中空潛孔鉆桿在隧道溶洞處理中的應用技術

(中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 空港 30000)

貴州X298盤縣雨格至普古段旅游公路大老地隧道，全長1 890m，雙向兩車道設計。該隧道進口位于盤縣坪地鄉(xiāng)雨格村，出口位于盤縣普古鄉(xiāng)哈麻朱克村。隧道區(qū)地貌屬剝蝕、侵蝕淺切低中山向斜谷地、斜坡、洼地地形地貌，隧道區(qū)最高海拔2 250m，最低海拔1 950m，相對高差300m。隧道軸線最高海拔2 337.17m，最低海拔1 961.95m，相對高差275.22m。該隧道區(qū)冬無嚴寒，夏無酷暑，年平均降水量1 390.8mm，夏季降雨量相對較多，最大一日降水量曾達148.8mm。

1 溶洞發(fā)育情況

2016年5月17日晚10時，大老地隧道出口掌子面(里程：K6+835)爆破后，拱頂上部出現(xiàn)有填充物溶洞，填充物為軟塑狀粉質(zhì)黏土夾大小不等的巖塊。5月19日9時，溶洞填充物滑塌基本穩(wěn)定，共坍塌軟塑性粉質(zhì)黏土300余m3，大小孤石8塊，經(jīng)勘測掌子面樁號拱頂埋深52m,掌子面距離山谷30m左右。經(jīng)相關參建部門勘察確定緊急處理措：對掌子面回填封閉，拱頂上部回填1.5～2.0m厚的混凝土護拱及不小于1m厚的噴砂緩沖層；加強超前注漿小導管及初期鋼拱架支護；為減少對溶洞塌方體的擾動，上半斷面開挖采取了留核心土環(huán)形分部開挖方式；爆破采取人工和小范圍預裂控制爆破。5月23日下午5時，拱頂上方溶腔位置已全部通過，掌子面再次出現(xiàn)了巨石滑落，涌出大量的泥漿、積水，擠垮初期支護鋼拱架6榀，整個掌子面大部分處于溶洞范圍。待穩(wěn)定后，項目部采取對巨石進行解體，用砂袋將掌子面封閉，拱頂以上回填1.5m厚的混凝土處理。經(jīng)對掌子面采用25m超前鉆探測，發(fā)現(xiàn)掌子面向前22m范圍都是間隔2～4 m的土、石結構，孤石或基巖情況不明，并在鉆探過程中出現(xiàn)多次卡鉆現(xiàn)象。

2 隧道地質(zhì)情況及原因分析

(1)隧道地質(zhì)情況。該隧道線路走向多沿山谷及山體坡腳，剛好位于山體洼地中部。地表基巖裸露，巖質(zhì)為中風化灰?guī)r，山谷多覆蓋為第四系殘坡積粉質(zhì)黏土，含碎石、滾落孤石，地表巖溶發(fā)育強烈，多見貫通地下漏斗，雨季少見地表水徑流。

(2)原因分析。根據(jù)溶洞塌方位置、超前地質(zhì)探測及地表情況，掌子面方向應有較大的溶洞或互相貫通的溶洞群，推測其塌方處應為一溶蝕的通道連接到下游的山谷。經(jīng)過長期的雨水侵蝕沖刷，溶洞被地表粉質(zhì)黏土和孤石填滿。當隧道掘進到塌方位置時，飽含雨水的粘土涌出，孤石失穩(wěn)滑落。

3 溶洞處理方案

3.1 溶洞處理原則

(1)填充溶洞的處理：加強地質(zhì)超前預報和監(jiān)控量測，根據(jù)不同情況的溶洞處理預案，嚴格按照設計和變更文件，加強超前和初期支護，確保超前小導管長度、注漿壓力，錨桿的長度和間距，噴射混凝土厚度和平整度，鋼拱架型號和間距等符合設計，達到規(guī)范要求[1]。

(2)中、小型坍塌溶洞的處理：利用圍巖暫穩(wěn)狀態(tài)，盡快噴錨支護未塌地層然后施作初期支護，在支護外做好防排水設施，泵送1m厚的混凝土護拱及1m以上的吹砂緩沖層[2]。

(3)大型塌方的處理：一般采取“回填注漿+管棚”整體加固方案。即先對掌子面進行回填封閉，設置止?jié){墻，然后充填混凝土注漿，達到一定的強度后施作管棚，在管棚的安全防護下采用短進尺、分部開挖的施工方法[3]。

3.2 溶洞處理方案

為保證開挖施工的連續(xù)和安全，根據(jù)超前探測情況，為防止塌方的繼續(xù)擴大，及時的對掌子面進行了回填處理，初步?jīng)Q定的處理方案是采用25m長的超前大管棚。

(1)拱頂坍塌部位溶腔的處理：對回填封堵后的掌子面進行噴射C30混凝土作為止?jié){墻，預埋φ100的泵送混凝土輸送管、吹砂管和φ80的透水盲管，注意控制預埋管深入溶洞的深度。采用泵送C25混凝土進行溶腔回填，回填厚度控制在超出拱頂初期支護開挖面1.0～1.5m，作為隧道掘進的護拱。在護拱的上部噴吹松散的砂或粉煤灰，厚度不小于1.0m，作為護拱的緩沖保護層。

(2)導向墻的設置：為保證超前大管棚的施作不侵占初期支護的界面，并對溶巖軟弱結合處有一個加強的過渡，自溶洞后退3m進行擴挖50cm施做導向墻。導向墻長1.5m，厚0.5m，采用三榀格柵鋼架定位，并起到增強剛度的作用。在起拱線以上120°范圍的鋼架上焊接導向管，導向管采用φ127的無縫鋼管，每根長1.5m，間距40cm,外插角3°～6°，共35根，導向墻采用模筑C25混凝土進行澆筑。

(3)超前大管棚：根據(jù)現(xiàn)場采用潛孔鉆進行超前鉆探情況分析，掌子面向前溶洞內(nèi)地質(zhì)情況比較復雜，多為軟泥、孤石或基巖，無法形成鋼管的成型插孔。經(jīng)過查閱相關的資料，借鑒自進式中空注漿錨桿可以克服如塌孔、無法插桿的優(yōu)點，定制了φ89×25mm的中空潛孔鉆桿作為鉆進成孔和支護的材料。結構如圖1，具體操作步驟如下：

圖1 中空潛孔鉆桿超前大管棚

采用潛孔鉆機進行控制鉆桿的位置及向里的推力，空心潛孔鉆桿每節(jié)長3.0m,采用同等厚度的套管連接，潛孔鉆桿的前端配置一個長度1.0m的沖擊器和花型合金鉆頭，高壓風由鉆桿送入沖擊器，鉆頭前端有排氣及注漿孔，這樣就能高效能的穿透各類圍巖。

鉆到預定的深度后，立即向中空潛孔鉆桿內(nèi)注漿。注漿終壓控制在2.0～2.5MPa，大部分漿體就會由鉆頭排氣注漿孔沿著空心潛孔鉆桿周圍一定的氛圍滲透固化。這樣就完成了自錨的作用，桿體中的水泥漿固結后，也增加了鉆桿的強度和剛度[4]。

圖2 溶洞區(qū)正臺階環(huán)形開挖

(4)洞身開挖：嚴格遵循“短開挖，強支護，勤量測，緊封閉”的原則。采用如圖2正臺階環(huán)形分部開挖，保留核心土便于支撐，土質(zhì)采用人工配合挖掘機開挖，石質(zhì)圍巖部采用預裂控制爆破開挖，以盡量減小對溶洞充填物的擾動確保施工安全[5]。

(5)初期支護：設置I20工字鋼加強支護，工字鋼間距0.5m一榀，拱部增設φ42小導管注漿加固溶洞充填物，每根長L4.5m，間距為2.0m(縱向)×0.4m(環(huán)向)，用以彌補采用中空潛孔鉆桿大管棚的不足，然后噴射C30早強混凝土完成初期支護。

(6)下部邊墻及仰拱底部加固處理：上臺階部分進行注漿預加固處理僅保證隧道拱部開挖安全，下邊墻及仰拱圍巖力學性能得不到改善，并且受到擾動或偏壓，極有可能會發(fā)生質(zhì)量事故；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，致使隧道襯砌結構沉降不均，而造成二襯開裂，甚至影響行車安全。因此，必須對邊墻及仰拱底部進行加固處理。

仰拱土質(zhì)部分采用1.0m厚C20片石混凝土進行換填，并將仰拱工字鋼閉合，施作鋼筋混凝土仰拱及仰拱回填。

下邊墻部位填泥溶洞可采用挖掘機小心掏出1.5～2.0m深度，采用模筑泵送混凝土澆筑，然后參照中部邊墻采用φ42超前小導管注漿加固溶洞充填物。小導管每根長L4.5 m，注意下邊墻每次處理長度不得超過1.5m。

(7)加強監(jiān)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(jiān)測點，主要監(jiān)測拱頂下沉和周邊收斂，檢測頻率為6 h～8 h一次，并進行數(shù)據(jù)分析，及時反饋指導下一步施工。

4 中空潛孔鉆桿用作大管棚的特點

(1)中空潛孔鉆桿采用良好的厚壁無縫鋼管材料、采用套管便捷自由的連接，真正實現(xiàn)了自鉆式鉆孔、注漿、錨固等功能的統(tǒng)一。

(2)沖擊器前端有穿透力強的鉆頭，適用于各種復雜地質(zhì)條件下斷層、填充溶洞的掘進。

(3)鉆桿直接用于超前大管棚支護，無需拔出成孔，其中空可作為注漿通道，從里至外進行注漿，簡化了工序，操作方便。

(4)高效能的止?jié){配件能保持較強的注漿壓力，充分地充填空隙，固定裂隙發(fā)育的巖體。

(5)不足之處是成本偏高，注漿四周滲透效果不及梅花型開孔的鋼管，可增設超前注漿小導管彌補。

5 結束語

通過以上處理措施，大老地隧道掘進安全通過了此段溶洞，經(jīng)過長時間的監(jiān)控量測，初期支護變形量符合設計及規(guī)范要求，二襯結構表面無裂紋和明顯滲水現(xiàn)象。證實了本次溶洞處理技術方案的科學、合理和正確性，為以后類似地質(zhì)條件下的溶洞處理積累了經(jīng)驗。

總之，隧道溶洞垮塌的處理過程，在保證施工安全和工程質(zhì)量的前提下，如何把處理溶洞對工期和成本的影響減到最小，是我們工程技術人員不斷實踐、探索和總結的過程。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國交通部.公路隧道設計規(guī)范：JTG D70-2004[S]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2] 中華人民共和國交通部.公路隧道施工技術規(guī)范：JTJ F60-2009[S]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3] 董 鶴. 公路隧道圍巖與支護結構穩(wěn)定性研究[J].公路隧道，2016，(1)：34-36.

[4] 占小明. 隧道大型溶洞處理技術[J]. 工程建設標準化，2016，(4)：72-74.

[5] 譚 力. 淺談貴州喀斯特溶巖區(qū)隧道溶洞處理施工技術[J].鐵道建筑技術，2012，(2)：55-56.