摘要：由于工程地质的复杂性，隧道的设计选线上往往无法避免经过一些特殊地质段，更有甚者甚至整条隧道处在这种地质中，虽然现行公路隧道设计规范对其提出相关的工程措施，但是并无具体的设计参数。根据设计规范，结合依托工程的实际地质条件，类比我国隧道工程建设经验与技术，对隧道处于石膏和岩溶段进行优化。本文先根据现场实际情况提出优化设计参数，再对优化方案进行安全性、可行性分析，最后再通过现场监控量测验证调整。
关键词：公路隧道；设计优化；不良地质段；设计参数
1.引言
至今为止，我国的公路隧道基本采取新奥法作为设计和施工的方法，支护的施做步骤为先施加初支等变形稳定后再施加二衬。新奥法原理是充分利用围岩的自我承载力的特点，并且使用锚杆与初支共同作为隧道衬砌的柔性支护，采取现场监控量测的手段并使用测量得到的结果来控制围岩的变形，从而达到支护体系与围岩共同承受荷载的结构体系。但是对于本身无自稳能力的地段实施比较困难，例如当隧道处于岩溶段时，不仅会改变隧道围岩的工程地质条件和水文条件，导致强度等级降低，又或者当隧道处于石膏段中，由于石膏为亲水性软岩，本身具有遇水膨胀变软的性质对隧道的衬砌支护会有很大的影响，并且处理不当或者支护情况不理想，还会对隧道后期的运营产生安全隐患。现有的《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）中对特殊地段，如处于岩溶与石膏岩地层等不良地质段的隧道只提出了工程措施，但没有具体的设计参数建议。
本文根据隧道的具体工程地质条件，特别是对于处于不良地质条件段的隧道的工程地质性质，进行预设计优化研究，对工程建设具有特别的意义。
2.不良地质隧道研究设计施工现状
2.1 隧道岩溶及岩溶水
针对岩溶及岩溶水，由于岩溶及岩溶水发育的不规则并无规律性，国内隧道建设中也碰到大量的岩溶及岩溶水不良地质问题，也积累了一些工程经验，但岩溶及岩溶水是目前国内公路、铁路及市政道路隧道建设中最为棘手的难题。国内公路隧道建设者的主要应对方案是前期利用工程地质勘查手段力求初步查明岩溶及岩溶水的赋存条件，研究其发育宏观规律，初步预测岩溶及岩溶水发育区的空间位置，提供隧道建设期间需要重点关注的隧道段落；隧道初步设计及施工图设计阶段，在充分研究隧道岩溶及岩溶水的工程地质和水文地质情况的基础上，提出针对岩溶及岩溶水不良地质的处治预案，一般根据开挖中揭露的岩溶的空间位置、岩溶的围岩情况和地下水出露情况和隧道与地下暗河的空间交叉形态，采取注浆或回填封堵，回填加强隧道结构跨越和柱式基础加强结构跨越等方法；
2.2石膏岩及膨胀性岩层
对于石膏岩地层段和膨胀性岩层段的隧道建设技术，国际上对此可借鉴的资料相对较少，其主要研究的方向为膏岩的生存和存在的概率，近期主要的研究方向转移到了石膏对混凝土的腐蚀特性上，主要考虑到石膏对衬砌的危害机理、对隧道施工和运营产生的影响，通过对近期对处于不良地质带，石膏段围岩的隧道的建设和实际施工进行研究，展开对处于石膏段的隧道的施工技术、石膏段支护衬砌的腐蚀机理和混凝土配合比设计，但由于施工方法、石膏岩工程地质和建设标准的差异，其支护衬砌方案及参数差异较大，其一般根据主要工程地质条件，采用数值模拟与理论分析方法对隧道围岩稳定性进行研究，进而采用工程类比，拟定该不良地质条件下隧道的支护、衬砌方案及相关工程措施，制定该条件下隧道的综合施工方法。为应对石膏岩地层隧道建设开挖后产生较大的变形，一般采取增加初支预留变形量的方法，其具体措施为：在二次衬砌与初期支护间增设可吸收变形的轻质混凝土或其他材质的材料，保障隧道结构不产生较大的变形破坏。
3.石膏岩段支护衬砌参数优化方案
3.1 隧道石膏岩段预设计
根据该隧道穿过嘉陵江组四段石膏地层，该地层具有中～强膨胀性，隧道穿越该段时可能发生膨胀大变形，预设计施工采取“加固围岩，改善洞形，先柔后刚，先放后抗，变形留够，底部加强”的设计原则。采用信息化设计理念，开挖期间必须加强对现场围岩变形的把控，必须谨遵“动态设计，信息化施工原则”，增加预留变形量，加强超前支护和初支，仰拱加深，增强二次衬砌，石膏地层抗腐蚀采用高标号喷射混凝土和高标号二次衬砌，提高防腐蚀等级到 P8，加强隧道排水的工程措施，预设计处治对策主要有：①开挖期间必须加强对现场变形的把控，必须谨遵“动态设计、信息化施工原则”；②增加预留变形量，暂以 40cm 进行考虑，具体施工过程中可以根据石膏岩现场实际膨胀的变化来对其进行调整；③加强超前支护，超前支护主要使用 Φ42 小导管与 R76 自进式锚杆进行；④加强初期支护，使用 20b 密排工字钢进行封闭支护，长 4m 的 Φ25 锚杆采取中空注浆并对其进行全周布置。施工期间可以由现场监控量测反应的实际情况，如果初支的变形量增大并且导致初支开裂，针对该种情况的建议为布置纵向变形缝长度为10cm~15cm，间隔为 2m~3m。
3.2 支护衬砌方案优化方案
石膏岩段设计施工遵循“加固围岩，改善洞形，先柔后刚，先放后抗，变形留够，底部加强”的原则，采用信息化设计施工理念，施工时加强监控量测，增加预留变形量，加强超前支护和初期支护，加深仰拱，增强二次衬砌，采用高标号喷射混凝土和高标号二次衬砌抗腐蚀措施，结构防腐蚀等级到 P8，加强隧道排水的工程措施。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆隧道在开挖过程中出露石膏岩后，相关设计、施工、建设管理及专项研究单位分别在现场提取了石膏岩、硬石膏岩和脱水石膏岩样本，采取侧限自由膨胀膨胀试验、膨胀应力应变试验和膨胀力试验，试验结果表明相对于其它膨胀岩，石膏质岩膨胀速率非常缓慢，试验条件下完全膨胀需要几年的时间，其膨胀变形约 26cm，软化变形约 10cm，二衬需要承担的膨胀压力约 0.7MPa。通过混凝土腐蚀效果试验结果分析证明了详勘石膏具有强腐蚀性的结论。
综合分析设计阶段的勘察成果，结合现场施工揭露的石膏岩出露位置、地下水情况，根据出露石膏岩的补充试验成果，本次设计优化建议维持预设计施工提出的设计施工遵循“加固围岩，改善洞形，先柔后刚，先放后抗，变形留够，底部加强”的信息化设计施工理念。
4.岩溶及岩溶突涌水段支护衬砌参数优化方案
4.1 岩溶及岩溶水处治设计
（一）处治原则
针对该隧道岩溶及岩溶水的发育情况，结合目前国内的隧道工程建设经验，预设计阶段采取的处治原则如下：1）一般性岩溶水处理 坚持“以排为主，排堵结合”的原则。隧道中的排水一般是由盲沟将水导进隧底中央大排水沟中；为了防止由于岩溶水引起的灾害，在隧道施工的时候主要超前预报的方法为钻孔法与地质雷达预报，对于隧道湿度较大的地段主要以钻孔的方法为主，同时根据出水量的大小采取相应的处置措施，以及来保证能够安全施工。2）特殊地段的岩溶水处理 坚持“以堵为主，排堵结合”的原则。隧道主要穿过岩溶较为发育的峡背斜岩溶槽谷，并且盐井河段为水下隧道该段水量较大对隧道的施工影响较大，为了保证隧道施工与运营安全，降低因隧道建设而对周围环境产生不利的影响，该地段应采用“以排为主，排堵结合”的原则进行岩溶处治，对该地段需采取全断面注浆堵水，同时对后槽盐井河进行渠化防渗。
（二）溶洞的处理
隧道穿越可溶岩段时，可能遇到发育规模不一的大小溶洞。采取的对策主要有使用超前钻孔与地质雷达超前探测，对于隧道湿度较大的地段主要以钻孔的方法为主，并且由探测所反映的溶洞的规模以及可能对隧道造成的危害，应采取相应的措施进行处理。1）发育规模较小溶洞的处治 隧道开挖过程中如果遇到直径不大于 3m 的溶洞，其具体措施主要是以回填为主。2）发育规模较大溶洞的处治 隧道开挖过程中如果遇到发育程度较高并且直径大于 3m 的溶洞，依据溶洞在隧道分布的位置与填充物的种类和填充程度不同，主要由以下的方法进行处理：a.位于边墙以上的大溶洞，并且溶洞内部没有填充物，先对其洞壁使用喷射混凝土支护，对溶洞壁环向布置双Φ22 钢筋拱，两拱间隔 0.5m，在二衬施做完毕时，然后采取泵送的方式用 C25 混凝土厚度达到 1.5m。b.位于边墙上的大溶洞如果无法对洞内的填充物进行清理，应对溶洞使用φ42 超前小导管，间距为 35cm（环向）x2.0m（纵向），其余部分主要按照洞身处于五级围岩的浅埋段（S5a 型衬砌）设计图执行。在做好措施对溶洞的填充物进行开挖时应遵循“短进尺，弱爆破”的原则，在开挖过程中应该对洞壁安装 18 工字钢，两榀钢拱架间隔为 0.6m，具体施工步骤跟初支施工一样，二衬使用干净混凝土结构厚度为 60cm。c.位于边墙以下且规模相对较大的溶洞，应该对其采取的措施主要有回填，注浆，顶部加固使用砖基跨越等多种方式，具体的处置措施还需靠现场的实际情况来确定。
4.2支护衬砌方案优化方案
基于该隧道段下穿盐井河，可能存在岩溶裂隙岩溶、岩溶水，在高水头情况下，可能出现岩溶突水突泥灾害，基于此，施工中严格按照预设计的应对方案，加强TSP、地质雷达以及其它物探手段查明前方围岩工程地质情况，然后再爆破开挖掘进。
根据实际揭露工程地质条件和地下水的出露情况，根据信息化设计施工原理，提出如下的优化建议：①加强对掌子面做超前地质预报，主要采取的方式为钻孔法，并且对掌子面前方的地质变化与地下水状况进行详细分析，开展工程类比和计算分析，在施工安全及运营安全前提下对该段开挖方式、支护方案、衬砌类型及施工方案进行调整，施工期间时刻把握隧道的变形与初支和二衬的工作状态，并且保证每次开挖的地段已经被超前预报确定为安全区域。②进一步完善盐井河渠化工程，防止隧道运营阶段因地下水长期侵蚀对隧道上部及周围围岩的稳定性造成不利影响；③基于该隧道围岩相对较完整，地下水量不大，建议优化隧道支护方案及衬砌形式。④加强隧道排水，该段衬砌将原设计抗水压衬砌调整为“以排为主”的原则，环向排水盲沟及横向排水管纵向间距加密为 2m。⑤施工开挖建议采用分部开挖法，可考虑采用多台阶施工方法进行施工；
5.结束语
本文结合国内外地区不良地质（石膏和熔岩段）段隧道支护衬砌结构设计施工现状，对依托工程明月山隧道的典型不良地质情况，采用工程类比等方法对岩溶和石膏岩地层隧道段的超前支护、初期支护和二次衬砌等主要结构设计参数进行了研究，为相关工程的施工提供了参考。
参考文献：
[1]莫阳春，周晓军．达成高速铁路岩溶隧道围岩稳定性分析[J]．中国铁道科学．2008，（3）：52-57．
[2]王遇国．岩溶隧道突水灾害与防治研巧[D]．石家庄：中国铁道科学院 2010．
[3]林刚，罗世培，郭俊，等．膨胀岩土地层盾构隧道结构力学行为研究[J]．现代隧道技术，2011，48（3）：74-79．
[4]吴银亮，游亿财．石膏质岩区隧道混凝土侵蚀机理分析及配合比设计[J]．公路，2015（2）：239-242．
论文作者:谭诗1,李文娟2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/7
标签：隧道论文; 岩溶论文; 石膏论文; 围岩论文; 溶洞论文; 地质论文; 超前论文; 《基层建设》2019年第4期论文;