鐵路隧道可溶巖與非可溶巖接觸帶施工技術(shù)研究

呂曉科

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司河北涿州072750）

1 工程概況

1.1 地形地貌

隧道K148+620~K148+636段地表屬于溶丘臺(tái)地和壟崗槽谷地貌，屬于可溶巖與非可溶巖接觸帶，段落內(nèi)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，在K148+360~K149+100段線路左側(cè)，在高程約620 m位置發(fā)育一處大型巖溶溝槽，該溝槽延伸長度約5 km，寬度約1 km，溝槽內(nèi)地勢較為平坦，高差較小，約30 m以內(nèi)；地表溝槽內(nèi)巖溶沖蝕洼地、溶丘相間密布，巖溶漏斗、落水洞南北走向分布，呈串珠狀，規(guī)模不定；槽谷下部高程550 m附近發(fā)育一暗河，出口位于洼地南緣，里程為K148+515左77.6 m，暗河出口高程約為540 m。

1.2 地層巖性

隧道該段地層巖性主要為二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖（P1qLs+csh）：灰?guī)r，深灰色，礦物成分以方解石等為主，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚-厚層狀構(gòu)造，局部含燧質(zhì)條帶，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整。炭質(zhì)頁巖，以夾層形態(tài)分布，薄層狀構(gòu)造，變余層理結(jié)構(gòu)，頁理發(fā)育，礦物以黏土礦物及碳為主，巖質(zhì)較軟，手摸可污手。巖石表面溶蝕嚴(yán)重，溶蝕溝槽發(fā)育。風(fēng)化層厚0.5~1 m，級(jí)軟石，σo=400 kPa；完整巖石，級(jí)次堅(jiān)石，σo=1000 kPa。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

K148+620~K148+636段位于二戶溪背斜東南翼，屬于單斜構(gòu)造。K148+570附近為二疊系下統(tǒng)棲霞組可溶巖與泥盆系上統(tǒng)黃家磴組非可溶巖接觸帶，兩套巖性為整合接觸，接觸帶內(nèi)局部發(fā)生揉皺現(xiàn)象，巖體被切割成塊狀及角礫狀，風(fēng)化及溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.4 水文地質(zhì)特征

（1）地表水

沿線附近地表水發(fā)育情況為：非可溶巖地區(qū)比可溶巖地區(qū)較發(fā)育。地表河流走向受地質(zhì)構(gòu)造、巖石特性、地形地貌等方面影響，干流與支流相交大部分呈現(xiàn)為蜘網(wǎng)狀、樹枝狀等，地表徑流情況受季節(jié)性降水影響較大。

（2）地下水

K148+620~K148+636段地下水類型主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙溶洞水。本段與隧道關(guān)系較為密切的地下暗河即在臥云界槽谷下部發(fā)育的暗河(S1A-X52)，長度約1500 m，分布在隧道線路左側(cè)，與隧道基本呈90°垂直，暗河出口里程為K148+516左側(cè)77 m，高程為540 m，定測勘察期間實(shí)測流量約18 L/s，雨后流量明顯增加，歷史記載最大流量約2200 L/s(1961年9月測)，該暗河系統(tǒng)為臥云界溶蝕槽谷的主要排泄通道。

1.5 巖溶

該段地表屬壟崗臺(tái)地地貌，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，為溶蝕槽谷地貌。該區(qū)由于小里程側(cè)為深切河谷，地表水由東向西排泄通暢。地表溶蝕地貌主要表現(xiàn)為溶牙，溶槽。巖溶漏斗，落水洞分布較少。但由于小里程側(cè)為非可溶巖，為巖性接觸帶，巖溶相對(duì)發(fā)育強(qiáng)烈，本次物探揭示，該段地下巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，為低阻帶，深孔鉆孔驗(yàn)證揭示，在隧道洞身附近串珠狀溶洞發(fā)育。

2 現(xiàn)場施工情況

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

（1）TSP資料情況

K148+618～K148+637段為灰?guī)r，巖溶發(fā)育，巖體破碎，泥質(zhì)充填，巖溶水發(fā)育，水量增大。

（2）地質(zhì)雷達(dá)資料情況

K148+618～K148+628段為灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，巖溶水發(fā)育，巖體破碎；

（3）紅外探水資料情況

掌子面前方30 m范圍內(nèi)裂隙水、巖溶水較發(fā)育，水量較當(dāng)前掌子面增大，提前做好防排水措施。

（4）超前水平鉆資料情況

圖1 水平鉆孔布置圖

圖2 溶洞平面圖

①隧道施工至K148+570時(shí)，由于當(dāng)時(shí)掌子面接近二疊系下統(tǒng)棲霞組可溶巖與泥盆系上統(tǒng)黃家磴組非可溶巖接觸帶，風(fēng)險(xiǎn)較大，根據(jù)建設(shè)指揮部組織對(duì)隧道進(jìn)口可溶巖與非可溶巖接觸帶設(shè)計(jì)技術(shù)交底會(huì)議要求，在K148+570掌子面設(shè)計(jì)的①號(hào)水平超前鉆孔采用取芯施鉆，鉆孔長度68 m，其中K148+625～K148+635（55～65 m）為溶洞，黃色粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂、碎石充填，有水。

②隧道上臺(tái)階施工至K148+616掌子面時(shí)，按原設(shè)計(jì)進(jìn)行了②號(hào)上仰水平鉆孔施工，鉆孔長度20 m，其中K148+626～K148+638為溶洞，黃色粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂、碎石充填，有水；

③隧道中臺(tái)階施工至K148+605掌子面時(shí)，按原設(shè)計(jì)進(jìn)行了③、⑤號(hào)外上偏水平鉆孔施工，鉆孔長度20 m，均無異常。

2.2 溶洞形態(tài)

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料情況，判定隧道前方K148+620～K148+636段發(fā)育一大型充填型溶洞。溶洞形態(tài)不規(guī)則，主體主要發(fā)育在掌子面正前方及右側(cè)，自掌子面左上方向右下方發(fā)育，探測最大縱深約18 m，橫向?qū)挻笥? m，向上有補(bǔ)給通道、向下有排泄通道，溶洞內(nèi)充填物為流塑‐軟塑的粉質(zhì)粘土夾碎石土，極為松散，此溶洞直接揭示易產(chǎn)生掌子面及拱部溶洞土體失穩(wěn)坍塌，進(jìn)一步引起大規(guī)模突泥突水。推斷溶洞的大致形態(tài)為：

圖3 溶洞縱斷面圖

3 處理方案

3.1 總體施工方案

掌子面暫停開挖作業(yè)，對(duì)掌子面巖溶發(fā)育區(qū)域進(jìn)行局部超前帷幕注漿加固，加固范圍：中部及右側(cè)中上臺(tái)階及其開挖輪廓外5 m范圍，縱向長度20 m；注漿完成后由建設(shè)指揮部組織四方對(duì)帷幕注漿效果進(jìn)行取芯驗(yàn)證；取芯驗(yàn)證合格后進(jìn)行超前管棚施工；開挖支護(hù)過程中在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加一排40°超前小導(dǎo)管，所有超前小導(dǎo)管及徑向注漿采用水泥-水玻璃雙液漿；右側(cè)在溶洞范圍內(nèi)的鋼架采用φ89鎖腳錨管，深入基巖不小于4 m。

3.2 具體施工措施

3.2.1 帷幕注漿

（1）施作止?jié){墻

根據(jù)預(yù)報(bào)資料，安全巖盤3 m，滿足注漿要求，對(duì)掌子面采用C25網(wǎng)噴砼封閉，網(wǎng)噴砼厚度為20 cm。

（2）打孔作業(yè)

根據(jù)鉆孔坐標(biāo)參數(shù)表放樣出各孔具體位置，采用紅油漆標(biāo)識(shí)并編號(hào)，注漿鉆孔直徑采用φ130 mm，孔口管采用φ108 mm，壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管，管長2 m，各孔長度及角度見表1。

表1 鉆孔坐標(biāo)參數(shù)表

放樣后各孔正面位置及側(cè)面位置下圖。

圖4 各孔正面位置圖

圖5 各孔側(cè)面位置圖

圖6 管棚與雙排小導(dǎo)管布置圖

（3）注漿作業(yè)

每一循環(huán)注漿長度為20 m，不含安全巖盤，開挖17 m，并保留3 m止?jié){盤。注漿孔擴(kuò)散半徑1.5 m，孔底間距不大于2.5 m布置，每一循環(huán)共設(shè)5環(huán)36個(gè)注漿孔。鉆孔及注漿順序由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工，采用前進(jìn)式注漿，單號(hào)孔注單液漿，雙號(hào)孔注雙液漿，注漿壓力為0.5~1.5 Mpa。

3.2.2 超前管棚施工

帷幕注漿合格后，進(jìn)行管棚施工，溶洞側(cè)管棚間距調(diào)整至30 cm，無溶洞側(cè)按原設(shè)計(jì)60 cm施作。

管棚縱向12 m一環(huán)，相鄰兩環(huán)之間水平搭接長度不小于3 m。

管棚設(shè)計(jì)參數(shù)①鋼管規(guī)格：外徑89 mm，壁厚5 mm；②管距：環(huán)向間距根據(jù)與溶洞位置關(guān)系設(shè)置為30 cm或60 cm；③傾角：外插角6°～8°，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際施工情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；④注漿材料：M10水泥砂漿；⑤設(shè)置范圍：拱部120°范圍；⑥管棚單根長度：12 m。

3.2.3 超前小導(dǎo)管施工

原設(shè)計(jì)φ42超前小導(dǎo)管與管棚搭配使用，Φ42小導(dǎo)管長4 m，采用熱軋無縫鋼管，壁厚3.5mm，導(dǎo)管體設(shè)置溢漿孔，孔徑為6 mm，孔間距為25 cm，呈梅花形交錯(cuò)布設(shè)，前端加工成錐形，便于推送安裝，尾部設(shè)置長度大于100 cm的止?jié){段，不設(shè)置溢漿孔。導(dǎo)管環(huán)向間距60 cm，外插角10°~15°，可根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

因溶洞發(fā)育，溶洞側(cè)增加一排40°超前小導(dǎo)管，同徑向注漿均采用雙液注漿。

3.2.4 鎖腳錨管施工

凡處于溶洞填充物附近的鋼架，每處連接板增設(shè)2根Φ89鎖腳錨管，嵌入基巖不小于4 m，采用水泥砂漿錨固，并用“L”型鋼筋與鋼架連接緊密。若填充物較厚，錨管不能嵌入基巖，采用擴(kuò)大拱腳基礎(chǔ)，縱向連接筋加密，環(huán)向間距0.5 m。

4 結(jié)語

通過制定科學(xué)、合理、有效、經(jīng)濟(jì)的接觸帶施工方案，并嚴(yán)格過程實(shí)施，安全順利的通過了此接觸帶。經(jīng)過對(duì)施工過程中及后期的初支、襯砌進(jìn)行變形觀測，確定該段已穩(wěn)定。

在今后的鐵路隧道施工過程中，特別是巖溶發(fā)育的隧道，必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用鉆探及物探相結(jié)合的方式，對(duì)隧道前方地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，并做好施工過程中及后期的變形觀測工作。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及變形觀測工作必須嚴(yán)格按要求納入工序循環(huán)管理，嚴(yán)格按要求施作，并指導(dǎo)施工。