隧道断裂破碎带岩溶水预测及防治研究.doc

岩溶隧道施工关键技术研究隧道断裂破碎带岩溶水预测及防治关键技术一、项目概况杭瑞高速公路是国家高速公路网规划“7918网”中的“横12线”，起于浙江杭州，经江西、湖北、湖南、贵州，止于云南瑞丽。杭瑞高速公路湖北省阳新至通城段是湖北省“651”骨架公路网中“横五线”的组成部分，是湖北省规划的旅游快速通道之一，也是“武汉城市经济圈”的大外环之“南环”。该项目起于黄石市阳新县界首，止于通城县大界，路线全长199.748公里。鸡口山隧道是杭瑞高速公路湖北省阳新至通城段最长的隧道（全线隧道工程主要有长隧道4985m/2座，短隧道833m/4座），是杭瑞高速公路HRTJ10合同段的控制性工程，也是整个杭瑞高速公路湖北省阳新至通城段的控制性工程之一。该隧道位于湖北省通山县，进口位于黄沙铺镇中通村，出口位于大畈镇鸡口山村，隧道呈近东西向展布。隧道为上、下行分离的四车道高速公路分离式隧道，其左洞长2969m，右洞长2984.2m，属长隧道。隧道穿越的山体最高海拔高程约为486.5m，隧道最大埋深约319m。鸡口山隧道不良工程地质问题主要为断裂及岩溶。隧道区段有3条断裂（F15-1、F15、F16）与洞身相交，均为早期的EW向断裂，以张扭性为特征，破碎带宽1530m，倾向35015，倾角7282，后期有硅质热液充填，并在断裂旁侧形成劈理带，造成岩体及为破碎。根据物探（大地电磁）推测有3条断裂（F1、F2、F3）与洞身相交。此外在寒武系南津关组（01n）底部为溶崩角砾岩，岩性相当破碎，见于地表ZK82+597（YK82+636）附近，与洞身交于ZK83+550（YK83+600）附近。隧道区的奥陶系、寒武系灰岩、白云岩虽属层状坚硬半坚硬碳酸盐岩，围岩级别较高，但为可溶岩层。物探推测洞身岩溶主要为小溶洞、溶孔及溶蚀系列，含水丰富，其左线洞身ZK83+050 ZK83+200、ZK83+750 ZK84+300、ZK84+360 ZK84+460段岩溶发育，右线洞身YK83+100YK83+200、YK83+760YK84+320、YK84+400YK84+480段岩溶发育。上述洞身段地震纵波速度明显偏低，瞬变电磁成果显示上述地段呈囊状低速带，表明岩溶及岩溶水发育。本项目主要针对杭瑞高速公路鸡口山隧道不良工程地质条件、施工特点与环境条件，全面系统地开展复杂围岩隧道施工过程动态力学行为及断裂破碎带岩溶水预测及其防治关键技术研究，分析断裂破碎围岩隧道支护结构稳定性，探讨合理的隧道施工工艺方法及支护结构设计，及时预报预测可能出现的地质灾害及岩溶涌水，并提出合理的防治措施，确保隧道开挖、支护、监控量测、及时反馈分析关键施工动态控制技术的落实，以确保隧道施工安全可靠。二、国内外研究现状目前国内外大量已建或在建隧道都处于复杂的地质情况中，这些地质情况给隧道施工和养护带来了很多麻烦，尤其是破碎带地层及岩溶地区隧道受到强烈的威胁。当前大量的隧道工程研究方法采用数值模拟进行理论计算。对于破碎围岩隧道，围岩变形破坏发展过程中的非线性特征、特别是局部围岩破坏对应力场和位移场影响特征缺乏认识，影响了工程支护方案的合理选择，影响了对围岩变形监测资料的正确分析。1、隧道施工理论与数值分析隧道围岩不仅为一般材料，更重要的是一种地质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得隧道工程力学问题通常无法用解析方法简单的求解。相比之下，数值分析方法具有较广泛的适用性。它不仅能够模拟岩体复杂的力学结构特征，也可很方便的分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报。因此，数值分析方法是解决隧道及地下工程问题的有效工具之一。随着计算机应用技术的迅猛发展，解决隧道工程的虚拟仿真与数字化技术在国内得到应用和发展，隧道工程数值模拟方法的不断完善和成熟，有限元法、边界元法、离散元法等数值分析方法成功地运用于均质或较均质的岩土体问题。数值法甚至可以通过本身的发展，如引入节理单元、增强非线性分析能力等手段，分析含不连续界面和多介质的较复杂的岩土体的力学行为。随着学科的发展和对岩土体认识的进一步深化，更加简洁有效的新的数值分析方法应用于隧道工程中，如有限单元法中的节理单元法（joint element, JE）、块体理论（block theory, BT）、不连续变形分析（discontinuous deformation analysis, DDA）、快速拉格朗日法（fast Lagrangian analysis of continua, FLAC）、块体弹簧法（BSM）、无网络伽辽金法（element free Galerkin method, EGM）等。同时以Monte-Carlor为原理的岩体结构面网络模拟技术、工程地质GIS信息技术、神经网络技术也在边坡工程中得到了越来越多的应用。复杂围岩隧道的施工力学行为研究方法从静态向动态、从二维向三维方向发展。此外，由于学科的交叉渗透，系统论、灰色系统理论、模糊数学等新型学科的理论和技术也在隧道围的稳定与变形控制关键技术研究中得到应用。针对隧道复杂围岩与支护结构的力学分析问题，我国不少学者利用数值分析手段进行了深入的研究。研究内容主要包括不同施工方法不同开挖工序条件下各阶段围岩的应力、应变状态、地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情况，特别是隧道中地质断层破碎区域的受力情况。国外如日本、挪威、瑞士等国家对复杂围岩隧道的施工方法、结构形式、加固范围和爆破的设计参数等也进行了大量研究。隧道施工的复杂性以及围岩条件的离散性等条件的限制使数学解析方法遭遇到无法克服的困难。而计算机技术的发展促进数值分析方法在岩土工程中得到愈来愈广泛的应用，目前较成熟的大型商业化通用软件众多，如ABAQUS、 ANSYS、FLAC等。隧道数值计算方法的应用对了解复杂围岩隧道的动态施工力学特性，以及指导现场快速安全施工发挥了重要作用。但由于隧道围岩的力学参数、模型的建立与实际情况都很难吻合，加之岩体的非均质性、非连续性以及尺寸效应等的影响，这些因素均可导致计算结果的偏差，使得结果的可信度降低。因此，通过现场实测的数据信息反馈分析，对数值仿真模型中的各项参数进行修正，进行计算模拟结果与实测数据的互动分析，从而提高数值仿真分析、预测精度。2、复杂围岩隧道现场试验结合现场地质条件和不同施工方法选择典型断面开展现场试验是研究隧道施工力学行为的重要手段之一。现场试验一般结合隧道监控量测同步进行，目前隧道施工监控量测已经是隧道工程研究领域中较为成熟和有效的方法之一，以围岩与支护结构实体为研究对象，采取预埋位移或应力传感器等测试元件，随施工进程同步观察隧道支护结构与岩土介质的应力、位移与变形等物理量值的变化过程，测试项目一般包括地质和支护状态观察、洞周收敛和拱顶沉降、围岩内部位移量测、锚杆轴力量测、喷射混凝土与二衬接触压力量测、钢支撑内力量测、二次衬砌内力量测等。由于观察结果为工程结构的真实完整的写照，因而监控量测反馈信息对验证和指导工程设计与施工具有十分重要的作用。实践表明，隧道现场测试得到的隧道围岩与支护结构相应的量测信息对于检验设计、施工方案及加固措施，预报预测险情等，是行之有效的途径。采取现场监控和量测还可以为相同地质条件下类似工程的设计和施工积累极为宝贵的数据和经验。3、隧道岩溶涌水灾害机理随着我国铁路、公路、水电等基础设施和大型工程项目的建设，在山岭隧道施工中经常遇到岩溶地质。由于其分布的无规律性、不均一性及其形状、大小的复杂性，决定了在设计阶段不可能全面准确地揭示沿线溶洞的分布情况；另外，溶洞的存在对隧道具有较大危害性，特别是特大型溶洞往往给施工带来严重阻碍和大损失。因此，在岩溶发育地区修建隧道过程中，如何保证工程安全顺利实施，是工程技术人员必须研究和解决的重大课题。岩溶对隧道的危害主要分为4种类型：洞穴的存在使建筑物全部或部分悬空，极大地降低了隧道的使用可靠度。岩溶水，特别是当C0等可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用，影响隧道的使用寿命。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，影响隧道的稳定。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。4、岩溶涌水量预测方法隧道涌水量预测地质超前预报和涌水处理研究已经有近半个多世纪的历史，特别是近几十年来无论研究的深度和广度都有了很大的拓展。但也存在许多缺点和不足。在隧道涌水量预测方面，工程上应用较多的为传统的专业理论计算公式。许多专家和学者根据工程的具体情况对传统公式进行了修正或引入一些新理论方法对隧道涌水量进行预测，并取得了一定的成效。但从科学与应用的角度来看，这些方法仍然还不够完善，其实用性和推广性也还有待加强。在地质超前预报方面，近几年来相继出现了一些先进的物探仪器，如地质雷达，F.D系统等B地质雷达精度很高但探测深度较小且占用施工时间CF.D系统是目前较为先进的系统，但费用较高，搜索角较难确定，在涌水处理方面主要存在的问题是处理方法不得当不够规范人为因素较大。由此常引发一系列工程完工后的地质灾害问题、环境问题。隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，同时也是隧道防排水设计和施工中一个亟待解决的实际问题。迄今为止尚无成熟的理论和公认的准确计算方法，究其原因，主要是因为隧道涌水的复杂性和多变性以及人们对现场水文工程地质条件的认识不完善。要解决这个问题,一方面，应强调通过各种先进的勘察手段，尽可能多的获取涌水系统的重要信息;另一方面，应提倡科学思维，用新的观念和新的理论来完善与充实。目前涌水量的预测计算方法很多，归纳起来主要有以下几种： （1）近似方法；（2）专业理论方法，包括地下水动力学法、水均衡法及其他方法；（3）数值分析法；（4）随即数学法；（5）非线性理论法。5、岩溶隧道涌水的地质超前预报技术隧道施工期地质超前预报由来很久，国外如英、法、日、德等国家均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。在我国，隧道施工期地质超前预报研究始于上世纪50年代末。但真正应用于隧道工程建设（包括其他地下工程），是在上世纪70年代末以我国工程地质界老前辈谷德振教授等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状做出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，开始了我国隧道施工期地质超前预报的研究和应用，现在已取的了很大的进步。纵观国内外隧道施工期地质超前预报技术方法，基本上有以下几种方法：（1）地质法；（2）钻探法；（3）物探法；（4）综合方法。隧道施工地质超前预报方法主要有传统地质分析法、超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法、物探法以及特殊灾害地质所采用的相关预测方法。过去的超前地质预报主要有超前导坑、超前钻孔等方法，这些方法工期长、费用高，其应用渐渐受到较大限制。物探（地球物理勘探）是间接、无损的勘探手段，可得到较大范围内地质体的物理性质资料。近10年来，随着技术的不断发展，仪器设备的改进，在一些长大深埋隧道的超前地质预报中，物探方法得以推广应用，并取得了较好效果。目前利用物探进行超前地质预报的方法较多，有地质雷达法、瑞雷面波法、声波法、TSP法（Tunnel Seismic Prediction）等，大量实践证明，预报精度高、比较成熟实用的物探方法为TSP法，即隧道前方地震反射法。详细的勘察工作是建立宏观预报的基础，在充分研究勘察设计阶段地质资料的基础上，将各种方法与技术有机结合，合理确定地质超前预测、预报的方法，建立地质超前预测预报系统。只有在宏观预报的指导下，才能发挥各种地质超前预报方法的技术优势，准确、有效地实施洞内不良地质体超前预报和施工地质灾害监测以及临近警报等后续预报工作。因地制宜地综合应用各种方法，相互印证与补充。地质分析方法作为基本方法必须大力加强，各种物探技术作为快速“侦察”手段，应大力发展，超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法在地质复杂地段的坚持应用，并合理纳入施工组织。地质超前预报包括隧道所在地区地质分析与宏观预报、隧道洞身及围岩不良地质体超前地质预报和重大施工地质灾害临近警报。（1）地区地质分析与宏观地质预报：预报开挖面前方的围岩级别、稳定性，随时提出修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。（2）不良地质及灾害地质超前预报：预报掌子面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施。预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。（3）重大施工地质灾害临警预报：针对掌子面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。6、岩溶地区灾害防治技术随着隧道建设不断向长大深方向发展，加之我国岩溶地层分布广泛，岩溶问题处处可见。因此在新建隧道中如何彻底解决和防治岩溶涌水问题，对它采用什么样的防治原则、防治措施，是急需要解决的工程实际问题。（1）涌水处理隧道发生涌水时，根据以往的工程经验多采用“宁疏勿堵”的原则。排水处理主要是通过暗沟、管道、涵洞、泄水洞、明渠、渗沟、拱桥或增加辅助导坑截流排除地下水。但是这种处理方法产生了许多严重的地质灾害和环境问题。如：地表塌陷、地面沉降变形、水塘井泉干涸、农田缺水、林木枯死等严重影响了隧道周围的生态环境。这些年来隧道工程界进行了多方面的试验研究，对岩溶隧道涌水的治理原则和方法，有了重新认识和新的想法，而且研究了新的技术，即以堵为主，适当辅以截排措施的治水原则，在措施上采用预注浆技术封堵岩溶水 。（2）涌泥沙处理对于涌泥沙的处理，一般可采取地下水降压疏干、注浆、压缩空气、冻结地层等方法。目前工程上最为常用的是超前预注浆方法。京广线南岭隧道对于突泥灾害采用了超前注浆方案，处理后流状粘土被压实、脱水，强度显著提高，达到了设计效果。总体来说通过地质选线从平纵设计上避开大的岩溶管道或极大规模涌水段；对岩溶水可采用排、堵或排堵结合的方式处理；在解决岩溶水的基础上，对洞顶及侧壁围岩洞穴采用镶补、灌浆加固或清暴填塞等方法处理，对隧道基底围岩岩溶，若洞口较小的洞隙可采用嵌塞与跨盖等方法；对洞口较大的洞隙，采用梁、板、拱等结构跨越，对围岩不稳定，风化裂隙破碎的岩体，采用灌浆加固或清暴填塞，对较大规模的洞隙，采用洞底支撑或调整桩柱距。当溶洞岩体存在软弱结构面时应进行地基稳定性验算。三、研究背景及必要性近年来，我国加大了基础设施建设，我国高速公路有飞速发展，在道建设中往往遇到一些深埋、长大的隧道。特别是山区公路隧道多且地质情况复杂，勘察阶段不可能完全查明整座隧道所有的地质详情，尤其是在岩溶异常发育的地区，这一不足就显得更为突出。因此，如何在隧道掘进前应用不同的超前地质预报技术，对掌子面前方地质情况做进一步地探查，是当前隧道工程施工的迫切需求。这不但可以弥补现有的地表勘察方法的不足，而且还可大大降低各种地质灾害发生的机率。常规超前地质预报主要以地质分析法为主，该方法在解决区域地质问题上具有一定优势。但由于复杂多变的各种地质因素使得局部地质千变万化，使用单一地质手法难以预测所有这些变化特征，更不能全部准确地确定它们所在的位置，而这些地质异常的变化恰恰正是直接控制和影响隧道围岩稳定性的重要因素。鸡口山隧道是杭瑞高速公路湖北省阳新至通城段最长的隧道，是杭瑞高速公路HRTJ10合同段的控制性工程，也是整个杭瑞高速公路湖北省阳新至通城段的控制性工程之一。该隧道全长6km，地质情况复杂多变，主要不良工程地质问题为断裂破碎带及岩溶等，使用单一的超前预报方法肯定不足以满足复杂围岩隧道的稳定与变形控制要求。因此，本课题结合鸡口山隧道工程，全面系统地开展复杂围岩隧道施工过程动态力学行为及断裂破碎带岩溶水预测及其防治关键技术研究，分析断裂破碎围岩隧道支护结构稳定性，探讨合理的隧道施工工艺方法及支护结构设计，及时预报预测可能出现的地质灾害及岩溶涌水，并提出合理的防治措施，确保隧道开挖、支护、监控量测、及时反馈分析关键施工动态控制技术的落实，以确保隧道施工安全可靠。从而提高我国隧道工程建设科技含量，在工程应用中上具有重大的实用价值。本项目的研究成果在类似的地区和类似工程中同样具有推广使用价值，具有广阔的应用前景，对隧道工程学科和科技水平发展具有极为重要的理论意义和现实意义。四、研究实施方案（准备工作情况、研究内容、研究方式、技术路线）1、准备工作情况（1）研究单位已调研收集了大量的国内外的相关信息资料，较好地了解了国内外的研究动态及现状；同时较好的掌握了先进的理论技术与分析方法。（2）工程施工已经开始，总体施工方案已经基本确定，研究单位对本工程的勘察、设计资料已基本掌握，取得了第一手资料。2、研究的主要内容本项目以杭瑞高速公路鸡口山隧道为工程背景和研究对象，根据隧址实际工程地质条件、施工特点与环境条件，全面系统地开展复杂围岩隧道施工过程动态力学行为及断裂破碎带岩溶水预测及其防治关键技术研究，主要研究内容如下： （1）隧道工程地质条件调查分析及围岩物理特性试验研究主要调查隧道的围岩岩性、结构面特征、地下水等基本地质条件以及断层破碎带与岩溶等不良地质条件，进行现场围岩节理裂隙的调查，现场取样，进行现场和室内试验，合理确定岩体（石）的重度、弹性抗力系数、变形模量、泊松比、内摩擦角、粘聚力、侧压力系数、抗压强度。确定隧道围岩岩块、结构面及岩体的基本物理力学参数，并根据隧道开挖揭示围岩情况获取相关参数进行围岩分级，对隧道山体及围岩体的稳定性进行评价。（2）鸡口山公路隧道特性的现场测试及分析布置试验、测试断面，测试试验锚杆轴力、围岩压力、支护混凝土应力、钢架应力、二衬接触压力和二衬应力等；同时进行隧道收敛变形、拱顶下沉、地表下沉等项目监测，结合现场的隧道施工监控量测成果，分析隧道在施工过程中围岩与结构的受力与变形特征。（3）复杂围岩隧道施工过程动态力学行为数值模拟仿真分析选择典型隧道断面，采用大型有限元分析软件对鸡口山隧道动态施工全过程进行数值模拟仿真分析，通过数值计算获得复杂围岩隧道施工各阶段围岩的应力应变状态、围岩塑性区分布、地表沉降以及隧道支护结构中的内力动态变化情况，寻找施工和工后“危险”的区域，从而提出合理的监控方案及重点监控区域，为施工现场提供监控的改进措施，并提出必要的预防处理措施和对策。为复杂围岩隧道施工提供科学依据与技术指导，正确地认识工程岩体的力学行为，并将潜在的工程地质问题明朗化、定量化。（4）隧道施工方法和施工技术的研究研究合适的复杂围岩隧道施工方法和施工工艺，分析不同开挖方法和辅助施工工艺对围岩应力分布、围岩变形的影响，讨论围岩应力、变形的发展趋势和变化规律，以及围岩稳定性的研究；同时研究复杂隧道围岩变形控制技术，对减少超欠挖技术、锚杆技术、辅助施工工法等在该公路隧道中的应用进行研究。（5）断裂破碎带岩溶水的预测方法研究隧道施工期地质超前预报由来很久，国外如英、法、日、德等国家均将此列为隧道工程建设的重要研究内容。针对鸡口山隧道具体条件，综合传统地质超前预报方法、现代地球物理探测技术以及数值仿真模拟，进行断裂破碎带岩溶水的预测方法研究，进而预测预报隧道施工中断裂破碎带岩溶水及其工程地质问题。（6）断裂破碎带岩溶涌水的防治技术研究针对鸡口山隧道岩溶地层实际问题，开展岩溶涌水防治技术研究，提出防治原则及合理可行的防治措施，彻底解决隧道施工中岩溶涌水问题。（7）数值模拟结果与实测数据的互动分析通过现场实测的数据信息的反馈分析，对数值仿真模型中的各项参数进行修正，进行模拟结果与实测数据的互动分析，提高数值仿真分析、预测精度。3、研究方式本项目研究按照现场调查测试、室内试验、理论分析及计算机数值模拟仿真分析相结合，理论研究与实践应用相结合的模式展开工作。及时将研究成果反馈现场应用，并进行总结，归纳至理论，形成总结报告，同时撰写相关研究论文公开发表，便于进一步推广。在项目实施过程中，发挥两家合作单位在科研、设计、施工和管理方面的优势，紧密配合，共同总结获得研究成果。4、研究的技术路线本课题结合鸡口山隧道工程，全面系统地开展复杂围岩隧道施工过程动态力学行为及断裂破碎带岩溶水预测及其防治关键技术研究，预报预测可能出现的地质灾害及岩溶涌水，并提出合理的防治措施，确保隧道开挖、支护、监控量测、及时反馈分析关键施工动态控制技术的落实，以确保隧道施工安全可靠。研究技术路线主要围绕课题研究内容及工程实施步骤制定。（1）调研、收集国内外相关信息资料及鸡口山隧道工程地质条件、施工特点与环境条件，厘定本课题研究方案。（2）调查隧道的围岩岩性、结构面特征、地下水等基本地质条件以及断层破碎带与岩溶等不良地质条件，进行现场围岩节理裂隙的调查，现场取样，确定隧道围岩岩块、结构面及岩体的基本物理力学参数，并根据隧道开挖揭示围岩情况获取相关参数进行围岩分级，对隧道山体及围岩体的稳定性进行评价。（3）开展鸡口山公路隧道特性的现场测试及分析，分析隧道在施工过程中围岩与结构的受力与变形特征。（4）以ANSYS和FIAC-3D等计算软件为分析平台，选择典型隧道断面，开展复杂围岩隧道施工过程动态力学行为数值模拟仿真分析。通过数值计算获得复杂围岩隧道施工各阶段围岩的应力应变状态、围岩塑性区分布、地表沉降以及隧道支护结构中的内力动态变化情况，寻找施工和工后“危险”的区域，从而提出合理的监控方案及重点监控区域，为施工现场提供监控的改进措施，并提出必要的预防处理措施和对策。（5）在数值分析结果的基础上，研究复杂围岩隧道施工方法和施工工艺，分析不同开挖方法和辅助施工工艺对围岩应力分布、围岩变形的影响，研究隧道围岩变形控制技术，对减少超欠挖技术、锚杆技术、辅助施工工法等在该公路隧道中的应用进行研究。（6）结合鸡口山隧道工程地质问题，综合传统地质超前预报方法、现代地球物理探测技术以及数值仿真模拟，进行断裂破碎带岩溶水的预测方法研究，进而预测预报隧道施工中断裂破碎带岩溶水及其工程地质问题。（7）在超前地质预报的基础上，开展断裂破碎带岩溶涌水防治技术研究，提出防治原则、及合理可行的防治措施，解决隧道施工中岩溶涌水问题。（8）通过现场实测的数据信息与数值模拟结果的互动分析，对数值仿真模型中的各项参数进行修正，提高数值仿真分析、预测精度。溶洞地段隧道施工溶洞是以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本水平方向延伸的通道。溶洞是岩溶现象的一种。岩溶是指可溶性岩层，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏、岩盐等，受水的化学和机械作用产生沟槽、裂缝和空洞以及由于空洞的顶部塌落使地表产生陷穴、洼地等类现象和作用。我国石灰岩分布极广，常会遇到溶洞。因此，在这些地区修建隧道，必须予以注意。1 溶洞的类型及对隧道施工的影响溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞，处理方法则较为复杂。当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理。有时遇到填满饱含水份的充填物溶槽，当坑道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道。有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。岩溶对隧道工程的影响注意有四个方面：洞害、水害、洞穴充填物及坍塌、洞顶地表沉陷等。（1）有的岩溶洞穴深或基底充填物松软，有的顶板高悬不稳，有严重崩坠之虞；有的岩溶发育情况复杂，洞穴、暗河上下迂回交错，通道重叠；有的溶蚀大厅长、宽上百米，高达几十米；如当隧道通过，其工程艰巨，结构处理复杂，施工困难。（2）在岩溶地区修建隧道，施工中常遇水囊或暗河岩溶水的突然袭击，往往泥砂涌流，堵塞坑道，给施工安全造成威胁。（3）由于洞穴围岩节理、裂隙发育，岩石破碎或充填物松软，在施工中极易发生坍塌，危害施工安全。2 隧道遇到溶洞的处理措施当隧道施工遇到岩溶危害时，可按岩溶对隧道的不同影响情况及施工条件，采取引流、跨越、加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。隧道通过岩溶区，应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、充填物和地下水情况，据以确定施工方法。对尚在发育或穿越暗河水囊等地质条件复杂的岩溶区，应查明情况审慎选定施工方案。对有可能发生突然大量涌水、流石流泥、崩坍落石等，必须事先制定措施，确保施工安全。隧道穿越岩溶区，如岩层比较完整、稳定，溶洞已停止发育，有比较坚实的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地质情况。如有变化便于采取相应的措施。如溶洞尚在发育或穿越暗河水囊等岩溶区时，则必须探明地下水量大小、水量方向等，先要解决施工中的排水问题，一般可采用平行导坑的施工方案，以超前钻探方法，向前掘进。当出现大量涌水、流石流泥、崩坍落石等情况时，平导可作为泄水通道，正洞堵塞时也可利用平导在前方开辟掘进工作面，不致正洞停工。隧道在岩溶地段施工时常用“引、堵、越、绕”等措施进行溶洞处理。（1）“引”引排水遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。应在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施渲泄水流或开凿泄水洞将水排除洞外（图7-1a），或开凿泄水洞，将水排出洞外（图7-1b）。当岩溶水流的位置在隧道顶部或高于隧道顶部时，应在适当距离外，开凿引水斜洞（或引水槽）将水位降低到遂底标高以下，再行引排（图7-1c）。当隧道设有平行导坑时，可将水引入平行导坑排出。（a）桥涵渲泄水流（b）开凿泄水洞引水（c）引水槽图7-1岩溶隧道引排水处理（2）“堵”堵填对已停止发育、跨径较小，无水的溶洞，可根据其与隧道相交的位置及其充填情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭（图7-2a、b、c）；根据地质情况决定是否需要加深边墙基础。当隧道拱顶部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或锚喷网加固，必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及拱顶回填进行处理（图7-3a、b）。（a）（b）（c）图7-2岩溶隧道堵填处理（a）（b）图7-3岩溶隧道堵填处理（3）“越”跨越当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过（图7-4a）。隧道底部遇有较大溶洞并有流水时，可在隧道底部以下砌筑跨工支墙，支承隧道结构，并在支墙内套设涵管引排溶洞水（图7-4b）。隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或隧底以下筑拱跨过（图7-4c）。当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台架梁通过（图7-4d）。隧道穿过大溶洞，情况较为复杂时，可根据情况，采用边墙梁、行车梁等，由设计单位复杂特殊设计后施工。（a）加深边墙基础（b）支墙内套设涵管（c）筑拱跨越 （d）架梁跨越图7-4岩溶隧道跨越处理措施（4）“绕”绕行施工在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续继续隧道施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。3、溶洞地段隧道施工的注意事项（1）施工前应对地表进行详细勘查，注意研究岩溶状态，估计可能遇到岩溶地段；了解地表水、出水地点的情况，并对地表进行必要的处理，以防止地表水下渗。（2）当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌超前。同时应利用探孔或物探作超前预报，设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。（3）施工中注意坚持溶洞顶部，及时处理危石。当溶洞较大、较高且顶部破碎时，应先喷射混凝土加固，