長大隧道的溶洞處理施工技術(shù)

胡必富

摘要：近幾年，在國家政策的傾斜和財政支持下，中西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅猛發(fā)展，特別是高速公路、鐵路建設(shè)突飛猛進，日新月異，而我國喀斯特地貌分布廣泛，類型眾多，鐵路建設(shè)過程中，面臨極為復(fù)雜的溶洞地質(zhì)問題，尤其是山區(qū)鐵路普遍橋隧占比在50%以上，長大隧道層出不窮，且呈現(xiàn)巖溶、巖溶水極度發(fā)育、巖溶類型多等特點。本文主要分析了隧道巖溶發(fā)育類型、巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報措施，并結(jié)合張吉懷高速鐵路永順隧道溶洞處理工程實例，進行了隧道的溶洞處理施工技術(shù)研究，為類似工程溶洞處理提供參考。

關(guān)鍵詞：長大隧道 溶洞 超前地質(zhì)預(yù)報 處理技術(shù)

Construction Technology of Karst Cave Treatment in Long Tunnel

HU Bifu1

（China Railway Tunnel Group Sanchu Co.， Ltd， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China）

Abstract： In recent years， with the tilt of national policies and financial support， the construction of transportation infrastructure in central and Western China has developed rapidly， especially the construction of highways and railways. However， Karst landform in China is widely distributed and has many types. In the process of railway construction， it is faced with extremely complex geological problems of karst caves， especially in mountainous areas， Bridges and tunnels account for more than 50% of railway construction， and long tunnels emerge in an unbroken stream， showing characteristics of karst， karst water extremely developed， and karst types. This paper mainly analyzes the karst development types of the tunnel and the advanced geological prediction measures of the karst tunnel. Combined with the example of the karst tunnel treatment project of Yongshun tunnel of Zhang Jihuai Highspeed Railway， this paper studies the karst tunnel treatment construction technology of the tunnel， so as to provide reference for the karst tunnel treatment of similar projects.

Key Words： Long tunnels; Karst; Geological predicti; Treatment technology

1工程概況

張吉懷鐵路位于湖南省西北部，線路穿過武陵山、雪峰山兩個次級隆起帶和沅麻盆地、大庸盆地兩個次級沉降帶等地貌單元的部分和全部。沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地形地貌多變，永順隧道、蘭花隧道位于武陵山區(qū)，可溶巖廣布，巖溶強烈發(fā)育，溶洞、落水洞等廣泛分布，線路巖溶水富集。

如圖1所示，永順隧道全長12 083.27m，設(shè)貫通平導(dǎo)1座、橫洞2座;隧道除進口1km為頁巖外，其余均為灰?guī)r，巖溶強烈發(fā)育，隧道正常涌水量23 725.9m?/d，最大涌水量159324.8m?/d。出口段約4600m巖溶水平徑流帶，預(yù)測最大水頭高度約200m，預(yù)測最大涌水量133 239m?/d，可能誘發(fā)大規(guī)模突水涌泥災(zāi)害;其余段落巖溶弱發(fā)育（局部強發(fā)育）。

2巖溶發(fā)育的主要形式及分類

2.1 巖溶發(fā)育的主要形式

巖溶地貌，是地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀、侵蝕與沉積，以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又被稱作喀斯特地貌^[1]。根據(jù)其發(fā)育強度，可分為強烈發(fā)育、中等發(fā)育、弱發(fā)育、微弱發(fā)育四種。

地表巖溶表現(xiàn)的主要形式為：溶蝕性巖石;巖溶洼地和谷地;溶泉;落水洞;溶溝和石芽;峰林、峰叢、孤峰、天生橋等。

隧道巖溶表現(xiàn)的主要形式為：巖溶裂隙（直徑一般應(yīng)小于5cm）;溶孔（直徑一般小于20cm）;巖溶管道（直徑一般小于2.0m）;溶洞（直徑一般應(yīng)大于2.0m）;地下暗河;其他形式，如石筍、石柱、鐘乳石等。

2.2 隧道巖溶的分類

隧道巖溶一般根據(jù)其發(fā)育形態(tài)及規(guī)模大小、充填特征、充填物性質(zhì)、巖溶涌水量等特征進行分類^[2]，詳見圖2、圖3。

3 巖溶的預(yù)測、預(yù)判

隧道巖溶預(yù)報是一個綜合性工程，可以據(jù)此提前預(yù)知地質(zhì)狀況，采取更具有針對性的措施防范。

3.1 巖溶預(yù)測預(yù)報內(nèi)容

（1）巖溶發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)、位置、充填物、水量、水壓大小。

（2）巖溶發(fā)育與巖性、層理、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造之間的關(guān)系。

（3）巖溶可能帶來的危害。

3.2 巖溶預(yù)報的主要方法

巖溶預(yù)報的總體原則是以地質(zhì)分析為基礎(chǔ)，進行初步判斷，采用合理的物探手段，進行宏觀判斷，依靠鉆探進行驗證和精細判斷^[3]。

永順隧道采取的超前預(yù)報組合方法是物探方法（TSP、地質(zhì)雷達、紅外探水、瞬變電磁等）與工程地質(zhì)法（超前水平鉆探法、地質(zhì)素描、周邊隱伏巖溶探查等）長短結(jié)合、相互驗證^[4]，如表1所示。

4隧道巖溶的處理原則

巖溶處理遵循“以疏為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的原則^[5]。

4.1 以疏為主

盡量不改變巖溶水的排泄路徑，保持地下水的原始循環(huán)和貯存狀態(tài)，減少地下水的流失，保證施工、結(jié)構(gòu)和環(huán)境安全。例如，位于垂直滲流帶內(nèi)的隧道，當遭遇巖溶裂隙、巖溶管道及溶洞時，應(yīng)盡量保持原有的排水通道。

4.2 堵排結(jié)合

根據(jù)隧道內(nèi)涌水量、水壓大小、所含泥砂程度，為保證運營安全和降低對環(huán)境的影響，將堵水和排水兩種措施結(jié)合制訂治理方案。對于規(guī)模較大的干溶洞或暗河，當封堵困難時，一般采取在隧道正線之外修建泄水洞或在隧道中設(shè)置涵管（涵洞）或橋梁進行跨越，達到排水目的，保證施工及運營安全。處于水平徑流帶內(nèi)的隧道，當遭遇巖溶管道、溶洞及暗河時，一般采取排水降壓的措施。

4.3 因地制宜，綜合治理

根據(jù)隧道所處的工程、水文地質(zhì)條件及周圍環(huán)境條件，采取多種方法相結(jié)合進行綜合治理^[6]。例如，采取排水方案會造成介質(zhì)大量流失、地層破壞，影響水文環(huán)境時，一般考慮“以堵為主、限量排放”的原則，通過超前管棚、帷幕注漿、超前周邊注漿、徑向注漿和噴錨支護等輔助手段加固隧道周邊的圍巖，防止坍塌及限制排水量。隧道底部存在軟弱地層時，應(yīng)通過換填、鉆孔樁、鋼管樁、注漿等方法進行加固，提高隧底的承載能力，防止基底下沉。

5隧道巖溶處理的技術(shù)措施

5.1 洞穴型、管道型巖溶處理措施

隧道存在小型干溶洞或空腔，內(nèi)部幾乎無充填物、無水，一般采用混凝土、漿砌片石等全部充填，必要時進行注漿加固。

5.2 過水型巖溶、暗河處理措施

5.2.1 溶管水的處理

盡量不改變地下水的流動規(guī)律，探明周圍溶管的發(fā)育方向，對于流動路徑比較明確的溶管水，如確要將隧道溶管截斷，可以在隧道適當部位增加輔助通道，保持原溶管連通，不改變地下水總的流動趨勢。若超前探孔表明掌子面前方溶管比較發(fā)育，當出水量和水壓較大時，為了防止突水、突泥，采用預(yù)注漿進行封堵。

5.2.2 暗河處理措施

隧道施工遭遇暗河時，應(yīng)采用涵管、涵洞、小橋等設(shè)施保持暗河原有水流通道，或開鑿泄水洞引排。

5.3大型干溶洞處理措施

隧道底部存在大體積的溶洞空腔，可采用橋梁跨越。但施作橋梁時，一定要探明地質(zhì)情況，合理選取基礎(chǔ)形式，確保結(jié)構(gòu)承載能力。

5.4充填型溶洞處理措施

溶洞規(guī)模較大，內(nèi)部充填有大量的泥砂，且含有豐富的地下水時，一般采取全斷面帷幕注漿、超前大管棚支護、三臺階臨時仰拱法施工。

5.5高壓富水填充型溶洞處理措施

當隧道掌子面前方存在高壓富水溶腔時，采用直接排放或平導(dǎo)、泄水洞、迂回導(dǎo)坑排水等方法進行釋能降壓，消除隧道施工風險，后進行超前注漿、加強支護等配套治理措施。

6工程實例

6.1充填型溶洞

6.1.1溶洞基本情況

2018年6月5日，永順隧道貫通平導(dǎo)施工至PDK67+930，經(jīng)地質(zhì)雷達探測前方10～20m范圍內(nèi)溶洞和巖溶裂隙發(fā)育，經(jīng)施做30m超前水平鉆孔，前方9～20m存在鉆桿突進，孔內(nèi)有泥漿流出，基本無壓力，推測為泥質(zhì)充填型溶洞，如圖4、圖5所示。6月11日，平導(dǎo)施工至PDK67+921時于掌子面右側(cè)揭示溶洞，采用地質(zhì)雷達、TSP、瞬變電磁、超前鉆孔等手段進行了探查，基本查明了該溶洞在正洞的分布特征。該溶洞為充填型溶洞，充填物為軟塑狀粉質(zhì)黏土，未見涌水，縱向發(fā)育長度11m，向隧道四周發(fā)育規(guī)模不詳。

6.1.2處理措施

（1）掌子面封閉：PDK67+921掌子面采用50cm厚C25噴射砼封閉。

（2）超前支護加固：PDK67+921～PDK67+906段拱部采用φ108管棚，管棚長10m，搭接3m，環(huán)向間距40cm，共設(shè)置2環(huán);拱部套打φ42小導(dǎo)管，長4.5m，縱向3m/環(huán)。PDK67+906～PDK67+900段拱部設(shè)φ42小導(dǎo)管超前支護。

（3）結(jié)構(gòu)加強：PDK67+921～PDK67+900段由原設(shè)計Ⅲ級噴錨襯砌變更為加強型復(fù)合式襯砌：初支厚25cm，全環(huán)設(shè)I18鋼架，間距0.6～1.0m;二襯采用40cm厚C35鋼筋砼。初支與二襯間滿鋪排水板，邊墻底部設(shè)排水孔，間距3m。拱墻襯砌環(huán)向預(yù)留5個φ110長泄水孔，鉆孔中插入φ108鋼花管（8.0m長，外包土工布），縱向間距3.0m/環(huán);泄水孔通至二襯表面。

6.2復(fù)雜條件下溶洞處理

6.2.1溶洞基本情況

2018年6月11日永順隧道平導(dǎo)PDK67+921揭示充填溶洞，推測可能遭遇孔家灣—蘭花洞暗河。2018年10月22日隧道正洞施工至附近時，經(jīng)綜合探查，DK67+912～DK67+895左側(cè)20m～右側(cè)25m、頂部20m～底部10m范圍內(nèi)推測為巖溶發(fā)育，泥質(zhì)充填、巖溶水弱發(fā)育，如圖6、圖7所示。

隧道開挖后，揭示溶腔為孔家灣—蘭花洞暗河的主通道，暗河于隧道處為大型溶腔，溶腔整體呈長方體形，沿線路縱向長約16m，橫向?qū)挾燃s61m，高約31m，與隧道近90°相交;底部為水流主通道，上、下游方向均為管道通道，尤其是下游方向比較通暢，中間亦分布大小不一的溶腔。

經(jīng)地質(zhì)鉆孔進一步分析，暗河底部發(fā)育大型溶洞，空間高度最大達33.7m;全充填型為主，充填物為軟塑狀的粉質(zhì)黏土，松散粉土、細砂，局部為淤泥質(zhì)土;孔內(nèi)地下水發(fā)育。溶洞頂部局部有頂板，厚度3～6m，多為鈣質(zhì)膠結(jié)物和溶蝕化灰?guī)r，強度較差。

經(jīng)測暗河流量約3000m?/d，預(yù)測最大涵水量達10萬m?/d。隧道位于上下游中部水流通道較小（管道變?。┨帲鶕?jù)溶洞壁卵石殘留高度，推測排水不暢時雍水可至整個溶腔。

6.2.2處理措施

（1）增加支洞：該處溶洞距隧道底板高差達21m，從隧道正洞設(shè)置施工通道難度極大，后確定由貫通平導(dǎo)PDK67+895里程處邊墻向溶洞施作支洞作為施工通道，支洞與平導(dǎo)中線垂直，后期運營期間應(yīng)急排水通道及檢修通道，設(shè)置防護柵門等設(shè)施。

（2）臨時防護：溶洞頂板橫向約40.0m范圍內(nèi)采用噴錨網(wǎng)防護，噴砼厚10cm，確保溶洞施工期間洞壁穩(wěn)定，不掉塊。

（3）基底加固：為保證溶洞基底穩(wěn)定，溶洞底部設(shè)置樁基承臺，共設(shè)置鋼筋混凝土鉆孔樁（樁徑2m）14根，樁長14.0～36.0m;鉆孔樁施工采用鋼護筒（壁厚18mm）自樁頂跟進至基巖面（溶洞底板）以下0.5m;樁頂設(shè)3m厚C35鋼筋砼承臺，承臺側(cè)面與溶洞壁相接。

（4）巖溶水引排：溶洞基底鉆孔灌注樁施作完成后，沿暗河通道方向縱向相鄰樁間挖槽施作排水涵洞（3.0m寬×5.0m高），其底部2m深范圍內(nèi)硬質(zhì)巖渣換填。暗河下游段施作排水明渠（3.0m寬×2.0m高），順接上游排水涵;排水涵側(cè)墻預(yù)留排水孔，側(cè)墻背后增加30cm厚無砂砼反濾層。

（5）溶腔回填：承臺以上范圍空腔采用C20砼整體分層連續(xù)澆筑回填并分級留平臺，澆筑層厚度50cm。分3層預(yù)埋排水管（φ1.0m鋼筋砼排水管）、排水通道，共7根排水管;隧道線路右側(cè)邊墻外砼回填厚度3～5m，線路左側(cè)邊墻外空腔回填密實。

（6）襯砌結(jié)構(gòu)加強：DK67+915～DK67+880段采用控制爆破（爆破振速控制在5cm/s以內(nèi)）;初期支護采用Ⅲa型復(fù)合式襯砌參數(shù);二次襯砌采用Ⅴb型復(fù)合式襯砌;仰拱底設(shè)置縱橫向排水管網(wǎng)加密設(shè)置;同時分別在DK67+915、DK67+880設(shè)一道變形縫。

7結(jié)語

自2017年進入施工以來，我們針對不同的溶洞類型采取了不同的處理方式，先后攻克了大小共10多個溶洞的安全施工。同時，溶洞處理的效果較佳，到目前為止，經(jīng)過處理的隧道溶洞處無沉降、滲漏水的出現(xiàn)，且經(jīng)過了至少一個雨季的考驗，證明工程處理措施是成功的，達到了徹底治理的目的。

（1）嚴格按要求進行巖溶超前預(yù)報至關(guān)重要，在巖溶隧道施工中，必須加強地質(zhì)超前預(yù)報探測，將超前地質(zhì)預(yù)報納入工序管理。通過永順隧道施工實踐證明，中大型的巖溶一般是可以比較準確地預(yù)報出來的，可以在揭示前采取有效措施，預(yù)控風險，降低損失。

（2）巖溶處理是一項復(fù)雜的技術(shù)，處理方案應(yīng)建立在對巖溶發(fā)育特征進行詳細的調(diào)查與分析的基礎(chǔ)，因地制宜，綜合治理，一次根治，不留隱患，確保施工及運營安全。

（3）施工中能否順利、安全地對巖溶進行處理，防止二次災(zāi)害的發(fā)生，受很多因素的影響。施工中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，不斷對設(shè)計和施工方案進行動態(tài)優(yōu)化，同時針對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況做好必要的準備，采取有效的預(yù)控措施，才能確保巖溶處理安全、順利通過。

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