蒙華鐵路分宜地區巖溶隧道處治施工技術

詹經宇

（中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司，江西南昌 330009）

0 引言

溶洞為巖溶洞穴，洞的存在會使得圍巖應力不均勻分布，并且這種不均勻分布通常無規律可循，這會使得隧道支護節構發生開裂，穩定性較差[1]，甚至引起隧道塌方[2]，造成工程投資的增加甚至還會危及施工安全人員的人生安全。并且一旦發生塌方，同常會伴隨著突泥突水，大量的泥沙夾水涌入隧道，不僅會淹沒隧道，沖毀施工臺車，造成施工中斷，甚至會使隧道周邊位移的擴大，導致地表開裂下沉，引發山體滑坡，使得整個工程建設毀于一旦。

巖溶處治方案的制定以安全、質量為主題，以“強本簡末、服務運營”為目的。結合蒙華鐵路實際工程，研究不同類型的隧道巖溶處理措施尤為重要，為類似工程提供經驗。

1 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-32 標一工區位于江西新余市分宜縣，地質以灰巖為主，主要可溶巖為三疊系中下統、二疊系下統、石炭系、灰黃、灰黑色灰巖、角礫狀灰巖、結晶灰巖、白云質灰巖，經歷多次構造運動，在褶皺核部和斷層附近巖體破碎，受地下水運動長期侵蝕，形成溶溝、溶槽、溶洞等。

本工區隧道8 座，全長6.3km，單線隧道[3]，隧道區段屬于侵蝕溶蝕地形。

隧道建設共遇到39 處溶洞，溶洞分布在拱頂、拱頂、邊墻和隧洞底部，溶洞類型有洞穴型、管狀型、大型干型和大型富水充填型。

2 巖溶處理一般原則

2.1 洞穴型溶腔

改進圍巖襯砌型式、調整開挖工藝、強化超前支護、縮短掘進進尺、適時施作初期支護并封閉成環，對未充填或半充填的溶洞，初支后方常用混凝土回填[4]，充填溶洞則用灌漿回填手段，隱蔽型溶腔采用局部徑向注漿固結，溶腔若有小量水流出，在前期支護背后設置排水管，引流至隧道側溝[5]。

2.2 管道型溶腔

（1）隧道拱部、拱腰巖溶管道。在洞內未見大涌水的情況下，在洞內、拱腰部發育的非充填型巖溶管線，在經過巖溶勘察，確定沒有大涌水的情況下，可考慮采取改進圍巖襯砌型式、調整開挖工藝、強化超前支護、縮短掘進進尺、適時進行初期支護并閉合成環、初支后方配置混凝土結構保護層（護拱）、吹砂回填、結構排水等措施。

（2）基底巖溶管道。隧道內的巖溶管線，可以考慮采取改進的圍巖襯砌形式，即用一定直徑的波紋管將原排水管與隧道內的管線連通起來，再在管線周圍進行分層夯實，最后進行混凝土回填。

2.3 大型干溶洞

對于處于拱或墻部位的大型干溶洞，可采取改進的圍巖襯里型式，局部襯砌為明洞，調整開挖工藝，強化超前支護，縮短掘進進尺，適時施作初期支護，并閉合成環，初支后設置混凝土結構保護層（護拱）、吹砂回填、結構排水等措施。

在隧道底部設置大面積的干洞室時，可通過“托梁+鋼筋混凝土面板”的方式進行加固。

2.4 大型富水充填型溶腔

在大型富水充填型溶腔[6]位于拱、墻的情況下，通過超前鉆探及地質雷達探明存在大型富水充填型溶腔時，應停止掌字面開挖并封閉，采用超前注漿加固溶腔及保證開挖線以外不小于5m。并采取超前管棚支護，運用臺階法開挖，修正襯砌類型，加強二次襯砌結構。

大型富水型溶洞位于隧底時，通過百米鉆機、高頻地質雷達、瞬變電磁儀，CT 孔內掃描等探明溶洞大小、分布情況，根據巖溶情況采取設置臨時棧橋、隧道注漿加固、拱部襯砌加強等措施，確保行車安全。

3 工程實例

3.1 洞穴型溶腔案例

（1）無充填或半充填型洞穴。程家坊二隧道洞身開挖至DK1761+310 時，在掌子面前方發現了一段由粉質黏土、細粒角礫土組成的半充式溶洞，其內部不含任何水分，從隧洞的右端一直延伸到拱腳附近，形成一個大空洞。洞穴的尺寸為7m，縱向為5m，深9m，形狀為一個倒漏斗狀。

在建設實施過程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物質，用10cm 厚的噴混凝土對空腔墻體進行補強。②將洞穴區Ⅱb 復合襯砌改為Ⅴc 形組合襯砌，在拱部增加5m、φ42mm 超前小導管，采用全環H180 格柵鋼結構，間距60cm。③弓體內設置有泵送的混凝土泵送管和一根φ50mm 的排水管，在初期支護穩定后，在后側澆筑C20 混凝土，回填混凝土達到一定的強度后，再用1m 厚的水泥漿保護層。

（2）充填型洞穴。程家坊一期工程至DK1760+612，在隧道拱頂、側壁發現一充填式溶洞，該溶洞內充填的是一種含碎石的粉質黏土，未見有滲水現象。根據勘察，該洞穴的尺寸為8m，長度為8m，長度為1m，深為3m。

在建設過程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物質，用10cm 厚的噴混凝土對空腔墻體進行補強。②將洞穴區Ⅱa 和Ⅳa 組合襯砌改為Ⅴc 組合，采用H180 網格結構，間距50cm，拱部增加φ42mm 超前小導管，再加一根直徑4m 的徑向錨桿，按1.5m×1.5m 的梅花形布置，并在此基礎上設計一種新型的混凝土結構。③預埋灌漿管，在初期支護穩定后，再回填灌漿，以保證初支后方不出現空洞。

（3）隱藏充填型洞穴。北山二號隧道出口洞身巖溶探測時發現DK1764+220—DK1764+211 初期支護背后存在一處長度約10m、直徑約1.5m 的半充填型溶洞，溶洞斜向上大里程發展，角度約20°，充填物為粉質黏土，少量滲水。施工中采取了以下措施。

該段初支背后采用5m 圍巖徑向注漿，二襯增設Ⅴa 型襯砌配筋。

3.2 管道型溶腔實例

北山一號進水口DK1761+940 時，出現一條長達2m 左右的不規則溶洞，該溶洞呈垂直上升狀，并呈斜向延伸，一直延伸到仰拱底部，溶洞呈半充填狀，以黏土中夾雜碎石為主，礫石尺寸0.6m×0.3m×0.3m，并有少量滲漏，一下雨就會增加。經勘察，巖溶空洞位于拱頂10m 左右，隧道底部2m 左右；與此同時，在開挖面的前方，形成了一條管狀的小型溶槽。

施工中采取了以下措施。

（1）清除溶腔內松散體，對腔壁進行噴射混凝土加固，噴射混凝土厚度10cm。

（2）溶洞范圍襯砌類型變更為Ⅴc 復合式襯砌，Ⅳ級圍巖變更為Ⅴ級圍巖，Ⅳa 變更為Ⅴc 復合式襯砌。

（3）溶洞段拱部超前支護變更為φ89mm 洞身長管棚[7]。

（4）在洞室圍巖初撐的基礎上，采用1～2m 厚C25混凝土護拱，并在其上安裝一根直徑為4m、直徑1.5m、呈梅花狀的放射狀錨桿。埋設φ50mm 的注漿管和排水管，在混凝土強度達到一定程度后，將其澆筑1m 厚的水泥漿保護層。

（5）在保持原有的巖溶管線排水體系的基礎上，在護拱后布置2 個φ400mm 的穿孔波紋管，該波紋管與巖溶管線的進水口和出水口相連，孔口管要保證灌漿后的進水口不會被堵住；隧道底部的波紋管由土工織物包覆，周圍回填砂、碎石，高1m，其余部分回填C20混凝土。

3.3 大型干溶腔實例

北山二號隧道洞身開挖至DK1762+818 時，在其上部的一處較大的溶洞中，發現了一處較大的溶洞。現場勘察發現，巖溶洞穴地表巖溶裂縫發育，石鐘乳覆蓋，地表裂縫水發育，成線性分布，并有流水流出，洞穴底部為溪流，流量為50m3/h 左右。洞穴高度為25m 左右，與地面的最小垂直間距在30m 左右。該洞穴全長60m，寬15m，兩頭均為管狀，洞口處有一洞穴水池，其深度未知，遇強降雨時，大量水流匯入該洞穴，但未見水位上升。洞口一側，呈管狀，彎曲，深度未知。該隧道穿越巖溶洞穴，位于DK1762+816—DK1762+822。

在建設實施過程中，主要采取如下措施。

（1）清理溶腔內部疏松體，采用10cm 厚的噴混凝土對空腔墻體進行補強。

（2）由DK1762+816—DK1762+836 的20m 大管棚改成了φ89mm 大管棚；DK1762+816—DK1762+819 的初期支護框架由原H130 網格型鋼改為1m 間隔的H150 網格型鋼；DK1762+819—DK1762+829 加寬30cm，采用初期支護方式改為初期支護，采用10cm×10cm 網格間距的雙層φ8mm 鋼筋網片，框架由H130格柵鋼架改為H180 格柵鋼架，間距50cm。

（3）根據實測資料，DK1762+813.5—DK1762+815.5，DK1762+824—DK1762+826 段為基巖，DK1762+813.5—DK1762+826 段以托梁穿越底部充注式溶腔，保持過水通路，托梁基礎位置在基巖面上，長度不少于2m，托梁范圍內襯砌形式從仰拱改為底板，襯砌結構相應加強。

（4）在初支后面，設置2m 厚的C25 混凝土護拱和側壁，在拱部增加1m 厚的車胎墊。

（5）在DK1762+816—DK1762+820，在原有的巖溶管線中，在初支后布置一套φ400mm 的穿孔波紋管，該波紋管與巖溶管線的進水口和出水口相連，孔口管要保證灌漿后的進水口不會被堵住。

3.4 大型富水型溶腔實例

3.4.1 溶腔位于拱、墻

彭家嶺二號隧道進口開挖至DK1774+470 時，對掌子面進行了地質雷達及超前水平鉆探，預測預報成果顯示，DK1774+440—DK1774+470 段發育充填型溶洞，填充砂礫土，滲水較好，局部為溶洞空腔，巖溶水豐富施工中采取了以下措施。

（1）DK1774+440—DK1774+470 段30m 洞身采用5m 超前周邊注漿（雙液漿）加固，注漿由外向內，同一圈孔間隔施工，由下到上、由左到右。

（2）超前5m 周邊注漿結束后在DK1774+438—DK1774+453 超前支護采用φ89mm 洞身管棚。

（3）DK1774+438—DK1774+470 斷面為Ⅴc 組合襯砌，采用階梯法，初撐為Ⅰ18 型鋼框架，各一級階梯鋼的連接部位加設一套5m 長的鎖腳錨管。

（4）溶腔出水口處埋設φ200mm PVC 排水管（初期支護與隧道圍巖間），將水引排至隧道側溝內。

3.4.2 富水溶腔位于隧底

北山二號隧道DK1764+460—DK1764+531 段隧底溶蝕裂隙、巖溶管道發育，連通性較好，日涌水水量最大約5 萬m3。

施工中采取了以下措施。

（1）隧底加固。DK1764+460—DK1764+531 段基底采用φ89 鋼管樁進行注漿加固，注漿孔間距1.5m×1.5m，加固深度為基底以下5m，正方形布置。遇巖溶裂隙及串珠溶洞時可適當加密、加深鉆孔，孔深須鉆至溶洞底板以下1m 以上，注漿漿液采用單液漿或雙液漿。

（2）二次襯砌結構加強措施如下。DK1764+460—DK1764+504.5、DK1764+529.5—DK1764+531 段未施工段的二次襯砌由Ⅲa 型襯砌調整為Ⅴc 型（DK1764+460—DK1764+504.5 段環向鋼筋采用φ22mm@150mm，DK1764 +529.5—DK1764 +531 段環向鋼筋采用φ25mm@200mm，縱向鋼筋均采用φ16mm@250mm），襯砌厚度調整為35cm。采用C35 鋼筋混凝土，局部受已開挖輪廓面限制，襯砌厚度可維持原計；DK1764+460—DK1764+531 段采用滿鋪排水板、每板襯砌增設1 處泄水孔以增強結構排水能力[8]。

（3）隧底注漿加固段側溝每5m 打設泄水降壓孔，泄水降壓孔深度保證嵌入完整基巖1m，泄水降壓孔內設PVC 管，PVC 管底部外裹無紡布。

（4）在隧道線路方向右側增設泄水洞。

4 方案效果驗證

2016 年3 月、6 月初江西新余分宜地區，連日暴雨，經過排查，隧道溶洞位置未發現初支開裂且未見滲漏，監控量測數據均在正常范圍內。

2018 年5 月隧底注漿完成后，利用鉆孔取芯、高頻地質雷達、注水試驗驗證（驗證滲透系數）等3 種方法相互檢驗，并經過專家論證，一致認定注漿效果良好，達到加固隧底效果[9]。

5 結語

以蒙華線湘贛段為研究對象，提出了一種基于階梯法的隧道洞室開挖方案，并對各類洞室分別采取了混凝土或灌漿、超前灌漿、超前管棚、排水管網和加固襯砌等措施。實踐證明，該方法是一種行之有效的方法，能較好地解決工程中遇到的困難，為以后的工程建設積累了寶貴的經驗。①在巖溶發育區域開展隧道建設，必須開展精細的地質超前預測，精確預測隧道前方的巖溶，事先制定穿越巖溶洞穴的應急方案，對隧道溶洞進行加固，避免突泥、突水。②在施工期間，應加強對溶洞部位的監測和測量，一旦發現異常，及時在初期支護后方進行注漿加固，使巖溶得到穩固。