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铁路工程施工资料-隧道施工重难点技术方案及措施
第一节 岩溶地质隧道施工方案及技术对策
根据设计，本标段彭水隧道、 隧道、 隧道有岩溶地质问题，施工中将进一步做好地质预报，进一步从微观查明水文、地质岩溶位置、形态及分布等，预测出可能出现新的更复杂的水文、地质问题，拟定出详细施工方案及施工技术对策，并报经业主、设计、监理、批复后实施。
一、总体技术对策
岩溶隧道技术对策见图9-1-1。
二、预测预报
（一） 定性预测方法及步骤
采用地貌、地质调查与地质推理相结合的方法，进行定性预测。其具体方法及步骤如下：
第一步：收集区域地形、地质、水文地质资料以及铁路地质资料，通过这些资料分析区域岩溶地貌特征。
第二步：对隧道所处地区的地表岩溶地貌，区域内出露的溶洞、暗河以及隧道施工已揭露的溶洞的形态、规模、位置的调查，以及隧道的地质构造和岩性的调查，研究分析隧道所在地区的岩溶地貌规律，尤其是层状水平溶洞的发育规律，包括水平溶洞的层数，层的高程，各层溶洞的规模等。
第三步：预测溶洞形态．将隧道高程与区域内水平溶洞高程对比来确定隧道在地质历史时期曾经处的地下水动力带，据此预测隧道可能遇到溶洞的形态，及水平溶洞或竖直溶洞。
第四步：预测溶洞规模，根据本区域出露的同层水平溶洞的规模、隧道已揭露的溶洞规模和隧道各段的岩性、地质构造以及岩溶地貌发育的情况，推测隧道可能遇到的溶洞的规模。
第五步：预测溶洞的位置，根据隧道各段的岩性、地质构造以及地表岩溶发育的情况，推测隧道发育溶洞的位置或段落。
第六步：根据区域内暗河的纵剖面的形态以及地表暗河出入口的高程推算暗河在与隧道交叉处的高程，预测隧道是否遇到暗河以及暗河对隧道是否构成危害。
（二）地表钻孔探测
地表钻孔探测是溶洞地质隧道勘测和设计阶段常用的一种方法．探测的主要内容是溶洞的位置、溶洞形状，规模、岩溶及地下水发育情况、填充物成份及填充物状况等。
（三） 利用导坑超前预报
利用辅助导坑或正洞超前导坑为后步施工探明地质情况，以便采取正确的施工措施。其作法是在导坑开挖爆破后，从导坑开挖面外露的各种地质现象，包括岩性、岩层、岩溶裂隙的产状要素描绘在地质编录图上．通过编录工作，进一步揭示了隧道岩溶地段的地质详细构造。
（四） 洞内超前钻孔预探预报
在辅助导坑和正洞导坑开挖面布置超前钻孔，对前方短距离的地质进行预探，弥补了地面钻孔对规模较小裂隙岩溶位置、形态探查的不足，特别是对张性断裂或张性裂隙发育的陡倾角和近于直立的岩溶预探更为必要。即在导坑开挖面四个周边角上和中心处设5个梅花形布孔。钻孔方向呈放射状延伸到隧道周边外，孔深在35m以内，如探明前方无大溶洞时，一次掘进30m，掌子面预留5m岩盘，继续超前钻孔：若遇溶洞，可采取注浆、超前支护等堵水加固，如岩层较完整或岩溶不发育地段，则采取钎探，孔深大于2.5m。
（五）隧底岩溶预探预报
隧底岩溶是线路运营安全的重大隐患，施工中必须查明并予以整治．隧底岩溶可采用常规的隧底钻探或较先进的地温探查、电法勘探、地质雷达、瑞雷波勘探。
隧底探预测是根据事先测绘的地质资料布孔，对岩溶较发育和发育地段进行钻探。通过隧底大量探、物探、岩溶调查等综合手段取得的资料分析，查明隧底岩溶，以便采取相应的加固措施。
除了上述几种预探预报方法外，在隧道施工期间还须加强对地表河床、断裂薄弱地带、已塌陷坑及洞内施地质等观测，定期提出地质预报和决策建议，为制定岩溶整治方案提供依据。
三、对隧道岩溶段地下水的处理
（一）处理原则
对隧道岩溶段地下水的处理原则是宜疏不宜堵．为防岩溶水的突水涌泥，施工中采取超前孔探测，彭水隧道斜井施工，预备足够的抽水设备，彭水隧道进口设有平行导坑利用平行导坑排水，其他顺坡施工隧道作业面设置两侧排水沟进行施工排水，确保施工安全。
复杂情况下应采取截、堵、排、综合治水的措施，堵水时，只能改变水流方向。
（二）暗沟排水
隧道穿过无填充的空溶洞，如图9-1-2所示顶部常有水流下，沿溶洞水流通道由消水洞自排出。为不致因修建隧道后阻塞水流道路，在隧底修建石砌暗沟使溶洞水通过暗沟仍沿原有通路由消水洞自行排出。
图9-1-2 暗沟排水示意图
（三）涵洞、泄水洞排水
当溶洞自行排水通道不畅，地下水又很发育，不足以排除溶洞涌水时；为不使溶洞地下水危及隧道安全，在溶洞底设置涵洞和泄水洞系统排水．为引水汇排，对岩层进行了钻孔引水，隧道边墙及泄水洞相应地段预留泄水孔洞，以利引水，集中汇泄水洞排除。
（四）渗沟、铺砌排水
为保障水流畅通，隧底溶洞水流通道采用渗沟排水，明洞顶铺砌排水，将水引入溶洞另一侧，由溶洞自行排走，参见图9-1-3。
图9-1-3 渗沟、铺砌排水示意图
（五）注浆堵水，并加固围岩
1、施工原则
在岩溶地区铁路隧道建设中曾遇到大量岩溶突水涌泥现象，并诱发地表塌陷和水源枯竭。给施工和生产生活带来许多危害,对环境带来不利影响时，应采取注浆堵水。
注浆堵水是一项由软弱地层预加固技术发展而来的防治涌水灾害新技术，在松散软弱结构围岩、裂隙围岩隧道防水方面取得了显著效果。在岩溶地区铁路隧道水害处理中，亦可采用了注浆堵水这一新技术。
封堵岩溶水、固结岩溶流泥，洞内注浆优于地表注浆，预注浆优于地表注浆。因岩溶相互串通，与地表直接沟通，地表注浆往往造成浆液突破表土，漫铺地面，浪费极大；后注浆是在岩溶已被施工开挖揭露，特别是当发生涌水突泥之后所耗费注浆量极大。
2、注浆技术
注浆堵水加固围岩的施工方法一般分洞内和地表。洞内包括断裂岩溶富水带施工注浆和岩溶软塑状充填淤泥高压劈裂注浆，地表一般为深孔充填注浆。
a、断裂岩溶富水带施工注浆
浆液扩散半径：据堵水加固范围确定，遇大裂隙时适当调整。
注浆压力：按以下公式初算得出所需的压力值，然后按照注浆时的实际情况调整。
P=(0.02～0.05)HK(MPa)
式中H---受注点处至静水位的水柱高度(m)；
K---修正系数，一般取K=1.2～2.0
注浆量计算:Q=πR2Hnβ(m3)
式中R--浆液扩散半径(m)
n--岩溶裂隙率
H--注浆段长度(m)
β--浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.3～0.9。
注浆材料及配合比：注浆材料常用水泥、水玻璃双液浆，配合比根据现场试验选定．
注浆方式：采用前进式多次钻注法，即逐段反复加深钻孔注浆，直至设计长度。
注浆结束标准：一个区段由多孔组成，结束标准不以单孔控制，而以设计的区段控制。当最后一个孔的一次注浆压力达到设计值，并且该区段注浆总量接近设计量时，即可结束注浆。单孔注浆，以注浆压力的终值控制，当注浆压力达到设计的最终压力时，立即递减泵量，能保持设计最终压力时，即结束注浆。以止水为目的的注浆，注浆后的涌水量减少到20m3/h时，结束注浆。
b、岩溶软塑状充填淤泥高压劈裂注浆加固
劈裂注浆起始压力值的确定：
P0≥2rH+St
式中P0—钻孔内施加的流体压力
r--覆盖岩土容重
H--孔段处覆盖土高度
St--岩土抗拉强度，一般破碎围岩及软塑粘泥为0
因此，只要施加稍大于两倍于上覆盖岩土重的压力，就可使软塑粘泥劈裂．
劈裂注浆最终压力值的确定：按照岩溶软塑状充填泥在隧道洞身部位产生的地压力值的3.5倍确定。地压力值采用常用的经验公式P=13H(KPa)计算，H为隧道注浆部位的埋深（m）。
注浆量估算：按确定的注浆加固范围进行估算。
Q=Vna(1+β)
式中Q-----注浆量；
v———注浆固结范围的体积
n———固结土体内的孔隙率
a———固结土体的膨胀量：
β-----浆液充填系数；
注浆材料、配合比和胶凝时间选择：
注浆材料以水泥、水玻璃为主，适当掺入一些化学外加剂（速凝剂、缓凝剂）。配合比根据胶凝时间现场试验选定。胶凝时间，根据注浆情况调节，一般控制在3min～5min内。
注浆方式；采用封闭分段前进式注浆。每次钻注长度按5m～lOm依次递增。
注浆结束和质量检查标准：
注浆压力达到设计终压值时，稳定20min～30min，即可结束注浆。
注浆质量检查，采取在每个注浆工作面钻2～3个检查孔，取岩芯实验，拱部达0.2Mpa～0.25MPa，隧底达0.1MPa时为合格。
c、地表深孔充填注浆加固堵漏
注浆压力：
工作压力P=(1.2～l.5)Hr／10(MPa)
式中H---受注点至静水位的水柱高度
r---水的比重
注浆终压力:P=(2～3)Hr／10(MPa)
注浆量：每一个注浆孔注入量采用下式计算
Q=λπR2Hnβ／m
λ———浆液损失系数，一般取1.5：
R---浆液扩散半径：
H--—注浆段高，即充填加固层厚度；
n-—岩熔空洞率，根据涌泥坍方，地表陷坑情况进行考虑；
β———浆液在岩溶裂隙、空洞内的有效充填系数，一般取0.8
m———浆液结石率，一般取0.8。
注浆材料、配合比及凝胶时间：
注浆材料主要采用水泥、水玻璃双液浆，参入适量外加剂。配合比根据凝胶时间现场试验选定。胶凝时间一般为3min～5min。
注浆方式：采用分段式注浆，将需要注入充填加固层内的浆液分次钻注。为防止注浆孔孔壁坍塌和浆液注入时在地层中上串流失，在注浆层顶面以上每个钻孔用钢套管护壁，采取注浆孔孔口封闭止浆，当洞内出现串浆时，主要采取逐渐加大双液浆玻璃波美度。
注浆结束标准及质量检查：
在正常情况下，注浆压力由小逐渐增大，注浆量由大到小，当注浆压力达设计终压时，稳定20min～30min即可结束注浆。遇到大裂隙时，压力上不去，进浆量很大的情况下，经过浆液浓度的变换，仍达不到终压与注浆量的标准时，采取间歇注浆办法，待养护24小时后复注，以控制设计的注浆量和达到设计终压。
注浆质量通过钻孔并取岩芯，观察浆液充填裂隙的饱满程度，调节注浆参数。
四、小型溶洞的处理措施
对地下水不发育的小溶洞，采用浆砌片石或干砌片石回填处理，必要时压浆填充。
（一）浆砌封闭，回填压实
对隧道侧墙通过溶洞，经调查及雨季中考验证明溶洞水对隧道无影响时，施工中采用回填封闭处理。隧道底部用片石混凝土回填，靠边墙1m范围内用浆砌片石回填，其余回填弃碴，空隙吹砂填满，压注水泥砂浆胶结，参见图9-1-4。
图9-1-4 封闭（回填）处理图
图9-1-5 护拱防护处理图
（二） 隧道回填，上部护拱防护
当某隧道穿过垂直发育之溶洞，无充填物、干燥、溶洞高大，洞壁有溶实裂隙，但已停止发育。处理措施：在隧底以下部分用块石、碎石回填密实，距隧底1m厚度用浆砌片石回填，拱顶浆砌片石护拱厚1m，其上回填一定厚度于砌片石，以防溶洞有落石掉块时，起到缓冲作用，参见图9-1-5。
（三）换填片石，加强衬砌
在处理规模较小，沿裂隙发育的槽状溶洞时，溶洞有充填物。其处理措施为：拱部及边墙部位上的溶洞在衬砌外缘设1.0m厚浆砌片石，对隧道底部溶洞(如无充填物用洞碴回填)，向溶洞方向扩挖l.5m，回填浆砌片石，其上再作50cm厚混凝土，混凝土内设P43钢轨。
（四）隧底底板梁处理
对隧道底部为充填或有不需其它措施处理的小型空洞可采用底板梁加强衬砌通过。如图9-1-6所示，将隧道铺底或仰拱设计为平板型，在底板及边墙下部加设钢筋，灌注钢筋混凝土，共同形成钢筋混凝土梁。
五、规模较大溶洞的处理措施
（一） 支顶加固
支顶加固，通常采用的措施有，支承墙、柱、拱以及嵌补等。
1、支承墙加固
处理措施：清除填充物，用浆砌片石墙支顶加固溶洞项板；底部水流通路处设置涵洞，排泄溶洞水；隧道边墙留检查孔道，加防护铁路链 或栅栏等防护设施，以保安全，参见图9-1-7。
图9-1-6 底板梁处理图
图9-1-7 支承墙加固图
2、支承柱加固
处理措施:根据溶洞形态的不同，采用支承柱，嵌外加固溶洞项板，回填空隙并压浆加固溶洞基底，如图9-1-8。
支承柱采用圬工支承柱间隔加强顶板，以减少顶板悬空跨度，柱的间距根据顶板厚度和节理、溶缝发育情况，考虑稳定及受力条件确定。
对空洞采取混凝土基础的浆砌片石柱子以支顶加固后，进行隧道正常施工。
图9-1-8 支承柱加固图
3、拱桥支顶加固
对于因溶洞填充松散，不宜采用墙、柱支顶，回填加固不牢靠，采用注浆施工工程费用高，可采用钢筋混凝土拱支项加固，如图9-1-9所示。
4、挖孔桩支顶加固
处理措施：对大深度的溶洞，采取挖孔桩，桩底面嵌入基岩内，桩顶钢筋伸入钢筋混凝土底板内，与底板联成一体，如图9-1-10所示。
（二）跨越通过溶洞措施
如溶洞较大，堵塞或加固施工困难，不经济：或溶洞虽小，但有水流，又不宜堵塞；还有的溶洞深浚或充填物极松软，不易建造基础。在这种情况下，根据具体条件，采用从结构上跨越溶洞措施。
图9-1-9 拱桥支顶加固图
图9-1-10 挖孔桩支顶加固图
1、简支梁跨越
隧道衬砌采用拉杆拱、边墙梁结构。底部采用简支梁跨越通过。参见图9-1-11。
图9-1-11 简支梁跨越示意图
2、栈桥跨越
处理措施：采用钢筋混凝土板梁作底板，承托边墙。托梁分别支承于支墩和悬臂横梁上。悬臂横梁采用锚杆锚固于基岩内。施工简便，效果良好。参见图9-1-12。
3、拱桥跨越
处理措施：采用拱桥跨越溶洞并承托道床及墙拱衬砌。岩溶水通过拱桥引入泄水洞排出。
4、边墙拱跨越
处理措施：采用拱脚下边墙部位设混凝土拱跨越．拱内为防堆积物内挤，另设挡墙支挡。如图9-1-13所示。
图9-1-12 栈桥跨越示意图
图9-1-13 边墙拱跨越示意图
5、整体衬砌浮放，支托跨越
处理措施：采用封闭式衬砌整体浮放。溶洞堆积物块之间虽有空隙，但块石相互咬接较紧，底层暗河深，通道较小，溶洞断面下部收缩，有利于堆积体的稳定．本段采用封闭式钢筋混凝土整体衬砌直接置于堆积体上(称为浮放)．考虑浮放可能不均匀下沉，除堆积体孔洞用混凝土填充，并压注水泥砂浆加固基底外；衬砌采用钢筋混凝土结构，适当加大衬砌净空(根据堆积体情况，净空加高50m～lOOm，加宽40cm)．分节整体灌注，节间预留沉降缝。允许在不致破坏的条件下可以有少量下沉和歪斜。这种措施必须确认隧底的堆积体稳固可靠，具有相当的承载能力，不致发生较大范围陷落，以保证安全。
六、岩溶隧道的施工
（一）岩溶隧道支护
在裂缝发育的岩溶地段或大型充填式溶洞隧道施工中，除采用预注浆堵水加固外，还可采用管棚、小导管注浆、超前锚杆、钢架支撑、挂钢筋网、喷射混凝土强支护措施 。
（二）岩溶地段开挖
岩溶地段开挖分岩溶裂隙和溶洞充填物的开挖，其围岩条件应为软弱破碎，开挖方法应与软弱围岩隧道开挖相似。开挖遵循“预加固、短进尺、弱爆破、强支护、勤测量、衬砌紧跟”的原则。
单线铁路隧道一般采用正台阶法开挖方法，软弱围岩在开挖上半断面时，预留核心上，环形开挖，开挖后应及时支护。
双线或多线铁路隧道断面形状特点为宽度大采用CD法、CRD法、双侧壁导坑法。
开挖爆破时，严格控制药量，采用微振动控制厚破技术措施，降低对充填物的干扰，并施作临时钢架、临时仰拱等支护设施，及时封闭成环。
（三）岩溶地段衬砌施工
隧道岩溶地段衬砌均应有防排水措施。防排水应坚持以排为主或以堵为主的原则。衬砌结构宜采用封闭式或半封闭式的复合式衬砌。
隧道防治水的效果与地质情况、施工经验、技术措施、施工条件及防水材料性能等密切相关．衬砌采用防水混凝土，在地下水丰富地段施设防水层。
1、结构自防水
防水混凝土从自身材料、配合比和施工工艺上进行控制，防水混凝土的材质和配合比，是通过对砂、石、水泥等材料级配和水灰比的严格控制，使其密度高于普通混凝土，从而达到防水的目的，按P8防水等级掺入一定量的UEA膨胀剂，掺量通过配比实验确定。
防水混凝土施工的关键是如何保证其密实度，以满足抗渗要求。混凝土集中拌制，混凝土输送泵输送，液压衬砌台车连续灌注一次成型。插入式振捣器捣固，灌注时，作到以下几点：①分层灌注，每一层厚25cm，用插入式振捣器振捣密实，两侧对称同时从下向上灌注；②作业工作平台面，距灌注混凝土面，高度不超过2m，否则，用串简式滑槽配合；③减水剂倒入拌和机时，拌和机应正常转动。④每段混凝土应连续灌注，如间歇时间超过2小时，应按混凝土间歇施工规定，认真处理好工作缝，井注意养生：⑤灌注范围内如有止水带等防水设施，应事先作好准备，以免影响混凝土灌注。⑥拆模时不能损伤混凝土，以免降低防水性能。每次拆模后，对混凝土表面缺陷应立即整修。
2、混凝土施工缝是衬砌结构防水的薄弱环节，尽量少留施工缝。
施工缝防止，有两种方法，一种是改变施工缝的形式，在接缝处利用混凝土衬砌自身的特殊构造进行防水；另一种是安设止水带。
3、防水板的铺设
采用无钉铺设防水板工艺。
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