩等．岩溶地区隧道修筑关键技术探讨[A]．2004年岩溶地区隧道修筑技术专题研讨会论文集[C]．北京：人民交通出版社，2004．54-57
3 重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范(JTG D70--2004)[S]．北京：人民交通出版社，2004
《2005年全国公路隧道学术会议论文集》
(曹传林 丁 浩 叶志华)