不規則串珠狀巖溶隧道施工及涌水處理方法研究

付善春，周宜松，郭 穩，晏 方

(1.信陽學院 土木工程學院，河南 信陽 464000；2.信陽學院 信陽市裝配式建筑重點實驗室，河南 信陽 464000；3.中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300000)

隨著國家大力加強基礎設施建設，交通路網逐漸覆蓋地形陡峭、峽谷深切、巖溶發育、地質條件復雜的西部山區，因而涌現出一大批具有“大埋深、長洞線、高應力、強巖溶、高水壓、構造復雜、災害頻發”等顯著特點的隧道工程，強富水、強巖溶和高地應力所造成的突涌水災害成為影響這些隧道工程建設的主要威脅之一[1-6]。

何橋等[7]以貴州省德江至務川高速公路德江特長分離式隧道巖溶高壓涌水為例，對雙洞連通型、單洞獨立揭露型和單洞獨立未揭露型高壓涌水采取引排泄壓反堵法，止漿墻結合軸向、徑向封堵法，超前預灌漿法等方法進行處理，成功治理了德江隧道多個斷面高壓巖溶涌水問題。宋詩文[8]結合楊林隧道右幅K19+903部位在典型富水巖溶發育、斷層等復雜地質條件下發生涌水事件，針對隧道巖溶地區季節交替帶的涌水特征，提出“洞內處理、近諸遠排、分級泄壓”治理設計思路。朱建偉等[9]以鄭萬鐵路小三峽隧道巖溶處理為工程實例，“梁板跨越+外封內排+支護加強”措施，介紹采用箱梁結構跨越溶洞與排水設計綜合治理技術。

本文以安六鐵路大用隧道巖溶地質施工為背景，通過揭示巖溶形態及所處位置的特點，分析隧道巖溶及涌水成因，介紹隧底大量不規則串珠狀空腔型溶洞施工情況及相關問題處理方法，供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

安六城際鐵路起于滬昆高鐵安順西站，終于六盤水站，全長117.8km，線路穿越貴州西部喀斯特山區，全線共有隧道62座，其中大用隧道位于黃桶北—六枝南區間，為雙線隧道，左右線間距為4.6m。隧道在DK38+285—DK38+345段穿越全充填型溶洞，埋深在15～60m之間，隧身被灰黑色淤泥質軟塑狀黏土填充物完全包裹，施工DK38+333—DK38+294段多次發生了塌方及巖溶涌水，目前，該段均未開挖下臺階，洞身及基底處理方案處理周期較長、風險較大。

大用隧道穿越巖溶強烈發育地層，溶洞沿空間方向分布范圍廣，隧身被充填軟黏土包裹，隧底發育大量不規則串珠狀空腔型溶洞，最深距隧底約50m，最大開挖高度達12.91m，最大開挖面積為148.65m2，為超大斷面隧道。

2 巖溶及涌水成因分析

2.1 巖溶隧道涌水情況

2019年6月14日晚六枝境內暴雨，6月15日上午10:00左右，DK38+325處上臺階線路左側拱腳涌水(線路左側見基巖)，水質清澈，最大涌水量約3300m3/h，噴出最大高度約1.7m；DK38+354處迂回導洞進洞5m右邊墻起拱線處(線路左側見基巖)，最大涌水量近11000m3/h。

2020年6月1日晚及6月3日晚六枝境內暴雨，分別于6月2日和6月4日到現場踏勘，DK38+293.5及DK38+297處線路左側等樁基孔中向外冒水，水量約2000～2300m3/h；DK38+354處迂回導洞進洞5m右邊墻起拱線處涌水量約10000m3/h。

2.2 溶洞成因分析

六枝向斜核部巖體破碎程度高，由可溶巖地層組成，其間夾泥灰巖，為隧址區相對隔水層，該向斜構成貯水構造明顯，致洞身巖溶發育、地下水豐富，如圖1所示。

(1)構造影響：洞身橫穿六枝向斜核部，向斜軸向約N50°W，其NE翼巖層產狀有N80°W—EW/16°—40°S(W)，ES翼巖層產狀有N45°W—NS/26°—40°(N)E，節理裂較發育，產狀主要有N20°—30°E/90°、N75°W/90°、N50°E/90°、N50°W/90°、N35°W/48°SW。

(2)可溶巖組成：向斜核部由三疊系中統法郎組、關嶺組地層組成，隧區可溶巖分布廣泛，洞身巖性為三疊系中統法郎組(T2f)灰巖、白云質灰巖夾泥灰巖，關嶺組三段(T2g3)白云質灰巖、白云巖及關嶺組二段(T2g2)灰巖。法郎組及關嶺組二段巖溶中等—強烈發育，而關嶺組三段巖溶弱—中等發育[10]。

(a)充填軟塑狀黏土溶洞

3 施工情況及問題處理

3.1 施工情況

根據地質情況、工期要求、場地情況(場地狹窄僅14m寬×75m長)，選擇意大利柯麥克MC5多功能履帶鉆機(施工范圍：3.4m高)、YT-28鉆(3.4m以上)作為鉆孔徑向注漿鉆孔設備，150地質鉆機作為袖閥管注漿鉆孔設備(占地面積小、施工速度快：1根/臺·天)。

根據地勘資料，隧底以下依次為回填碎石土、淤泥質粉質粘土、破碎灰巖或白云巖、中風化灰巖或白云巖，夾串珠狀小溶腔，地層呈多樣性，軟硬交替，風鉆水鉆成孔困難、易塌孔，宜采用套管護壁跟管鉆進成孔。袖閥管施工工藝如圖2所示，施工參數如下：①袖閥管管徑φ76mm，溢漿孔沿管縱向0.35m一環，每環6個8mm溢漿孔，兩兩對稱；②套殼料采用膨潤土：水泥：水=1.5：2：2的混合材料；③注漿材料采用水泥漿：水灰比為0.8:1；④注漿壓力為1.0～6.0MPa。

圖2 袖閥管施工工藝示意圖

3.2 施工存在的問題及建議

(1)由于隧道處于大溶腔范圍，且隧底以下有串珠狀小溶腔，目前已經鉆孔的小溶腔含小卵石及細沙，圍巖破碎多樣，直接鉆孔，容易塌孔嚴重，不返渣，而采用套管跟進容易卡鉆抱死鉆桿和套管，鉆具損耗大，建議加大套管直徑，保證反渣順暢。

(2)結合目前袖閥管鉆孔施工取出的芯樣推測，溶洞下部可能為古暗河通道底，考慮到袖閥管注漿可以堵水，而硫鋁水泥結石率高，強度上升快，抗流失性好，后期強度也較高。建議袖筏管施工采用硫鋁水泥材料注漿。

(3)袖閥管鉆孔直徑設計100mm，實際鉆孔直徑130mm，根據目前施工情況，需146mm套管跟進方可保證不塌孔，建議調大鉆孔徑及要求，采用全套管跟進施工工藝。

(4)旋噴樁設計樁徑60cm，且設計樁距1m×1m，實際試驗孔樁徑47cm，施工達到設計要求樁徑難度較大，為保證加固效果達到要求的承載力，建議考慮調整旋噴樁間距。

4 溶洞及涌水處理方案

4.1 結構變形控制

為確保支護結構穩定及施工安全，結構變形控制主要采取如下措施[11]。

(1)增大預留變形量。

為預留足夠的變形及補強空間、避免侵限，DK38+270—DK38+280段預留變形量調整為35cm；DK38+280—DK38+330段預留變形量調整為75cm。

(2)加強鋼架鎖腳，控制沉降變形。

DK38+270—DK38+280段各臺階鋼架腳均采用φ76鎖腳錨管，每根長9m，每處2根；DK38+280—DK38+330段上臺階鋼架腳設置φ76鎖腳錨管，每處2根，每根長9m。DK38+280—DK38+330段中、下臺階鋼架腳采用“斜向旋噴樁+φ76鎖腳錨管”加固，如圖3所示，具體要求如下。

①旋噴樁采用雙重管法施工，旋噴樁直徑60cm，中、下臺階鋼架腳每處設3排旋噴樁，角度分別與豎直方向成20°、15°、10°。

②中、下臺階每處鋼架腳設置2根φ76鎖腳錨桿、長9m，φ76鎖腳錨桿應設置于施作完成后的旋噴樁中，其設置角度與最外側旋噴樁角度一致。

③旋噴樁應進入基巖不小于1m且最大長度不超過15m，具體長度應根據邊墻外全充填灰黑色淤泥質軟塑狀黏土厚度確定。

④旋噴樁施工前，應施作廢漿池，避免旋噴樁施工廢漿污染隧道內作業環境。

圖3 DK38+280—DK38+330段支護結構及施工工序示意圖

(3)增設臨時型鋼套拱。

截至2019年9月20日，DK38+300—DK38+330段初期支護最大沉降達50cm，為確保初支穩定，現場施工單位于DK38+300—DK38+330段中、上臺階初期支護表面增設I22a型鋼臨時套拱，間距0.8m。DK38+300—DK38+330段中臺階旋噴樁及鎖腳施工完成且達到設計強度后，逐榀拆除DK38+300—DK38+330段I22a型鋼臨時套拱，并施工第一道及第二道錨索，如圖3所示，在錨索到達設計強度后，方可開挖下臺階。

(4)加強鋼架縱向連接，提供整體性。

截至2019年11月18日，DK38+330—DK38+298段上、中臺階初支已施作完畢，該段下臺階初支鋼架間采用I16型鋼縱向連接，環向間距1.5m；DK38+298—DK38+293段上臺階初支已施工完畢，該段中、下臺階初支鋼架間采用I16型鋼縱向連接，環向間距1.5m；DK38+293—DK38+280段尚未開挖，拱墻范圍初支鋼架間采用I16型鋼縱向連接，環向間距1.5m；I16型鋼端頭各采用2塊10#角鋼(d=12mm)與初支鋼架焊接，每塊角鋼長12cm。

(5)邊墻設置錨索，控制水平收斂。

由于DK38+285—DK38+330段初支收斂變形較大，考慮后續筏板、樁基施工周期較長，為確保施工安全，本段左右側邊墻分別增設3道預應力錨索，如圖3所示，第一道錨索位于內軌頂面位置，第二道錨索位于內軌頂面上2.5m位置，第三道錨索位于內軌頂面上5m位置，錨索縱向間距為1.8m。錨索應進入基巖不小于4.5m(錨固段長4.5m)，長度應根據各斷面實際情況確定。

目前，尚未有現場側壓力測試參數及相關試驗，錨索預應力暫按100kN施作。錨索施工前應進一步補充側壓力相關測試資料。錨索施工前應選擇相同的地層進行拉拔試驗，試驗孔數不少于5孔，根據拉拔試驗情況必要時應調整錨索參數。

4.2 隧底處理

大用隧道DK38+265—DK38+363段基底采用樁筏結構。結合補勘溶洞形態，對DK38+288—DK38+345段共57m隧底采用樁筏結構，樁筏結構設計具體如下：鉆孔樁樁徑1.50m，樁長7～47m，樁橫向間距4.5m、縱向間距3.5m，共45根，采用C35鋼筋混凝土，樁底嵌入基巖(W2)深度不小于3m；樁身通過充填淤泥質黏土溶洞段設鋼護筒，壁厚10mm，每2.0m一節；樁頂筏板橫向寬12.43～13.08m，筏板厚1.5m，采用C35鋼筋混凝土。DK38+270—DK38+345段隧底樁筏結構平面布置、縱斷面和典型橫斷面如圖4、圖5和圖6所示。

DK38+288—DK38+300段及DK38+330—DK38+345段襯砌底板與筏板間10cm空隙采用與二襯同級混凝土回填。DK38+280—DK38+290段隧道底部溶洞采用C25砼換填，回填深度要求進入完整基巖不小于1.0m。

圖4 DK38+270—DK38+345段隧底樁筏結構平面布置圖

圖5 DK38+270—DK38+345段隧底樁筏結構布置縱斷面圖(隧道中線)

圖6 DK38+270—DK38+345段隧底樁筏結構布置典型橫斷面圖

4.3 巖溶涌水處理

4.3.1 增設泄水洞

根據施工揭示的巖溶情況、施工中發生過的涌水情況及本段的地質資料，擬于本隧DK38+053.91至出口段增設泄水洞，通過其泄水降壓，對地下水進行充分引排，確保隧道襯砌結構及長期運營的安全。其中，于DK38+053.91—+585.11段左線線路中線前進方向左側25m處設置左線泄水洞；于DK38+277.23至出口段左線線路中線前進方向右側30m處設置右線泄水洞；于DK38+600處設置一下穿正洞段連接左右線泄水洞。泄水洞凈空斷面尺寸為4.5m(寬)×5m(高)。泄水洞平面布置情況如圖7所示。

圖7 泄水洞平面布置示意圖

(1)左線泄水洞

泄水洞位于左線線路中線前進方向左側25m，起點里程ZXDK38+050(=DK38+053.91)，終點里程ZXDK38+585(=DK38+585.11)，全長535m，均位于R=3525m的右偏曲線上。ZXDK38+050處坑底高程較正洞DK38+053.91處中心水溝低1.5m，ZXDK38+050—+545段線路坡度為10‰的下坡；由于下穿段受凈空限制，ZXDK38+545—+585段線路坡度調為98.8‰的下坡與下穿段順接。

(2)右線泄水洞

泄水洞位于左線線路中線前進方向右側30m，起點里程YXDK38+280(=DK38+277.23)，終點里程YXDK39+064(=DK39+068.02)，全長784m，均位于R=3470m的右偏曲線上。為引排地表漏斗溶腔水，YXDK38+280—+615段采用高位泄水洞，線路坡度為82‰的下坡；于YXDK38+615處與下穿段順接；YXDK38+615—YXDK39+064段線路坡度為3‰的下坡。

(3)集水廊道

為更加有效地引排隧道正線周圍地下水，充分達到排水泄壓的目的，于左線泄水洞ZXDK38+323、ZXDK38+335、ZXDK38+410、ZXDK38+470、ZXDK38+530處及右線泄水洞YXDK38+292、YXDK38+479處設7處集水廊道，具體布置情況如圖8所示。

圖8 泄水洞6#集水廊道平面布置圖

4.3.2 DK38+290附近地表溶蝕漏斗

施工期間，為減少地表水下滲，確保施工安全，DK38+302—+327段地表溶蝕漏斗采用彩條布覆蓋并設置截水天溝。運營期間，為將洼地匯入溶洞內的水直接引入泄水洞，于右線泄水洞YXDK38+292處設置6#集水廊道。為防止洼地底部沖刷流失，對洼地底部采用C20混凝土鋪砌，鋪砌厚度不小于30cm。

4.4 洞內結構防排水體系

4.4.1 防水措施

(1)DK38+270—DK38+345段初期支護與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設EVA防水板加無紡布防水。

(2)DK38+270—DK38+345段縱向施工縫采用中置鍍鋅鋼板止水帶+混凝土界面劑防水；拱墻及仰拱(底板)環向施工縫采用外貼式塑料止水帶+中埋式鍍鋅鋼板止水帶防水。

(3)溝槽分段接頭施工縫采用混凝土界面劑進行防水處理。

(4)DK38+288、DK38+316、DK38+345處應設置變形縫，變形縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶+外貼式橡膠止水帶+聚硫建筑密封膏嵌縫，同時變形縫采用聚乙烯泡沫塑料板填充。

4.4.2 排水措施

(1)為進一步加強本段地下水引排，DK38+270—DK38+345段采用φ50環向盲管加密至每間隔3m一環，并且中心水溝與側溝連接處φ100mmPVC橫向導水管，縱向間距加密至5m。

(2)DK38+270—DK38+345段筏板底部設置砂卵石反濾層，厚30cm。中心水溝左右側均設置φ110豎向泄壓管(HDPE波紋管)，泄壓管端頭設置過濾網并外裹無紡布，防止堵塞，單側縱向間距3.5m，左右交替布置。泄壓管下端應伸入筏板底部砂卵石反濾層中，泄壓管上端管口距離中心水溝溝底60cm。

(3)DK38+270—DK38+345段兩邊墻腳于縱(環)向盲管出水口之間，按縱向間距1m設置一道泄水孔，泄水孔直徑不小于110mm，孔口距側溝底不小于25cm，排水坡度不小于10%。

(4)為加強DK38+270—DK38+345段施工縫及變形縫處地下水引排，在施工縫及變形縫處于拱墻范圍EVA防水板與土工布間設置一幅凸殼式排水板，幅寬1m。

通過研發隧道底部基礎多層溶洞探測技術，分層次、分階段綜合使用地質分析法、紅外線溫度探測法和地質鉆探測法、雷達探測法和聲波反射法，實現對溶洞群的準確判定，同時極大減少探測時間。針對緊鄰暗河巖溶隧道施工，將較完整的巖石作為支撐，利用水平插入工字鋼建立懸臂剛性梁，從而形成地層加固體系，提高了穿越巖溶充填體區域隧道的穩定性。此外，針對洞內巖溶水水量大、水壓高的特點，在確定水壓和水量的基礎上、通過漏水分流、分層次封堵、隨機注漿堵等手段成功解決了洞內排水問題。

結語

在隧道施工所遇到的不良地質中，巖溶地質是較難處理的地質類型之一，若巖溶地質處理方法不當，將會給隧道安全施工帶來極大的影響，強富水、強巖溶和高地應力所造成的突涌水災害成為影響隧道工程建設的主要威脅之一。

以安六鐵路大用隧道巖溶地質施工為背景，隧道處于喀斯特巖溶地區，其工程地質復雜、開挖斷面大，巖體破碎程度高，由可溶巖地層組成，洞身巖溶發育、地下水豐富，施工難度高；由于六枝境內多次暴雨造成洞內大量涌水，威脅施工安全，通過現場勘察、分析施工中存在的問題，并采取加強支護結構變形控制、樁筏結構隧底處理、增設泄水洞和地表溶蝕漏斗、設置洞內結構防排水系統等措施對溶洞隧道涌水進行處理，并結合處理過程提出建議。該方案安全有效，可供類似工程的處理施工提供參考。