隧道穿越全填充型溶洞開挖及支護施工技術

李海濤

(中國建筑第八工程局有限公司 上海市 200112)

0 引言

隧道是指在巖土體內開挖形成的用作地下通道的地下建筑結構物。巖溶(又稱喀斯特)是地下水對可溶性巖石長期化學溶蝕形成的，將處于此類地質條件下的隧道稱為巖溶隧道。

我國巖溶主要分布在西南地區，隨著近年來我國經濟的快速發展，在西南偏遠地區的鐵路、公路的建設規模越來越大，巖溶隧道的建設數量也越來越多，在眾多巖溶地質中，由于填充型溶洞充填介質滲流失穩，引起巖溶隧道突水突泥等地質災害，因此填充型溶洞是隧道最不利的地質之一。國內許多學者對溶洞進行研究，蔣良文等[1]依托圓梁山隧道項目，得出大型溶洞是由于巖溶地下水在褶曲內部的流動以及虹吸作用下先形成管道，后經長期沖刷形成的。閻長虹等[2]通過貴州普定區域大量的野外地勘數據，得出地下水在斷層裂縫中便于巖溶的形成。李術才等[3]依據斷裂力學理論，得出了巖體的安全厚度，建立由圍巖擾動區與開挖破壞區組成的最小安全厚度分析方法。另外一些學者對于由溶洞引起的隧道穩定性問題進行分析，趙明階等[4]通過數值模擬和模型試驗相比較，分析得出由巖溶引起隧道周圍巖體的變形主要發生在開挖瞬間。吳夢軍、代永文、譚代明等[5-7]利用數值軟件對巖溶位于隧道不同位置對隧道施工穩定性進行研究。金美海等[8]基于Mathematica編程模擬溶洞不同位置、不同巖溶水壓對襯砌結構的受力進行分析。宋戰平[9]對西南地區大量巖溶隧道的整理，建立了“空場”模型和“溶蝕”模型，研究溶洞對隧道襯砌穩定性。劉揚等[10]通過數值和回歸分析相結合的方法對盾構隧道和下伏溶洞間的最小安全厚度進行研究。房忠棟等[11]利用COMSOL軟件對隧道前方承壓溶洞與隧道的隔水巖體厚度進行研究。

以上學者的研究，主要是通過數值模擬或者試驗方法對巖溶隧道進行研究，很少有學者進行工法方面的研究，本文依托貴州大用隧道項目，進行填充型溶洞開挖及支護施工工法的研究，得出隧道穿越充填型溶洞的施工方案。

1 工程概況

1.1 溶洞概況

通過地勘資料得知，DK38+363～DK38+265段隧道穿越全填充型溶洞，隧道洞周6～28m為灰、黃、黑色淤泥質黏土、腐殖土。隧頂以上20～26m為充填軟黏土的溶洞，接近地表為空溶腔，空腔深度約25m；同時隧底發育串珠狀溶洞，深度約50m。隧道左側邊墻外溶洞發育最寬26m，右側邊墻外溶洞發育最寬1238m。隧底補堪芯樣的巖石強度大部分在35.9～63.7MPa之間，最高可達106.8MPa。洞身穿越溶洞段落地表有一尺寸大小約為25m(長)×15m(寬)×35m(深)的溶坑，溶坑位于隧道正線里程DK38+330～DK38+305段正上方，隧底以下溶洞充填物為黑色、褐黃色軟塑狀黏土。雨季洞內涌水量較大，補給水源為地表水。如圖1所示。

圖1 巖溶位置示意圖

1.2 施工重難點分析

(1)工程地質復雜。大用隧道穿越充填型溶洞，隧道周圍充滿軟粘土溶腔，隧道底部具有大量串珠型空腔溶洞，對隧道開挖過程圍巖穩定性有較大的影響，由于工期時間短，對隧道施工的處理方案有較高的要求。

(2)開挖斷面大。隧道Ⅴ級圍巖Ⅴc型復合式襯砌斷面最大開挖跨度達14.45m，最大開挖高度達12.91 m，最大開挖面積為148.65m2，為超大斷面隧道。

(3)施工難度高。在施工過程中多次發生突水突泥等地質災害，掌子面開挖時多次坍塌，初期支護也發生開裂，影響隧道施工的安全。

2 充填型巖溶隧道施工技術

2.1 巖溶段加固技術

大用隧道橫穿六枝向斜核部，巖溶強烈發育，隧道DK38+345～DK38+270段穿越全填充型溶洞。由于溶洞形態具有不規則性，通過比較不同超前地質預報的優缺點，提出合理的地質預報方法來確定巖溶范圍和富水情況。根據地勘結果，為了隧道巖溶段施工安全并保證工后的正常運營，提出隧道三臺階開挖“樁筏”結構設計方案，基于“樁筏”結構，合理確定筏板段長度和厚度、樁基間距和長度、旋噴樁尺寸等處治措施參數。由于采用綜合處治的施工方案，隧道施工工序繁瑣，提出一套合理的監測方案來確保施工處治措施(樁基、筏板、旋噴樁、錨索等)達到設計的要求，保證施工質量。巖溶加固處理如圖2所示，施工流程如圖3所示。

圖2 巖溶處理加固示意圖

圖3 施工流程

2.2 施工中重點

2.2.1旋噴樁施工

大用隧道施工中在中臺階、下臺階采用旋噴樁進行支護，旋噴樁施工順序為：鉆機就位→鉆孔及清孔→下注漿管→制漿→高壓旋噴注漿→沖洗機器。旋噴樁參數如表1所示。

施工中應注意以下一些問題：

(1)旋噴注漿時應由下而上施工，在施工過程中嚴格控制注漿參數和鉆桿參數。旋噴注漿時，應先在孔底噴射1min，當壓力達到設計要求時，邊旋噴邊提升。若施工過程中發生機械問題，鉆桿位置靜止不動，立刻查找問題，解決后繼續施工。

表1 旋噴參數

(2)再旋噴樁施工過程中，應嚴控控制漿液溢出量，按設計要求，漿液溢出應低于注漿的20%，若超過或沒有溢出應查出原因，同時采用應對的措施。

(3)考慮到旋噴工作以及機器位置所占用的施工區域，應采取間隔施工，前后施工的兩根樁，距離應在2～4 m，前后施工間隔48h。

2.2.2錨索施工

本隧道在DK38+330～DK38+285采用錨索施工，錨索施工順序：測量放線→整平初支面→鉆機就位調整角度→鉆孔及清孔→安裝墊板、錨索、錨具、注漿管及排氣管→注漿→張拉鎖定→封錨。施工參數如表2所示，錨索布置圖如圖4所示。

表2 錨索施工參數

在錨索施工過程重點：

(1)鉆孔是錨索施工中最重要的工序，為滿足設計要求和工期要求，鉆孔時采用風動轉進，嚴禁水動鉆進。在鉆進時，按設計要求的長度將鉆孔用的鉆桿依次放置，鉆桿耗盡，深度剛好達到設計要求，鉆孔工作結束后用清水沖洗鉆桿及鉆機。鉆孔后用高壓風沖洗孔道。

圖4 錨索布置示意圖

(2)錨索制作時，必須采用機械進行切割。鋼絞線不能焊接，必須放置整齊，線與線不得交叉，不得擰在一起。有損傷的嚴禁使用，自由段鋼絞線應套上PVC套管，裝好套管后依次裝入錨索孔，自由段套管兩端1 m內用黃油填充，套管端頭用膠布包裹。由于本隧道錨索水平設置，故排氣管應從孔口往里伸入錨索孔1 m，安置在孔壁高端。錨索結構如圖5所示。

2.2.3袖閥管施工

袖閥管注漿采用探灌結合的方法施工，袖閥管參數見表3，施工順序如圖6所示。

圖5 錨索結構細部示意圖

表3 袖閥管參數

圖6 袖閥管注漿施工工藝流程圖

施工中應注意以下問題：

鉆孔達到設計深度清孔后，自下而上灌注套殼料，套殼料采用膨潤土水泥漿，膨潤土∶水泥∶水=1.5∶2∶2。套殼料主要用于封閉袖閥管與孔壁的空隙，防止在注漿時導致漿液滲出。施工中應利用鋼制袖閥樁鉆孔進一步探明溶洞位置及其邊界等，當與設計要求不同時，應立刻處理，確保施工安全，在注漿過程中發現注漿量超過設計但注漿壓力沒有提高時，應調整注漿工藝，間歇注漿，并及時報告相關單位，以便處理。具體施工要求如下：孔距1 m×1 m，梅花型布置，孔深已深入最下部串珠狀溶洞底基巖不小于1 m，鉆孔直徑采用Φ130，套管采用Φ146。

2.2.4徑向注漿施工

本隧道在DK38+345～DK38+290使用徑向注漿，徑向注漿施工順序為：測量放點→打孔→清孔→裝管→埋設監測片→注漿。徑向注漿參數如表4所示。

表4 徑向注漿參數

施工時應注意以下幾點：

注漿采用隔孔注漿，嚴禁緊鄰注漿以防串漿。注漿順序為從低到高，從下往上，先灌注拱腳、拱腰，最后注漿隧道拱頂。注漿采用水灰比0.8∶1的水泥漿液。注漿壓力0.5～1MPa。注漿過程中若周邊出現滲漏漿串漿，則停3～5min后接著注，直至注不進去為止。若一開始注漿便漏漿，則用水泥+水玻璃雙液漿注3～5min堵住滲漏點后繼續注，直至注漿壓力達到設計壓力。同時在注漿過程中應實時監測，若注漿時注漿孔附近出現突然的變形擴大或累計變形值超過隧道初支警戒值則需停止注漿，分析原因，解決處理并調整注漿參數后方可繼續進行注漿作業。

3 結論

依托安六鐵路大用隧道工程，探討隧道穿越全充填型溶洞時的施工方法，通過現場的勘察資料，以及施工情況，最終采取隧道三臺階開挖“樁筏”結構設計方案，通過研究旋噴樁、袖閥管、徑向注漿這三個施工重點，主要解決了隧道施工過程中的掌子面穩定性、初期支護開裂問題，使三臺階開挖“樁筏”結構設計方案，最大限度地保證施工速度，以及施工的安全性，也能提高企業的經濟效益。