1 概述
1.1 研究背景及必要性
地球上約有15%的地形是喀斯特岩溶地貌，我國是世界上岩溶分布面積最廣的國家之一。在我國，岩溶分布縱深橫廣，除了形成北方以山西為中心、西南以貴州為中心的兩片面積矚目的岩溶高原外，還有著更為廣闊的地理環境跨度。由北緯30的南海礁島直到北緯480的小興安嶺地區；由東經740的帕公尺爾高原直到東經1220的台灣島；由青海鹽湖直到東部海濱，均分布著岩溶地貌，已見於23省區，其中大部分分布於東部地區的桂、粵、黔、湘、贛、川、鄂等省區。
在我國境內，可溶岩分布面積可達340萬平方公里，約佔我國國土面積的1/3。其中，裸露於地表的碳酸鹽岩面積為9.1萬平方公里，接近我國國土面積的1/10。
如此廣闊的岩溶分布面積，嚴重影響著我國交通基礎設施的建設與發展。據統計，截止到2023年底，我國已建成長大隧道63座，其中隧道洞身穿過岩溶地層的有26座，佔長隧道總數的41.27%。
在這26座工大隧道的修建過程中，幾乎不同程度地遇到了惡劣的地下岩溶突水、突泥災害。
xx隧道位於xx市，是典型的喀斯特岩溶地區，隧區隸屬低山溶蝕峰叢地貌，圍岩型別大部分為ⅴ級，為石炭系大塘組燧石灰岩，灰岩，弱風化，屬ⅴ級次堅石，溶蝕強烈，地表灰岩溶溝，溶槽，溶隙發育呈峰叢，峰林狀，多處見溶洞，地質情況複雜，溶岩發育強烈，施工中容易出現岩溶塌陷引起的洞內塌方及湧水突泥等地質災害，施工難度大。如何規避岩溶隧道工程災害的發生，控制地面坍陷和地表沉降是本隧道施工中亟待解決和技術難題。
我公司雖有過多條隧道施工的經歷，但在岩溶地區進行隧道施工尚屬首次。因此，以xx隧道為依託工程，對岩溶地區隧道施工技術立項進行專題研究，就本工程而言，不僅在確保工程安全優質高效施工、降低工程成本上具有十分重要的作用，對提公升企業的技術水平、增強核心競爭力和社會信譽度亦有非常重要和積極的意義；同時，伴隨著國家高速鐵路的快速發展，隧道工程在施工中比例的增加，如能總結出一套較為成熟的技術與工藝，對今後的類似工程必將起到良好的指導作用。
1.2 國內外研究現狀
岩溶問題是乙個世界性的課題，在各國在工程建設中，均遇到了各種各樣的岩溶地質災害。國內外對於岩溶隧道的研究，在岩溶成因、探測預報、工程處治措施等方面做了較深入的研究，但探測預報精度還是不高，岩溶處治無系統可行的措施。
21世紀是我國向西部開發的世紀，也是人類將地下空間作為資源開發的世紀。我國又是多山國家，三分之二的國土由不同型別的山脈、高原組成。我國「西部大開發」戰略的實施、鐵路公路交通工程、水電工程、南水北調工程、各種礦山工程以及軍工防護工程等的大發展，都離不開大量隧道、隧洞的修建。
由於隧道、隧洞都處於地下各種複雜的水文地質和工程地質岩體中，因此對各類岩溶問題的處理尤為顯得關鍵。
1.3 課題依託的xx隧道簡介
隧道全長408m，進出口里程為dk626+672～dk627+080，全隧均位於右偏曲線上，雙線線間距4.6m，隧道縱坡為單面上坡，坡度2.3‰。
設計行車速度250km/h，重型軌道有砟道床。進出口均採用接長明洞，洞門採用斜切式洞門。採用出口獨頭掘進，棄碴用作路基填料。
隧道穿越一座孤峰山體，進出口基岩破碎，坡面危岩落石分布；洞身基岩為灰岩，節理發育，水質無侵蝕，埋深較淺。進出均採用接長明洞（進口明洞長25m，出口明洞長60m）和洞頂設定0.4×0.
6m的m10漿砌片石截水天溝，邊仰坡採用錨噴和骨架護坡進行防護，在天溝外側5公尺處採用防護網進行山體危岩落石防護。
隧區隸屬低山溶蝕峰叢地貌，地形起伏大，高程125～210m，相對高差20～85m，山體坡面植被發育，主要為松樹，自然坡度10o～45o, 區域性為陡壁。基岩零星出露。隧道進口段傍山而行，存在一定地形偏壓。
隧區內地表水不發育，地下水型別主要為孔隙水，基岩岩溶裂隙水，測區地下水位低，大部分鑽孔無水位。雨季下暴雨時可能發育管道水，隧道施工可能存在短時的湧水湧泥現象。
1.3 主要研究內容及研究目的
1.3.1 主要研究內容
（1）岩溶地區隧道特點
（2）洞身開挖方法
（3）隧道超前地質預報
（4）岩溶處治技術
（5）監控量測實施
1.3.2 研究目的
通過研究，解決和掌握岩溶地區隧道施工的關鍵技術和關鍵工藝問題，特別是研究岩溶綜合探測預報技術的應用，以提高預報精度。針對岩溶的型別、規模制定系統可靠處治措施，保證隧道的施工。掌握和積累在該條件下的隧道施工經驗。
鍛鍊一批技術人才，並將指導以後類似工程的施工。同時填補公司在此方面的空白。
2 岩溶地區特點及岩溶隧道施工中常見病害
2.1岩溶的定義
岩溶（karst）譯喀斯特。源於前南斯拉夫的乙個地名。
岩溶指可溶性岩石，特別是碳酸鹽類岩石（如石灰岩、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，有時並加以沉積作用而形成的地貌。往往呈奇特形狀，有洞穴、石芽、石溝、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此種地貌地區，往往奇峰林立。
通常指岩石裸露、草木不生、具有洞穴、落水洞、地下河而缺乏地表河流和湖泊的地區。是地下水對可溶性塊狀石灰岩溶蝕的結果。
2.2岩溶的形成條件
促使喀斯特發育的條件是︰
1.具有可溶性岩層；
2.具有溶解能力和足夠流量的水；
3.地表水有下滲，地下水有流動的途徑。
三者缺一不可！
2.3形成過程
地表水在運動過程中對所經過的沉積物或岩石有著重要的侵蝕作用，既包括水動力作用下的碎屑物搬運，又包括水對岩石或沉積物的化學溶蝕作用，還包括碎屑物在搬運過程中的磨蝕作用。喀斯特地貌就是地下水對碳酸鹽岩侵蝕作用的結果。在水流作用下，形成陡峭的海岸、彎曲的溝壑、高高的冰蝕懸谷、氣勢磅礴的大峽谷。
「滴水穿石」也是水的化學侵蝕作用的寫照。
溶洞的形成是石灰岩地區地下水長期溶蝕的結果。石灰岩的主要成分是碳酸鈣（caco3），在有水和二氧化碳時發生化學反應生成碳酸氫鈣[ca(hco3)2]，後者可溶於水，於是有空洞形成並逐步擴大。這種現象在南斯拉夫亞德利亞海岸的喀斯特高原上最為典型，所以常把石灰岩地區的這種地形籠統地稱之喀斯特地形。
2.4形態（表現形式）
1）地表水沿灰岩內的節理面或裂隙麵等發生溶蝕，形成溶溝（或溶槽），原先成層分布的石灰岩被溶溝分開成石柱或石筍。
2）地表水沿灰岩裂縫向下滲流和溶蝕，超過100m深後形成落水洞。
3）從落水洞下落的地下水到含水層後發生橫向流動，形成溶洞。
4）隨地下洞穴的形成地表發生塌陷，塌陷的深度大面積小，稱坍陷漏斗，深度小面積大則稱陷塘。
5）地下水的溶蝕與塌陷作用長期相結合地作用，形成坡立谷和天生橋。
6）地面上公升，原溶洞和地下河等被抬出地表成乾穀和石林，地下水的溶蝕作用在舊日的溶洞和地下河之下繼續進行。雲南路南的石林是上述第一階段（溶溝階段）的產物，這裡的自然風光因阿詩瑪姑娘的動人傳說而變得格外旖旎。桂林的象鼻山，則是原地下河道出露地表形成的。
在廣西境內，經常可看到這種抬公升到地表以上的溶洞，俗稱「神女鏡」或「仙女鏡」。
由於岩溶發育的控制因素錯綜複雜，發育的形態千姿百態，以及岩溶發育的不均衡性和不規則性，給岩溶隧道的施工帶來一系列困難：富水高水壓地段的隧道襯砌設計很難把握，施工中的突水、突泥對施工安全和進度造成很大威脅。
特長隧道岩溶問題是國內外隧道施工中的重大難題。多年來，我國在鐵路、公路、水工隧道施工中均遇到了岩溶突水、突泥、頂板溶洞充填物陷落冒頂、底板塌陷等問題。國外在歐洲阿爾卑斯山隧道及其它一些越嶺隧道也發生過類似問題。
我國在西南修建的貴昆、成崑、襄渝鐵路等均遇到大量岩溶問題。貴昆鐵路梅花山隧道施工中遇到地下河及大型溶洞，最後只有在隧洞中修隔水牆，阻截暗河。
襄渝鐵路大巴山隧道在通過寒武統石龍洞灰岩含水層時，突然揭露一溶洞引起突泥、突水事故，最大湧水量15萬方/天，中斷施工3個月。
京廣鐵路大瑤山隧道的岩溶突水形成泥石流，給營運造成長期的危害。
京珠高速公路石門坳隧道右線在施工過程中，因對前方地質資料掌握不足，開挖遇到溶洞災害，引發大涌水造成停工等一系列損失。
廣安-重慶高速公路華鑑山隧道施工中多處發生岩溶突水突泥，引起兩條地下河的灌入。
渝懷鐵路圓梁山隧道發生特大岩溶湧水，對施工造成極大的影響。
通過以上實際施工隧道的情況，岩溶隧道施工主要問題歸納如下：
1、隧道施工中的突泥、突水問題；
2、隧道施工中頂板溶洞充填物陷落冒頂；
3、隧道施工中底板塌陷。
以上三種情況均在xx隧道中出現，其中底板塌陷採用了高壓旋噴樁加固，避免了仰拱底沉陷。
岩溶隧道施工中的處治原則總結歸納如下：繞、截、排、堵（填）越與分部開挖，強支護相結合的原則，同時配以超前地質預報與圍岩監控量測。
2.6.1繞施工繞行
施工中遇到特大和一時難以處理的溶洞，為使工程不陷入停頓，可以通過設計院組變更繞行通過。xx隧道為一座孤山不存在特大溶洞，此方法沒有用到。
2.6.2截：攔截地表水
當地表自然溝床，匯水窪地發現有溶穴、漏斗等情況為隧道地下水補給**，且補水量隨季節變化，則採用攔截措施。施工中在洞口處設定了環形天溝。
2.6.3排：引排地下水
當隧道掘進遇到溶洞有流水時，宜排不宜堵。首先調查水源、湧水量、流向等，引排為主，截引相結合，將地下水排出洞外。xx隧道地下水量不大。
2.6.4堵（填）
對於隧道施工中出現的溶洞體積不大，且無大量滲水，採用此方法。可注漿、壓注混凝土、吹沙填充等方式。此方法為xx隧道主要處理溶洞的方法。
2.6.5越
當溶洞較大時，可採用梁拱跨越。
2.6.6分部開挖，強支護
施工中基本上採用三台階七步開挖法，做到了分部開挖與強支護。
2.6.7地質預報
專案部請湖南中大設計院****為我xx隧道做地質預報的檢測工作，有效的預報前方掌子面的地質情況。並且是多種預報方式相結合，主要有：地質調查法、**波、地質雷達、超前探孔。
2.6.8圍岩監控量測
監控量測是隧道安全的眼睛，專案部成立了專門的監控量測小組，實際現場人員有3人，配齊相關測量裝置如全站儀、收斂儀、地質羅盤等。監控量測的結果有效的指導了施工，同時也有效提供了岩溶地質條件下，處理溶洞等幫助很大。
課題研究報告
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