淺談貴州喀斯特熔巖區隧道溶洞處理施工技術

岳林濤

摘 要 溶洞為巖溶洞穴，是地表水和地下水對溶性巖層經過化學作用和機械破壞作用而形成的地下溶蝕現象。巖溶對隧道的影響主要表現為結構物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度；溶洞填充物外涌，給施工造成困難和安全隱患；季節性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來不安全和不穩定因素。因此，制定合理、科學、有效的溶洞處理方案對隧道順利穿越巖溶發育地段極為重要。本文根據貴陽樞紐白龍線Ⅰ標第四項目部胡家坡隧道DI2K24+932溶洞處理方案的具體情況，總結貴州喀斯特地貌區溶蝕發育地區溶洞的處理方法，以期對溶洞處理的設計與施工有一定借鑒意義。

關鍵詞 鐵路 隧道 溶洞 處理

胡家坡隧道為貴州省新建雙線高速鐵路隧道，全長2104.4 m，設計行車速度為250 km/h。該隧道位于貴州省貴陽市南明區阿栗村，處于云貴高原中部，地勢東高西低，北高南低，山脈和水系多呈南北向展布。隧區屬于構造剝蝕作用形成的中低山地貌區，隧道軸線通過地段為低山埡口及自然溝谷交匯區域，地面標高1076.70～1132.83。相對高差56.13 m，此段隧道埋深12 m～16 m，地形坡度25°～55°。地表熔蝕結構發育，可見熔巖漏分布，屬溶蝕、剝蝕構造中、低山地貌。沿線各時代地層分布較為齊全，沉積類型繁多。隧址所在區構造復雜，斷裂、褶皺發育，致使巖體節理極其發育、破碎。主要不良工程地質有富水斷層破碎帶、泥石流、溶洞等。水文地質條件復雜，地表水、地下水發育不均，部分地下水、地表水對混凝土具有侵蝕性。

一、溶洞概況

2011年3月19日晚6時20分，胡家坡隧道出口段掌子面（里程：DI2K24+932）爆破后，拱頂上部線路左側位置揭示小型半充填溶洞，溶洞內填充物為松軟紅黏土夾巖體碎屑或巖塊。7時50分，在出碴快完成時，溶洞內填充物自行涌出，形成溶腔，經現場觀測，溶腔發育斜向掌子面上方，與掌子面夾角約70°，空腔體積約為25 m3。隨即項目部采取緊急處理措施對揭示溶腔及掌子面噴砼封閉處理， 3月20日下午4時，已封閉掌子面拱頂上方溶腔位置，出現再次流涌，涌出量約為5 m3，待穩定后，我項目部對掌子面上方溶腔進行復噴封閉。21時10分，隧道掌子面拱頂溶腔位置再次出現掉渣現象，隨即突發大規模流涌，涌出量約為448 m3，堆積物仍為松散軟塑狀黏土夾巖體碎屑或塊石，根據現場接近溶腔位置觀察，溶腔內部已經基本穩定，填充物基本外泄完全，裸露內腔已出露為巖石，且較平坦，為葫蘆狀，仍處于原掌子面前方拱頂左側位置。且溶腔與地面連通，形成腔體漏斗貫通至地表。地表位置呈現直徑4 m孔道。山體地表基本趨于穩定。經掌子面探孔探測，發現掌子面流涌軟塑性粘土夾巖體碎石堆積體厚度約6.5 m～13.5 m，根據隨后施工情況，溶腔豎向局部延伸至仰拱底，根據釬探結果，深度3 m～4 m，見圖1。

二、地質情況及原因分析

1.隧道地質情況。該隧道出口段地處東西向沖溝邊部，剛好位于山體洼地中部。地形較緩，洞口軸線與地面等高線小角度相交，存在一定偏壓，地表基巖裸露，巖質多為泥質灰巖或青灰巖，間或低洼地區覆蓋黃黏土，地表巖溶發育強烈，多見貫通地下漏斗。本段巖層節理水平或帶小角度沿隧道軸線小里程方向向上發育。層狀節理明晰，發育強烈，局部可見小型溶隙。

2.原因分析。根據掌子面揭示溶腔位置及地表觀察結果，溶腔周圍巖石基本完整，溶腔輪廓清晰，腔體填充物與腔體周圍巖壁形成鮮明對比，從地表觀測可知，腔體貫通地表位置，顯示為地表水匯集洼地區域，推測其為一溶蝕漏斗貫通地下形成腔體。經過長年累月的溶蝕發育，地表軟塑性黃黏土已經充填溶腔，形成流涌體。當隧道掘進到溶腔位置時，揭示腔體出露，充填物涌出，最終形成溶洞結構，并貫通至地表，見圖2。

三、隧道溶洞處理方案

（一）方案選擇原則

1.安全性。確保施工安全及質量安全，圍巖累計變形量不大于10cm，襯砌完工后隧道不滲不漏。

2.可操作性強。要充分考慮現場機械設備狀況和操作人員的技能水平，并盡可能降低施工難度。

3. 靈活性好。根據斷面形狀和尺寸，因地制宜地選擇施工方案，而不局限于一種固定的模式，一旦一種方案不能實時或實施效果差時，能較好地轉換為替代方案。

4.具有可連續性。需兼顧溶洞段前后的施工方案的不同，能順利地進行施工工藝、工序的轉換。

5. 經濟性強。即在保證安全、質量并不破壞環境的條件下的投入最節約。

（二）施工處理方案

首先保留并加固坍塌體，防止塌方擴大，然后施做套拱和超前大管棚，保證正洞開挖施工安全；管棚施做完成后挖除坍塌體，進入隧道正常開挖、支護工序，考慮溶腔豎直貫通深度，對隧道基底進行注漿加固處理，增強隧底承載力；溶洞段通過后，進行拱部坍腔回填處理。

處理順序為：封閉掌子面→施作套拱→施作超前大管棚→挖除坍塌體→洞身開挖、支護→邊墻及基底加固處理→二次襯砌→坍塌溶腔回填處理，見圖3。

溶腔防護層：采用錨網噴防護，防止溶腔坍方、掉塊。

結構保護層：隧道外側設置混凝土護拱，護拱外設置緩沖層

緩沖層：采用砂墊層或粉煤灰墊層。

初期支護加強層：根據巖溶發育規模，設置合適的鋼架支撐。

排水系統：設置加強透水盲管與縱向排水管或與邊墻泄水孔的聯通。

當基底也存在小型填充巖溶時，一般可采用以下方案處理：當發育深度<5 m時，采用混凝土回填，回填過程中應進行振搗，保證密實；當發育深度>5m時，采用棄渣等回填基地5 m范圍以下部分夯實，并保證滿足承載力及沉降要求，隧道基底以下5 m采用混凝土回填，回填過程中應進行振搗，保證密實。

根據本隧道隨后進一步施工揭示情況，本隧道基地也存在小型呈縱向狹長狀填充溶洞，為保證基底承載力，不留質量隱患，根據現場施工條件，按照一般隧道基底處理方法開挖深度較深，施工周期較長，對二次施做的整體初支結構層的擾動較大，存在安全隱患，經過現場對溶腔填充深度試探并多次研究后，采取鋼管樁對基底進行加固處理，可以滿足施工質量及安全要求。

（三）溶洞處理施工技術總結

1.噴射混凝土封閉掌子面。首先保留并加固坍塌流涌體，依靠坍塌流涌體支撐掌子面，防止塌方進一步擴大，立即對掌子面進行封閉處理。采用噴射C20鋼纖維混凝土封閉坍塌體表面，厚度為20 cm。

2.施做洞內超前大管棚。首先，在DI3K24+930位置施作導向墻。導向墻長1.5 m，厚0.8 m，采用兩榀格柵鋼架定位，并起到增強剛度的作用。在鋼格柵加上焊接37根1.5 m長φ127的無縫鋼管作為導向管，間距及外插角同大管棚，完成后澆注C25模筑混凝土。拱部144°范圍采用φ108大管棚（共計37根）超前支護并注漿加固溶洞填充物，管棚尾端設鋼格柵混凝土套拱導向墻，角度水平向上3°～6°。拱頂溶腔范圍內適當間距加密，為0.3 m；其余施做部位間距0.4 m～0.5 m。管棚采用外徑108 mm，壁厚6 mm熱軋無縫鋼管，前端呈尖錐狀，尾部固定與導向墻，管壁四周鉆設8 mm壓漿孔，尾部預留1.5 m不鉆孔止漿段落。經現場研究注漿材料采用1：1的水泥漿，注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa。管棚施做完成后形成復合的固結體，使周圍地層的力學性質得到改變，穩定性能加強；根據現場實景情況管棚長度可做適當調整，保證前端打入穩定巖層，形成有效的“棚護”作用，見圖4。

3.洞身開挖及支護。注漿完成后洞身采用微臺階法開挖，臺階長3 m～5 m，開挖后立即施做初期支護結構。對初期支護加強處理。初支參數全環設I20工字鋼加強支護，鋼架間距0.6 m，拱墻增設φ42小導管注漿加固溶洞充填物，每根長4 m，間距為1m（縱向）×0.8 m（環向），C25早強噴射混凝土厚度為25 cm，φ8鋼筋網網格20 cm×20 cm。溶洞處理段圍巖大部分為溶洞充填物，采用人工配合挖掘機開挖；對于石質圍巖部分則采用松動爆破開挖，以盡量減小對溶洞充填物的擾動，避免引發二次流涌。

4.邊墻及基底加固處理。對隧道頂部進行注漿預加固處理僅保證隧道拱部開挖安全，邊墻及基底圍巖力學性能得不到改善，并且曾受到過擾動，極有可能會發生坍塌事故；另外，即使開挖安全通過溶洞段，也會因溶洞段與溶洞前后隧底巖性不同，使后期隧道襯砌結構沉降不均，從而造成襯砌嚴重開裂，甚至影響行車安全。因此，必須對邊墻及基底進行加固處理。

（1）上臺階拱腳至邊墻腳采用φ42超前小導管注漿加固溶洞充填物。小導管每根長L4.5 m，間距0.4 m（環向）×2.4 m（縱向），外插角α=25°，漿液采用1 1水泥凈液，采用劈裂注漿方式，注漿壓力為2 MPa。

（2）基底采用φ75鋼管樁對隧底圍巖注漿加固，加固范圍為仰拱開挖輪廓線以下5 m，局部基巖位置可不設鋼管樁或減短鋼管樁長度。鋼管樁間距為1.0 m，梅花形布置。鋼管樁采用φ75 mm、δ=6 mm的無縫鋼管加工制作，每根長L=5.5 m，尾端0.5 m伸入仰拱支護結構內，同時為增強結構的縱向剛度，鋼管樁尾端之間采用I16工字鋼連接，以增強整體受力性能。漿液采用1 1水泥單漿液，亦采用劈裂注漿方式，注漿壓力2.0 MPa，見圖5。

（3）拱部坍塌溶腔回填處理。為確保隧道襯砌結構安全，保證運營安全，需對拱部坍塌的溶腔進行回填處理。回填在二次襯砌施作完成且其強度達到100%后進行。在綜合考慮周邊環境及溶洞狀態，并結合本隧道結構特點，采用C15泵送混凝土回填。為減小流塑態的泵送混凝土對支護結構的沖擊力和側壓力，回填應對稱、分次、分層施工完成，隧道支護結構兩側混凝土面每次施工高差不得超過0.5 m，層厚不大于30 cm，泵送混凝土厚度不得超過2 m，且方量不超過50 m3。

（4）監控量測。加強監控量測，實行信息化管理。在洞身開挖施工過程中，每3m設一組監測點，主要監測項目為拱頂下沉和周邊收斂，檢測頻率為6 h～8 h一次，并進行數據分析，及時反饋于施工，以指導下一步施工。

（5）超前地質預報。加強超前地質預報工作，手段多樣化、綜合化（地質雷達、超前探孔、紅外探水）對開挖面前方地層進行探測預報并對每一循環開挖巖體做好地質素描，以便在下一步開挖前及時發現溶洞或不良地質，并及時調整施工方法，做好有效的處理措施。

四、結束語

通過以上處理措施的實施，我項目部胡家坡隧道安全通過了此處溶洞，經長時間不間斷量測表明，該段圍巖變形已穩定，支護結構表面無明顯滲漏水現象。本次溶洞處理技術方案工期較短，經濟投入也相對較少。此次處理方案為我項目部以后出現類似溶洞的處理提供了借鑒經驗，提供了寶貴的技術參數。也對其他處于喀斯特熔巖區隧道穿越溶洞的處理有一定的借鑒意義。同時，充分的提醒我們在今后的巖溶隧道施工中，必須加強地質超前預探、預報工作，對隧道前方巖溶進行準確預測，并提前做好穿越巖溶溶洞的應急預案，防止突泥和突水的發生。

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