中铁二十局集团第四工程有限公司 山东青岛 264000
一、工程概况
贵州瓮马铁路位于贵州省黔南州福泉市和瓮安县境内，西邻川黔铁路、南邻沪昆铁路。本线自新设的姜家坪车站贵阳端引出，向北经老街、下穿改建的既有沪昆铁路右线后跨浪背后河，经王家寨、牛场、平定营后到达瓮安，全线建筑总长73.467公里，其中正线长64.91公里，改建既有沪昆右线5.638公里，新建联络线2.919km。全线共有桥梁39座长10.41km，隧道30座长31.51km，全线路基合计31.547km。
由中铁二十局集团四公司承建的黎山隧道进口位于福泉市马场坪办事处坪山村，出口位于福泉市金山办事处新庄村，全长1941m，为单线隧道，隧区属贵州高原中低山岩溶侵蚀地貌，岩性主要为深灰色灰岩，、夹灰黑色波状泥质条带灰岩和燧石灰岩，岩溶异常主要沿灰岩与下伏隔水层界面发育，区域分布有暗河，岩溶发育登记为强发育。
二、岩溶危害
隧道工程穿越岩溶地质地段具有危害大、预防难的特点，是目前隧道工程施工中尚未很好解决的难题。其主要表现是： 当施工冒然揭露岩溶时，有可能产生大量涌水涌泥或突水突泥，造成重大安全事故。轻的对生态环境造成影响，如引起水土流失、地面沉降、地表及地下水径流改道等，甚至会引起生态环境的改变；重则可能会引起洞毁人亡的灾难性事故，给项目带来重大经济损失。
要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防和控制隧道施工中的地质灾害。如塌方是制约隧道快速施工的最主要因素之一，而断层、岩溶是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象，也是引起隧道塌方的“罪魁祸首”之一。据不完全统计，由断层及断层破碎带、岩溶陷落柱等引起的隧道塌方占塌方总数的90％以上，可以说，隧道施工中发生的地质灾害，几乎都与断层、岩溶有关。
三、岩溶对隧道施工的影响
1、岩溶的定义：岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用；岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总和———喀斯特现象。
2、岩溶对隧道的危害主要有四种类型
1）洞穴的存在使隧道全部或部分悬空，将极大地降低隧道的使用安全可靠度；
2）岩溶水特别是可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用，影响隧道的使用寿命；
3）洞穴堆积物因松软易坍塌下沉，改变洞穴周边的应力分布形态，影响隧道的结构稳定；
4）隧道中地下水流失，使隧道顶部地面岩溶塌陷，导致环境地质被破坏，也是造成隧道结构不稳定的原因。
三、岩溶隧道超前地质预报
下面以岩溶地质隧道施工为案例，论述隧道工程穿越高压富水岩溶地质地段，施工安全风险控制的关键技术问题。
1、超前地质预报——多源协同预报原则
岩溶区涌水预报是施工地质预报工作中难度很大的预报，主要难在岩溶形态与分布的定量化确定难度大；地下水径流途径和运动方式确定困难，地下水储量及运动状态参数的获取困难几方面。因此，这一直是国内外施工地质预报的重点研究课题。
目前，地质预报方法主要是单一手段的孤立探测成果加预报人员的经验判断而进行的预报，具有很大的局限性，在复杂地质条件下的预报效果不佳。近年来，随着预报工程实践数量的增加和经验的积累，人们逐渐认识到，隧道施工地质预报工作需要采用多手段的探测方法作支持，各手段探测信息相互印证，取长补短，于是出现了多种物探+钻探的探测技术。但是，在预报方法上仍采用经验判断为主的方法，这种状况使得预报水平差距较大，因此，需要研究预报理论与预报方法相结合的载体。近年来发展起来的多源协同预报的思想以及相应的预报信息提取与处理技术，为这一目标的实现提供了一条途径。
岩溶的发育分布规律与可溶岩的分布、纯度、可溶岩与非可溶岩的接触关系、地质构造的发育分布规律、地下水动力条件（包括溶蚀、溶解、冲刷能力、赋存运移规律）密切相关。因此，弄清隧道穿越区岩溶发育分布规律，探索岩溶区隧道施工配套技术，制定施工预防措施，无疑对避免岩溶地质灾害发生有着重要的指导作用。
2、预报方法与手段
（1）管理原则及配套技术
将地质预测预报纳入工序管理。按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则，采用多源协同预报技术，将地质调绘与洞内物探、钻探相结合，对开挖面前方断层、节理裂隙、破碎带、接触带、地层含水性、地应力状况及岩性和围岩级别等进行预报。利用长短结合、上下对照、定性与定量相结合的办法以保证预报的准确性。采用配套技术进行地面及洞内工程地质及水文地质调查，结合勘察设计资料拟定预报分级管理标准，划分出重点不良地质区段；对重点预报区段采用宏观控制预报、准确预报、验证预报三级预报方法，保证施工安全。
（2）预报方法与手段
建议采用TSP203探测地质构造（断层、节理、裂隙），直流电法探测地下水，物探异常区采用RPD-150C钻机和YT-28风钻长短接合钻探进行地质验证。
①工作面地质素描预报
地质素描在隧道施工中全段进行，根据开挖段围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。提出注浆止水方案的建议。
②TSP203、直流电法仪超前地质预报
每开挖100m通过TSP203和YDZ型直流电法仪对开挖前进方向进行中长距离预报。
TSP203对平直状地质界面（断层、节理、裂隙）的空间位置探测效果较好，准确率通常在80%左右，探测范围在隧道轴线方向可达百米，横向探测范围通常在40～50m。直流电法对地下水具有较好的探测效果，有效探测距离一般不超过85m。
③工作面超前地质钻孔探测预报
钻探法是迄今为止地质预报最为直接、最为可靠的方法。
在隧道施工通过岩溶、断层破碎带时，每开挖一段（30m左右），利用RPD-150C钻机采用钢丝绳取芯工法超前钻孔对开挖前进方向进行30～50m的钻探。该钻机适用于各种不同地层的岩芯取样；使用一个取样器即可完成任何地层的取样作业；钻孔取芯比一般钻机快5-6倍；不需要撤钻杆就可取芯，钻杆可起到防止孔壁坍塌的套管作用；可以垂直方向和水平方向钻孔取样。施工中结合超前探测结果的异常段，增设钻孔。利用YT28钻机进行5m长的常规钻探，对洞身前方进行全方位空间探测，探孔成放射形布设。
四、岩溶高风险隧道防坍、防突技术
1、隧道突泥突水判断标准
按照充足理由律，突出必须同时具备以下三个条件，才能形成：
①溶腔内存在“大体积的可流动性充填物”。小体积无妨——不具有破坏能力，充填物不具有流动性无妨——不具有势能、动能转化条件。
②“高势能且有流动通道”。溶腔处于低位及无流动通道无妨——不具有势能、动能转化条件。
③“短时间”内涌出。若能控制排放，延长涌出时间，小动能也不具有破坏能力。
“大体积，高势能”（包括流动性与通道）是地质状态，是必要条件，短时间涌出是充分条件。探明地质，识别必要条件，“留下石门，锁住出口，控制处理”是为了消除突出的充分条件。
2、将地质预测预报纳入工序管理
突出往往与冒撞冒进相联系，短时间内巨大能量被释放，现场施工人员避之不及，先脱衣后脱皮，惨剧就这样形成了。防突必须杜绝冒撞冒进，超前地质预报是基本手段。施工现场成立专家组，专门对地质预测预报及重难技术问题进行联合攻关，按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则组织施工。
隧道穿越岩溶区的地质预测预报工作，主要是对开挖面前方地质条件的预测，对断层、长大节理裂隙、破碎带、接触带、地下水状况以及岩性和围岩等级进行预报。
将超前地质预报工作纳入工序进行管理，是隧道施工安全的制度保证。方法上，物探与钻探相结合，是准确无误地探明前方地质状态的技术保证。“留下石门，锁住出口，控制处理”是隧道施工防止突出的重要手段。
3、制定针对性的施工方案
溶洞处理一是方案难制定，二是难实施。
溶洞的大小、规模、发育、充填性以及与隧道的相对关系，这些边界条的排列组合，保守计算大于十的二十三方，是一个天文数字。而这些因素恰恰又是制定岩溶处理方案、判断突出条件的重要依据。由于溶洞的边界条十分复杂，决定了处理经验的可复制性是一个小概率事件。也就是说，溶洞处理方法虽有规律可循，但经验不可简单复制。准确、先进的地质预测、预报手段对于溶洞的处理非常重要，探测结果越准确，越有利于作出科学判断，制定针对性的处理措施。如果对地质情况认识不清，措施不当，就会走弯路，甚至带来安全风险。
3、处置方法
(1)、洞口岩土交界面溶槽、溶坑、石牙状溶蚀地层段的处理
①、施工前弄清岩土交界面的岩面起伏状况及其与隧道的空间关系。当地质条件复杂时，提出详细的岩溶地质补充探测建议，对前方不良地质情况进一步探明。在对地质条件有充分了解的基础上，制定安全、切实可行、经济合理的施工方案。
②、在岩土交界面起伏多变段，加强隧道开挖轮廓线周边岩体厚度的探测，探明隧道开挖轮廓线周边岩层厚度、自身强度、节理裂隙发育情况，在保证围岩稳固的情况下方可采用石质围岩支护参数。
③、在岩土交界面起伏多变段，当难以保证开挖后围岩自稳的情况下。采用大角度超前小导管预注浆、洞内超前帷幕注浆等措施，在地形条件允许的情况下可采用地表注浆的方式加固围岩。
④、岩土交界面对隧道开挖后围岩自稳能力有影响的地段遵循“强支护、弱爆破”的方式，尽量减少开挖引起的围岩扰动。
⑤、加强溶洞相对隧道处于不同方位的溶洞探测，对溶洞处于隧道边墙以下、仰拱一下位置而对隧道结构有影响时，可采用封闭仰拱、注浆回填、换填等处理措施。
(2)、洞身岩溶发育段处理
隧道洞身段溶洞分布可能主要有以下六种形式：拱腰以上小溶洞、基础及路面下小溶洞、边墙溶洞、拱腰以上无填充物大溶洞、拱腰以上有填充物大溶洞、基础及路面下大溶洞。分别采用图1～图7所示七种方案进行处理。
图4:拱腰以上无充填物大溶洞 图5:拱腰以上有充填物大溶洞
(3)、岩溶高风险隧道施工管理
隧道施工通过溶洞发育强烈、暗河体系复杂、高压富水岩溶地质段时，对物探异常区必须采用超前钻探，依据“突出判断标准”首先确认地质状态是否具有突出的必要条件，再针对性地制定处理方案。
理念要正确、意识最重要、方法要有效、手段是基础、制度是保证。
参考文献：
[1]《铁路隧道工程施工技术指南》（TZ204-2008）；
[2]《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）；
[3]《铁路隧道超前地质预报技术规程》（Q/CR 9217-2015）；
[4]《铁路隧道防排水施工技术指南》（TZ331-2009）；
[5]《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）；
[6]《铁路隧道施工抢险救援指南》（Q/CR9219-2015）；
论文作者:赵善军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/30
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