CN114198106B - 一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道施工方法，具体涉及一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，包括如下步骤：(1)结合上覆土层溶洞特性探测影响隧道溶洞的发育情况；(2)根据隧道周边环境、天气条件及影响隧道溶洞的发育情况，确定溶洞处治措施；(3)进行隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况验证及修正所记录的溶洞发育情况，及时调整溶洞处治措施与设计参数，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于上覆土层溶洞的灾害特征，根据不同溶洞规模、空间位置、充填物类型、形态及天气条件、隧道周边环境等采用不同的溶洞处治措施。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道施工方法，具体涉及一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法。
背景技术
溶洞是一种发育在可溶岩地层中的岩溶形态，根据溶洞洞顶可溶岩残存情况(以下简称：形态)可分为开口式、闭口式两种形态，其中开口式溶洞顶板岩体极薄或部份、或全部已崩塌，多与上覆第四系土层(以下简称上覆土层)直接连通。
交通隧道施工遇到溶洞时，现有的溶洞处治技术主要根据地质勘探和施工地质预报提供的溶洞规模、溶洞空间位置和充填物类型确定技术措施，其中对于大型(＞50m3)充填溶洞处于拱部、边墙时，采用超前大管棚或地表注浆等措施进行超前处理；对于大型溶洞的其他情况和小型溶洞(<50m3)主要采用清理、封闭、回填的措施进行后处理，现有的溶洞处治技术未考虑溶洞与上覆土层的连通性，不适用于上覆土层的溶洞处治，导致隧道在穿越上覆土层溶洞区施工时经常出现小型溶洞充填物连同上覆土层大量涌入隧道、地表发生大范围沉陷的灾害，严重危害洞内施工人员、机械设备和周边环境的安全。
因此，开发一种新穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基础。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，给出上覆土层溶洞处治的判别指标与地质勘探方法，根据不同的灾害特征确定溶洞处治措施，解决穿越溶洞区隧道施工时风险因素现场判别不准确和溶洞处治措施不适用的问题，提高隧道穿越溶洞区施工安全防控能力。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，包括如下步骤：
(1)结合上覆土层溶洞特性探测影响隧道溶洞的发育情况；
(2)根据隧道周边环境、天气条件及影响隧道溶洞的发育情况，确定溶洞处治措施；
(3)进行隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况验证及修正所记录的溶洞发育情况，及时调整溶洞处治措施与设计参数；
所述影响隧道溶洞的发育情况包括溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型及溶洞形态，所述溶洞形态根据其顶部岩体的状态分为开口式和闭口式两种形式。
在本发明中，作为一种改进，所述步骤(1)中探测包括：
(1)根据详勘报告与施工超前地质预报，初步确定影响隧道溶洞的里程范围；
(2)对初步确定的溶洞里程范围进行补充地质勘察，进一步确定影响隧道溶洞的发育情况。
在本发明中，作为一种改进，所述影响隧道溶洞是指侵入隧道开挖轮廓线或岩盘厚度不足2m的溶洞；
确定影响隧道溶洞的里程范围采用如下步骤：
(1)确定影响隧道溶洞的水平方向外轮廓投影；
(2)将影响隧道溶洞的外轮廓投影沿隧道轴向向两侧外扩20m，构成影响隧道溶洞的里程范围。
在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中的隧道周边环境是指影响隧道溶洞的外轮廓外侧30至50m范围内的地上、地下构筑物、建筑物或管线。
在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中天气条件是指隧道溶洞处治施工前7日内的隧址区降雨情况，所述降雨情况包括降雨量和降雨时长。
在本发明中，作为一种改进，溶洞形态为开口式的溶洞处置措施中，超前大管棚及超前小导管仅在影响隧道溶洞发育范围内布置，所述超前大管棚穿过溶洞并保证入岩深度至少2.5m，注浆半径大于等于0.3m，两相邻超前大管棚的注浆圈至少搭接0.1m。
在本发明中，作为一种改进，所述补充地质勘察是指，综合采用物探法及钻探法，并结合工程地质测绘及野外地质调查，勘察隧道外轮廓两侧5m范围内溶洞。
在本发明中，作为一种改进，所述钻探法的钻探点数量根据溶洞规模确定，钻探点穿过影响隧道溶洞进入基岩3～5m。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)现有的溶洞处治技术的依据主要为溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型，未考虑上覆土层、天气条件和周边环境因素的影响，本发明基于上覆土层溶洞的灾害特征，根据不同溶洞规模、空间位置、充填物类型、形态及天气条件、隧道周边环境等采用不同的溶洞处治措施。
(2)现有技术获取溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型等指标的手段主要为地勘报告、超前地质预报和掌子面开挖揭露，施工单位技术人员多依靠经验开展工作并对指标进行判断，难以保证勘察工作的规范性和指标的准确度。本发明根据隧道工程的实际施工作业流程，提出了溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型及溶洞形态四个指标的两阶段勘察方法，并给出了物探法及钻探法的技术要求，规范了影响隧道溶洞情况的勘察工作，为溶洞处治措施的确定提供了准确的依据。
(3)闭口式溶洞与开口式溶洞的灾害特征不同，开口式溶洞灾害具有隐蔽性强和危害性大的特点，而现有的溶洞处治技术并未考虑溶洞形态，本发明结合现有溶洞的形态特点，针对开口式溶洞，纳入了隧道周边环境及天气条件两个指标，采用超前小导管、超前大管棚或地表注浆等措施分类进行超前处治，有效防止了开口式溶洞灾害的发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明隧道的断面示意简图；
图3为本发明隧道的平面示意简图；
图中：1、隧道轮廓线，2、影响隧道溶洞的侵入轮廓线，3、影响隧道的开口式溶洞；4、上覆土层；5、不影响隧道的闭口式溶洞；6、影响隧道的闭口式溶洞；7、隧道；8、溶洞。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，具体包括如下步骤：
(1)结合上覆土层溶洞特性探测影响隧道溶洞的发育情况。
(2)根据隧道周边环境、天气条件及影响隧道溶洞的发育情况，确定溶洞处治措施。
(3)进行隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况验证及修正步骤(2)确定的影响隧道溶洞发育情况，及时调整溶洞处治措施与设计参数。
所述步骤(1)基于各种勘探方法的特点及在施工中的可用条件将探测分为两阶段：
第一阶段，根据详勘报告与施工超前地质预报，初步确定影响隧道溶洞的里程范围，所述里程范围如图3示意，所述影响隧道溶洞是指侵入隧道开挖轮廓线或岩盘(溶洞与隧道之间的岩体)厚度不足2m的溶洞，如图2所示。
第二阶段，对初步确定的溶洞里程范围进行补充地质勘察，确定影响隧道溶洞的发育情况。
第一阶段中，所述溶洞的里程范围确定包括：
首先，根据详勘报告与施工超前地质预报确定溶洞的外轮廓，将其投影至水平面，构成水平投影。
其次，将外轮廓水平投影沿隧道轴向向两侧外扩20m，构成影响隧道溶洞的里程范围。
所述第二阶段的补充地质勘察采用物探法及钻探法，并结合工程地质测绘及野外地质调查，勘察隧道外轮廓两侧5m范围内溶洞，所述综合采用物探法及钻探法是指，首先采用物探法估计影响隧道溶洞的发育情况，然后钻探法验证影响隧道溶洞的发育情况，并根据钻探法成果修正物探法图谱解译成果。
结合隧道实际施工流程，补充地质勘察采用详勘报告-洞内长距离物探-地表物探-洞内近距离钻探的递进方式开展工作。
溶洞的发育情况包括溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型及溶洞形态，所述溶洞形态根据其顶部岩体的状态分为开口式和闭口式两种形式，开口式溶洞指溶洞顶板岩体极薄或部份、或全部已崩塌，开口式溶洞与其上部的上覆土层相连，内部大多为半填充或填充型。
如图3所示，所述隧道周边环境指影响隧道溶洞的外轮廓向外扩展30至50m范围内的地上、地下构筑物、建筑物或管线等，所述溶洞处置措施需考虑隧道周边建筑物的影响，例如当隧道上方的地表附有建筑物时，地表的沉降或部分塌陷都会对建筑物造成严重影响。
所述天气条件为隧道溶洞处治施工前7日内的隧址区降雨情况，所述降雨情况包括降雨量和降雨时长。
通过系统性探测得出以上溶洞指标，根据溶洞指标确定处治措施，其中，所述开口式溶洞的处置措施如下表所示：
开口式溶洞处理措施
□代表：影响隧道溶洞外轮廓水平投影外侧30～50m范围内的无地上、地下的构筑物、建筑物或管线。
※代表：影响隧道溶洞外轮廓水平投影外侧30～50m范围内的有地上、地下的构筑物、建筑物或管线，并且当溶洞引发地表塌陷灾害时，隧道周边环境将受到明显影响。
*代表：该技术措施在隧道周边环境为※且具备实施条件下采用。
·代表：隧道溶洞处治施工前7天隧址区没有较长时间的中雨及以上级别降雨或长时间的小雨天气。
…代表：隧道溶洞处治施工前7天隧址区有较长时间的中雨及以上级别降雨或长时间的小雨天气。
所述的超前大管棚、超前小导管的布置范围应根据影响隧道溶洞的规模和空间位置确定，仅在影响隧道溶洞发育范围内布置。
所述的超前大管棚的注浆半径不小于0.3m，长度应穿过溶洞并保证入岩深度至少2.5m，两相邻管体之间，由注浆孔形成的注浆圈应至少搭接0.1m。
当溶洞内充填物含水量较大或隧道溶洞处治施工前7日隧址区有较长时间的中雨及以上级别降雨或长时间的小雨天气时，超前大管棚间增设超前小导管加强，保证预支护体系的强度与刚度。
所述闭口式溶洞无需考虑上覆土层连通影响，采用现有溶洞处治技术即可，依据为溶洞规模、空间位置和充填物类型。
溶洞开挖揭露情况是指隧道掌子面开挖揭露出的溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型和溶洞形态。
实施例一：喀斯特地貌区公路隧道，基岩岩性为石炭系上统马平组(C3m)灰岩，上覆土层为第四系含岩屑红黏土，层厚为3.0～6.0m，详勘阶段多处钻孔揭露到溶蚀沟槽、溶洞、空洞等岩溶现象，岩溶强烈发育，施工方法的技术方案包括如下步骤：
(1)根据详勘报告与施工超前地质预报情况，初步确定了影响隧道溶洞的里程范围为DK2+070～DK2+175。具体确定过程如下：
1)根据详勘报告中钻探与物探情况，隧道出口DK2+100+DK2+150段溶蚀沟槽发育，岩体内节理裂隙发育，隧道埋深约25～30m。
2)隧道出口工区施工过程中，在DK2+230断面向小里程方向采用TSP203Plus仪器对前方150m(DK2+080～DK2+230)范围的围岩节理裂隙破碎带、岩溶状况、断层分布以及地下水发育等工程地质及水文地质情况进行探测，估测前方DK2+090～DK2+155段发育岩溶溶腔或岩溶裂隙等不良地质体。
3)DK2+090～DK2+155段两侧外扩20m，初步确定影响隧道溶洞的里程范围为DK2+070～DK2+175。
(2)对DK2+070～DK2+175进行补充地质勘察，综合采用洞外、洞内钻探法与物探法，结合工程地质测绘、野外地质调查等综合方法，进一步确定了影响隧道溶洞发育情况和隧道周边环境。补充地质勘察具体步骤为：
1)对初步确定影响隧道溶洞的里程范围DK2+070～DK2+175，在地表进行高密度电法勘探，以隧道左线中轴线为基准线共布置3条测线，线距20m，点距20m，测线长105m(DK2+070～DK2+175)，估测：DK2+070～DK2+110里程段，多个溶洞位于隧道上方，距离约10～15m，溶洞黄泥充填或半充填，宽约4m～6m、高约3～4m不等；DK2+130～DK2+140里程段，溶洞侵入隧道拱部，呈条带不规则体，宽约3～5m，高度方向不规则延伸至覆盖层，与覆盖层有物质交换联系；其他里程段岩溶裂隙、溶槽，规模较小。
2)隧道掘进至DK2+150断面，掌子面施工3孔超前水平钻探(30m)，探测到溶洞充填物为黄泥，溶洞高度无法探明，宽度小于5m、长度约为6m。
3)根据超前水平钻探结果对物探法图谱解译成果进行修正，最终确定影响隧道溶洞为大型规模、充填黄泥、开口形态、发育在隧道拱部左侧，里程为DK2+134～DK2+140。
4)通过野外地质调查发现，隧道DK2+134～DK2+140段地表地势高低起伏，植被茂密，为国家森林公园境内，DK2+130处正上方地表南侧20m有1座110kV高压电塔。
(3)根据周边环境、天气条件及影响隧道溶洞发育情况，确定溶洞处治措施。具体步骤为：
1)隧道在掘进至DK2+145断面后掌子面停止掘进，与前方溶洞间预留5m安全岩盘。
2)从当地气象局查询降雨情况，隧址区近7d内没有降雨。
3)隧道DK2+120处地表的110kV高压电塔基础为扩孔桩、深度较浅，地表一旦大规模沉陷，110kV高压电塔将出现明显变形，应防止地表塌陷灾害的发生。
4)隧道DK2+134～DK2+140段地表植被茂密、地势高低起伏，不具备地表注浆施工的条件，因此，根据周边环境、天气条件及影响隧道溶洞发育情况，在DK2+145断面对溶洞发育范围施工超前大管棚，在隧道通过后及时对溶洞发育范围进行径向注浆加固，其中，采用长度为15m、φ76的超前大管棚，注浆半径为0.3m、间距约0.4m、纵向搭接1.5m；径向注浆采用φ42小导管、长4m、外插角90°、间距1.0×1.0m(环向×纵向)，梅花型布置。
(4)进行溶洞处治与隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况，验证、修正了影响隧道溶洞发育情况，并及时调整了溶洞处治设计参数。具体步骤如下：
1)隧道DK2+145断面完成超前大管棚施工后，按照设计开挖进尺进行掘进与支护施工。
2)随着隧道掘进，掌子面拱部逐渐揭露了溶洞。通过溶洞揭露初期的现场查勘，溶洞的充填物、空间位置、规模与物探法和钻探法估测的成果基本一致，但溶洞的发育范围较估测范围更大，及时对未加固范围补充施工超前大管棚。
3)隧道掘进、支护通过了DK2+134～DK2+140段溶洞，并在距离掌子面10m时，对DK2+134～DK2+140段溶洞发育范围进行了径向注浆施工。
实施例2：喀斯特地貌区公路隧道，基岩岩性为石炭系上统马平组(C3m)灰岩，上覆土层为第四系含岩屑红黏土，层厚为3.0～6.0m，详勘阶段多处钻孔揭露到溶蚀沟槽、溶洞、空洞等岩溶现象，岩溶强烈发育，施工方法的技术方案包括如下步骤：
(1)根据详勘报告与施工超前地质预报情况，初步确定了影响隧道溶洞的里程范围为DK1+790～DK1+900。具体步骤如下：
1)根据详勘报告中钻探与物探情况，隧道出口DK1+820+DK1+900段溶蚀沟槽发育，岩体内节理裂隙发育，隧道埋深约70～80m。
2)隧道出口工区施工过程中，在DK1+950断面向小里程方向采用TSP203Plus仪器对前方150m(DK1+800～DK2+950)范围的围岩节理裂隙破碎带、岩溶状况、断层分布以及地下水发育等工程地质及水文地质情况进行探测，估测前方DK1+810～DK1+880段发育岩溶溶腔或岩溶裂隙等不良地质体。
3)DK1+810～DK2+880段两侧外扩20m，初步确定影响隧道溶洞的里程范围为DK1+790～DK1+900。
(2)对DK1+790～DK1+900进行补充地质勘察，综合采用洞外、洞内钻探法与物探法，结合工程地质测绘、野外地质调查等综合方法，进一步确定了影响隧道溶洞发育情况和隧道周边环境。具体步骤为：
1)对初步确定影响隧道溶洞的里程范围DK1+790～DK1+900，在地表进行高密度电法勘探，以隧道左线中轴线为基准线共布置3条测线，线距20m，点距20m，测线长110m(DK1+790～DK1+900)，估测：DK1+790～DK1+810里程段，多个溶洞位于隧道上方，距离约20～25m，溶洞黄泥充填或半充填，宽约5m～7m、高约2～6m不等；DK1+850～DK1+855里程段，条带状溶洞侵入隧道边墙，宽约3～4m，高度方向不规则延伸至覆盖层，约62m，与覆盖层有物质交换联系；其他里程段岩溶裂隙、溶槽，规模均较小。
2)隧道掘进至DK1+865断面，掌子面施工3孔超前水平钻探(30m)，探测到溶洞充填物为黄泥，溶洞高度无法探明，宽度小于3m、长度约为4m。
3)根据超前水平钻探结果对物探法图谱解译成果进行修正，最终确定影响隧道溶洞为大型规模(条状)、充填黄泥、开口形态、发育在隧道边墙右侧，里程为DK1+851～DK1+855。
4)通过野外地质调查发现，隧道DK1+851～DK1+855段地表地势较缓，周边无构筑物、建筑物或管线等。
(3)根据周边环境、天气条件及影响隧道溶洞发育情况，确定溶洞处治措施。具体步骤为：
1)隧道在掘进至DK1+860断面后掌子面停止掘进，与前方溶洞间预留5m安全岩盘。
2)从当地气象局查询降雨情况，近7d内有4d中雨，降雨时长分别为5h、12h、10h、10h。
3)根据周边环境、天气条件及影响隧道溶洞发育情况，在DK1+860断面对溶洞发育范围施工超前大管棚与超前小导管，在隧道通过后及时对溶洞发育范围进行径向注浆加固。其中φ76超前大管棚长度为12m、注浆半径为0.3m、间距约0.4m、纵向搭接1.5m；φ42超前小导管长度为4.5m、注浆半径为0.6m、间距0.4m；径向注浆采用φ42小导管、长4m、外插角90°、间距1.0×1.0m(环向×纵向)、梅花型布置。
(4)进行溶洞处治与隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况，验证了影响隧道溶洞发育情况。具体步骤如下：
1)隧道DK2+860断面完成超前大管棚与超前小导管施工后，按照设计开挖进尺进行掘进与支护施工。
2)随着隧道掘进，掌子面拱部逐渐揭露了溶洞，通过溶洞揭露初期的现场查勘，溶洞内充填物含水量较大，溶洞的充填物、空间位置、规模与物探法和钻探法估测的成果一致，可按照原设计方案继续施工。
3)隧道掘进、支护通过了DK1+851～DK1+855段溶洞，并在距离掌子面10m时，对DK1+851～DK1+855段溶洞发育范围进行了径向注浆施工。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (4)
1.一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)结合上覆土层溶洞特性探测影响隧道溶洞的发育情况；
(2)根据隧道周边环境、天气条件及影响隧道溶洞的发育情况，确定溶洞处治措施；
(3)进行隧道掘进施工，并根据溶洞开挖揭露情况验证及修正所记录的溶洞发育情况，及时调整溶洞处治措施与设计参数；
所述影响隧道溶洞的发育情况包括溶洞规模、溶洞空间位置、充填物类型及溶洞形态，所述溶洞形态根据其顶部岩体的状态分为开口式和闭口式两种形式；
所述步骤(1)中探测包括两阶段：
(1)根据详勘报告与施工超前地质预报，初步确定影响隧道溶洞的里程范围；
(2)对初步确定的溶洞里程范围进行补充地质勘察，进一步确定影响隧道溶洞的发育情况；
所述影响隧道溶洞是指侵入隧道开挖轮廓线或岩盘厚度不足2m的溶洞；
确定影响隧道溶洞的里程范围采用如下步骤：
(1)确定影响隧道溶洞的外轮廓水平投影；
(2)将影响隧道溶洞的外轮廓投影沿隧道轴向向两侧外扩20m，构成影响隧道溶洞的里程范围；
所述步骤(2)中的隧道周边环境是指影响隧道溶洞的外轮廓外侧30m至50m范围内的地上、地下构筑物、建筑物或管线；
所述步骤(2)中，开口式溶洞的处置措施中，超前大管棚及超前小导管仅在影响隧道溶洞发育范围内布置，所述超前大管棚穿过溶洞并保证入岩深度至少2.5m，注浆半径大于等于0.3m，两相邻超前大管棚的注浆圈至少搭接0.1m，开口式溶洞的处置区分小型溶洞和大型溶洞，并结合隧道周边环境及天气条件采用不同措施。
2.根据权利要求1所述的一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中天气条件是指隧道溶洞处治施工前7日内的隧址区降雨情况，所述降雨情况包括降雨量和降雨时长。
3.根据权利要求1所述的一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，其特征在于：所述补充地质勘察采用物探法及钻探法，并结合工程地质测绘及野外地质调查，勘察隧道外轮廓两侧5m范围内溶洞。
4.根据权利要求3所述的一种穿越上覆土层溶洞区的隧道施工方法，其特征在于：所述钻探法的钻探点数量根据溶洞规模确定，钻探点穿过影响隧道溶洞进入基岩3～5m。
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