淺談貴廣鐵路高天隧道溶洞處理技術(shù)

匡樹(shù)鈞 魏海河

摘要：溶洞為巖溶洞穴，是地表水和地下水對(duì)溶性巖層經(jīng)過(guò)化學(xué)作用和機(jī)械破壞作用而形成的地下溶蝕現(xiàn)象。巖溶對(duì)隧道的影響主要表現(xiàn)為是結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度；季節(jié)性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來(lái)不安全和不穩(wěn)定因素。因此，制定合理、科學(xué)、有效的溶洞處理方案對(duì)隧道順利穿越巖溶地段極為重要。文章根據(jù)貴廣鐵路隧道溶洞分布的具體情況，介紹了此溶洞處理方法，以期對(duì)溶洞處理的設(shè)計(jì)與施工有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：鐵路；隧道；溶洞；處理

中圖分類號(hào)：U459.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0147-02

1工程概況

高天隧道：長(zhǎng)7 432 m，隧道出口里程DK273+720，出口位于從江縣宰告村。DK273+290至隧道出口段洞身段鉆探揭示發(fā)育有較大型溶洞（3～3.2 m），洞內(nèi)充填軟塑狀粉質(zhì)黏土，溶洞分布無(wú)規(guī)律性，同時(shí)該段隧道洞身位于淺埋段內(nèi)。DK273+030隧底有暗河，為Ⅰ級(jí)控制風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)區(qū)內(nèi)構(gòu)造線主要為北北東向，巖層走向一般為北北東向，受線路左側(cè)發(fā)育的趨于性譬洞斷層影響，段內(nèi)次級(jí)構(gòu)造較發(fā)育，主要發(fā)育有一向斜和高天斷層及貫洞逆斷層。地形受流水強(qiáng)烈侵蝕與切割，水系呈樹(shù)枝狀密布，橫向形態(tài)多呈“V”型，基巖多裸露，階地不發(fā)育; 地層巖性為沉積巖（砂頁(yè)巖互層）、變質(zhì)巖（板巖、千枚巖、片巖、變質(zhì)砂巖）、石灰?guī)r和第四系殘坡積黏性土和堆積土。不良地質(zhì)為有巖爆、斷層破碎帶、膨脹土等。水流主要有隧道進(jìn)出口的小河流及隧道南北側(cè)的小溪流。普遍具風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水特征。由大氣降水的滲入而形成，賦存于風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙之中，地下水埋藏較淺，屬淺層潛水，其中植被是最重要的控制因素，水質(zhì)具有酸性侵蝕。

2地質(zhì)特征及溶洞分布概況

根據(jù)地勘院鉆探揭示，該段內(nèi)巖溶發(fā)育，總共發(fā)育三層溶洞，部分溶洞無(wú)充填物，多數(shù)溶洞充填有軟塑狀黏土。在仰拱基底下仍見(jiàn)溶洞及溶蝕破碎帶，呈串珠狀發(fā)育。具體巖溶發(fā)育特征如下：

第一層溶洞在洞身左右側(cè)邊墻腳及左右側(cè)線路中心部位均有分布，無(wú)規(guī)律。

第二層溶洞分布情況：D3K273+580～D3K273+598段分布于隧道左右側(cè)邊墻腳、線路左右側(cè)中心線及仰拱底以下，埋深0～1 m，溶洞高1～3 m，全充填，填充物為褐黃色和褐灰色黏土，軟塑狀，含10～30%的碎石角礫；D3K273+610～D3K273+630段分布于隧道左右側(cè)邊墻腳、線路左右側(cè)中心線及仰拱底以下，埋深1～2.8 m，溶洞高0～5.2 m，全充填，填充物為褐黃色和褐灰色黏土，軟塑狀，含10～30%的碎石角礫。

第三層溶洞（溶蝕破碎帶）分布情況：D3K273+582～D3K273+630段分布于隧道左側(cè)邊墻腳、線路左側(cè)中心線及仰拱底以下，埋深0～6 m，為溶蝕破碎帶，厚度約為8.2 m，質(zhì)為灰?guī)r，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，厚層狀，節(jié)理發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，多見(jiàn)小型溶槽、溶孔、溶蝕裂隙，巖芯多呈碎塊狀，局部巖芯溶蝕成蜂窩狀及半柱狀等；D3K273+582～D3K273+630段分布于隧道右側(cè)邊墻腳、線路右側(cè)中心線及仰拱底以下，連通性差，呈透鏡狀分布，破碎帶厚0～3.6 m，但在D3K273+610～D3K273+630段頂部發(fā)育有空洞，空洞高0～1.1 m，空洞頂埋深8.2 m，無(wú)填充物。

3隧道溶洞處理方案

3.1處理方案選擇原則

①安全性。確保施工安全與運(yùn)營(yíng)安全，圍巖累計(jì)變形量不大于10 cm，襯砌完工后隧道不滲不漏。

②可操作性強(qiáng)。要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械裝備狀況和操作人員的技能水平，并盡可能降低施工難度。

③靈活性好。根據(jù)斷面形狀和尺寸，因地制宜地選擇施工方案，而不局限于一種固定的模式，一旦一種方案不能實(shí)時(shí)或?qū)崟r(shí)效果差時(shí)，能較好地轉(zhuǎn)換為替代方案。

④具有可連續(xù)性。需兼顧溶洞段前后的施工方案的不同，能順利地進(jìn)行施工工藝、工序的轉(zhuǎn)換。

⑤經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。即在保證安全、質(zhì)量并不破壞環(huán)境的條件下的投入最節(jié)約。

3.2處理施工方案

3.2.1基底處理

結(jié)合巖溶分布情況，遵循從易到難，分層處理和節(jié)約成本的原則進(jìn)行。

①開(kāi)挖基底第一層巖溶填充物厚度小于2 m時(shí)，清除溶洞充填物，采用C20素混凝土換填。

②基底下部第一層溶洞深度大于2 m，或者下部有第二層溶洞、第三層溶蝕破碎帶時(shí)，基底采用φ75鋼管加固，樁底嵌入基巖1 m，邊墻底（左右邊墻1.8 m范圍，設(shè)置3排）鋼管樁縱橫向間距0.6×0.6 m，仰拱底鋼管樁縱橫向間距1×1 m，交錯(cuò)布置。鋼管樁注漿采用水泥漿，注漿壓力一般為0.8～1 MPa，水泥砂漿水灰比為0.5:1～0.8:1，注漿壓力為1.5 kPa，當(dāng)注漿速度不大于5 L/min，并持續(xù)10 min后注漿壓力不下降即可終止注漿，基底加固后承載力不得小于250 kPa。

③D3K273+610～D3K273+630段基底第三層有空溶洞，于基底施作φ108鉆孔后泵送C20混凝土充填密實(shí)，鉆孔間距為3 m×3 m。

3.2.2初期支護(hù)加強(qiáng)措施

①對(duì)于已施作初期支護(hù)段落的拱部及邊墻后發(fā)育有溶槽，且有黏土充填處，采取局部徑向注漿加固，注漿管采用φ42鋼花管，梅花形布置，間距1 m×1 m，小導(dǎo)管長(zhǎng)5 m，注漿采用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.8:1～1:1。

②對(duì)于已施工初期支護(hù)段，為保證落底開(kāi)挖時(shí)拱墻初期支護(hù)的穩(wěn)定，于初期支護(hù)拱腳兩側(cè)及邊墻處施作φ42鎖腳錨管，單側(cè)每處施作2根鎖腳錨管，長(zhǎng)度5 m，縱向間距0.6 m，注漿采用水泥漿。

4溶洞處理關(guān)鍵施工工序及技術(shù)

4.1施工工序

為了不影響隧道正常施工，在D3K273+580～D3K273+630段搭設(shè)多功能平臺(tái)，在正洞初期支護(hù)施作期間，開(kāi)挖班利用鑿巖機(jī)對(duì)該段邊墻及拱部后發(fā)育的溶槽、溶洞鉆眼、安裝小導(dǎo)管、錨管并進(jìn)行注漿作業(yè)，工序作業(yè)如下：

①現(xiàn)場(chǎng)利用φ42×3.5 mm無(wú)縫鋼管加工小導(dǎo)管，小導(dǎo)管管壁四周按15 cm間距梅花形、鉆設(shè)φ8 mm壓漿孔，鉆孔角度、深度、密度符合設(shè)計(jì)要求。小導(dǎo)管加工的同時(shí)利用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，孔深5 m，直徑50 mm，完成后利用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的頂推力將小導(dǎo)管推送入孔，鉆孔垂直初支面。小導(dǎo)管安裝完成后利用注漿泵壓注水泥漿，為了讓水泥漿擴(kuò)散半徑大，滿足溶洞填充和加固要求，水灰比采用1:1。由于溶洞內(nèi)充填物為黏土，小導(dǎo)管、錨管壓注水泥漿，壓力不小于2 MPa，為了避免注漿發(fā)生串漿，采用多臺(tái)注漿機(jī)同時(shí)注漿。當(dāng)注漿機(jī)較少時(shí)將串漿孔及時(shí)堵塞，輪到該管注漿時(shí)，再拔下堵塞物，用鐵絲或細(xì)鋼筋將管內(nèi)雜物清除并用高壓風(fēng)或水沖洗，然后再注漿。

②注漿完成后，迅速取掉止?jié){塞并割除初支外露頭，并利用C25噴射混凝土補(bǔ)噴平整，便于后續(xù)防水層及二襯施工。

4.2第二層和第三層溶洞處理

仰拱初期支護(hù)完成后，利用潛孔鉆鉆孔，按照設(shè)計(jì)圖紙要求對(duì)第二層溶洞和第三層溶蝕裂隙進(jìn)行φ75鋼管樁注水泥砂漿加固處理。

①鋼管樁采用φ75鋼花管，絲扣聯(lián)接。鋼管樁在現(xiàn)場(chǎng)加工制作，汽車運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅妫讳摴軜恫捎脻摽足@機(jī)施工，分節(jié)安裝，絲扣聯(lián)接，清孔后，長(zhǎng)管一次安裝完成；利用專用高壓注漿泵注入水泥砂漿。水泥砂漿水灰比采用0.8:1。

②鋼管樁上鉆注漿孔，孔徑10～16 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段90 cm；鋼（花）管接頭兩端均預(yù)加工成外絲扣連接，同一斷面內(nèi)接頭數(shù)量不超過(guò)總鋼管數(shù)的50％。

管距：間距1 m×1 m，交錯(cuò)布置。

傾角：垂直仰拱初支面，具體可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。

③鋼管樁注漿采用水泥砂漿，漿液水灰比為0.8：1（重量比），注漿壓力：0.8～1.0 MPa，最大不超過(guò)2.0 MPa。注漿前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿參數(shù)，取得注漿施工經(jīng)驗(yàn)。注漿按鋼管施鉆順序跳孔進(jìn)行。壓力逐漸由小加大。

④φ75鋼管樁注水泥砂漿加固處理結(jié)束后，立即對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，然后對(duì)已加固基底段進(jìn)行加載試驗(yàn)，確認(rèn)地基承載力大小于250 KPa后進(jìn)行仰拱鋼筋安裝，澆注仰拱混凝土和C20填充混凝土。

⑤D3K273+610～D3K273+630段基底有空溶洞，屬特殊的巖溶整治段，該段不存在第一層溶洞，但第二層溶洞的處理應(yīng)在第三層溶洞處理完成后進(jìn)行。具體措施及步驟如下：

第一，仰拱開(kāi)挖及初期支護(hù)同其他段落。仰拱初支完成后利用管棚鉆機(jī)在仰拱初支面上鉆φ114 mm孔，孔深滿足設(shè)計(jì)要求。用于泵送的φ108 mm鋼花管在現(xiàn)場(chǎng)加工制作，汽車運(yùn)輸?shù)焦ぷ髅?；鋼花管利用挖掘機(jī)或機(jī)械倒鏈頂進(jìn)，分節(jié)安裝，絲扣聯(lián)接，清孔后，長(zhǎng)管一次安裝完成后管口接混凝土輸送泵管。

第二，填充C20混凝土由高天出口的自動(dòng)計(jì)量混凝土拌和站集中供應(yīng)，混凝土攪拌運(yùn)輸車運(yùn)料，混凝土輸送泵泵送入模?；炷帘盟蜁r(shí)根據(jù)φ108 mm鋼花管的編號(hào)及安裝順序進(jìn)行逐孔泵入。

第三，泵送混凝土結(jié)束后再施作φ75鋼管樁對(duì)該段第二層溶洞進(jìn)行加固處理（加固工藝同上）。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上處理措施的實(shí)施，安全通過(guò)了此處溶洞，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間不間斷量測(cè)表明，該段圍巖變形已穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)表面無(wú)明顯滲漏水現(xiàn)象。并且此次處理方案也為溶洞的處理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，但是在今后的巖溶隧道施工中，必須加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)探、預(yù)報(bào)工作，對(duì)隧道前方巖溶進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，并提前做好穿越巖溶溶洞的應(yīng)急預(yù)案，防止突泥和突水的發(fā)生。需要引起廣大業(yè)內(nèi)人員注意的是，溶洞處理一般只注重結(jié)構(gòu)的環(huán)向剛度的加強(qiáng)，較為忽視結(jié)構(gòu)的縱向剛度的加強(qiáng)，這樣會(huì)因溶洞前后側(cè)結(jié)構(gòu)基底剛度差異而導(dǎo)致后期運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌病害的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊當(dāng)獅.歌樂(lè)山隧道巖溶地質(zhì)預(yù)報(bào)及堵水注漿[J].山西建筑,2004,(12).

[2] 馮衛(wèi)星,況勇,陳建軍.隧道坍方案例分析[M].西安.西安交通大學(xué)出版社,2002.

[3] 袁真秀.淺談對(duì)隧道坍方的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J].隧道建設(shè),2001.(3).

[4] 胡啟軍.巖溶隧道施工關(guān)鍵技術(shù)及其工程應(yīng)用[J].山西建筑,2009,(27).