淺談貴州喀斯特熔巖區(qū)隧道溶洞處理施工技術(shù)

岳林濤

摘 要 溶洞為巖溶洞穴，是地表水和地下水對溶性巖層經(jīng)過化學(xué)作用和機(jī)械破壞作用而形成的地下溶蝕現(xiàn)象。巖溶對隧道的影響主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度；溶洞填充物外涌，給施工造成困難和安全隱患；季節(jié)性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來不安全和不穩(wěn)定因素。因此，制定合理、科學(xué)、有效的溶洞處理方案對隧道順利穿越巖溶發(fā)育地段極為重要。本文根據(jù)貴陽樞紐白龍線Ⅰ標(biāo)第四項(xiàng)目部胡家坡隧道DI2K24+932溶洞處理方案的具體情況，總結(jié)貴州喀斯特地貌區(qū)溶蝕發(fā)育地區(qū)溶洞的處理方法，以期對溶洞處理的設(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

胡家坡隧道為貴州省新建雙線高速鐵路隧道，全長2104.4 m，設(shè)計(jì)行車速度為250 km/h。該隧道位于貴州省貴陽市南明區(qū)阿栗村，處于云貴高原中部，地勢東高西低，北高南低，山脈和水系多呈南北向展布。隧區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕作用形成的中低山地貌區(qū)，隧道軸線通過地段為低山埡口及自然溝谷交匯區(qū)域，地面標(biāo)高1076.70～1132.83。相對高差56.13 m，此段隧道埋深12 m～16 m，地形坡度25°～55°。地表熔蝕結(jié)構(gòu)發(fā)育，可見熔巖漏分布，屬溶蝕、剝蝕構(gòu)造中、低山地貌。沿線各時(shí)代地層分布較為齊全，沉積類型繁多。隧址所在區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂、褶皺發(fā)育，致使巖體節(jié)理極其發(fā)育、破碎。主要不良工程地質(zhì)有富水?dāng)鄬悠扑閹?、泥石流、溶洞等。水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地表水、地下水發(fā)育不均，部分地下水、地表水對混凝土具有侵蝕性。

一、溶洞概況

2011年3月19日晚6時(shí)20分，胡家坡隧道出口段掌子面（里程：DI2K24+932）爆破后，拱頂上部線路左側(cè)位置揭示小型半充填溶洞，溶洞內(nèi)填充物為松軟紅黏土夾巖體碎屑或巖塊。7時(shí)50分，在出碴快完成時(shí)，溶洞內(nèi)填充物自行涌出，形成溶腔，經(jīng)現(xiàn)場觀測，溶腔發(fā)育斜向掌子面上方，與掌子面夾角約70°，空腔體積約為25 m3。隨即項(xiàng)目部采取緊急處理措施對揭示溶腔及掌子面噴砼封閉處理， 3月20日下午4時(shí)，已封閉掌子面拱頂上方溶腔位置，出現(xiàn)再次流涌，涌出量約為5 m3，待穩(wěn)定后，我項(xiàng)目部對掌子面上方溶腔進(jìn)行復(fù)噴封閉。21時(shí)10分，隧道掌子面拱頂溶腔位置再次出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，隨即突發(fā)大規(guī)模流涌，涌出量約為448 m3，堆積物仍為松散軟塑狀黏土夾巖體碎屑或塊石，根據(jù)現(xiàn)場接近溶腔位置觀察，溶腔內(nèi)部已經(jīng)基本穩(wěn)定，填充物基本外泄完全，裸露內(nèi)腔已出露為巖石，且較平坦，為葫蘆狀，仍處于原掌子面前方拱頂左側(cè)位置。且溶腔與地面連通，形成腔體漏斗貫通至地表。地表位置呈現(xiàn)直徑4 m孔道。山體地表基本趨于穩(wěn)定。經(jīng)掌子面探孔探測，發(fā)現(xiàn)掌子面流涌軟塑性粘土夾巖體碎石堆積體厚度約6.5 m～13.5 m，根據(jù)隨后施工情況，溶腔豎向局部延伸至仰拱底，根據(jù)釬探結(jié)果，深度3 m～4 m，見圖1。

二、地質(zhì)情況及原因分析

1.隧道地質(zhì)情況。該隧道出口段地處東西向沖溝邊部，剛好位于山體洼地中部。地形較緩，洞口軸線與地面等高線小角度相交，存在一定偏壓，地表基巖裸露，巖質(zhì)多為泥質(zhì)灰?guī)r或青灰?guī)r，間或低洼地區(qū)覆蓋黃黏土，地表巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，多見貫通地下漏斗。本段巖層節(jié)理水平或帶小角度沿隧道軸線小里程方向向上發(fā)育。層狀節(jié)理明晰，發(fā)育強(qiáng)烈，局部可見小型溶隙。

2.原因分析。根據(jù)掌子面揭示溶腔位置及地表觀察結(jié)果，溶腔周圍巖石基本完整，溶腔輪廓清晰，腔體填充物與腔體周圍巖壁形成鮮明對比，從地表觀測可知，腔體貫通地表位置，顯示為地表水匯集洼地區(qū)域，推測其為一溶蝕漏斗貫通地下形成腔體。經(jīng)過長年累月的溶蝕發(fā)育，地表軟塑性黃黏土已經(jīng)充填溶腔，形成流涌體。當(dāng)隧道掘進(jìn)到溶腔位置時(shí)，揭示腔體出露，充填物涌出，最終形成溶洞結(jié)構(gòu)，并貫通至地表，見圖2。

三、隧道溶洞處理方案

（一）方案選擇原則

1.安全性。確保施工安全及質(zhì)量安全，圍巖累計(jì)變形量不大于10cm，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)場機(jī)械設(shè)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)嵤┬Ч顣r(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。

（二）施工處理方案

首先保留并加固坍塌體，防止塌方擴(kuò)大，然后施做套拱和超前大管棚，保證正洞開挖施工安全；管棚施做完成后挖除坍塌體，進(jìn)入隧道正常開挖、支護(hù)工序，考慮溶腔豎直貫通深度，對隧道基底進(jìn)行注漿加固處理，增強(qiáng)隧底承載力；溶洞段通過后，進(jìn)行拱部坍腔回填處理。

處理順序?yàn)椋悍忾]掌子面→施作套拱→施作超前大管棚→挖除坍塌體→洞身開挖、支護(hù)→邊墻及基底加固處理→二次襯砌→坍塌溶腔回填處理，見圖3。

溶腔防護(hù)層：采用錨網(wǎng)噴防護(hù)，防止溶腔坍方、掉塊。

結(jié)構(gòu)保護(hù)層：隧道外側(cè)設(shè)置混凝土護(hù)拱，護(hù)拱外設(shè)置緩沖層

緩沖層：采用砂墊層或粉煤灰墊層。

初期支護(hù)加強(qiáng)層：根據(jù)巖溶發(fā)育規(guī)模，設(shè)置合適的鋼架支撐。

排水系統(tǒng)：設(shè)置加強(qiáng)透水盲管與縱向排水管或與邊墻泄水孔的聯(lián)通。

當(dāng)基底也存在小型填充巖溶時(shí)，一般可采用以下方案處理：當(dāng)發(fā)育深度<5 m時(shí)，采用混凝土回填，回填過程中應(yīng)進(jìn)行振搗，保證密實(shí)；當(dāng)發(fā)育深度>5m時(shí)，采用棄渣等回填基地5 m范圍以下部分夯實(shí)，并保證滿足承載力及沉降要求，隧道基底以下5 m采用混凝土回填，回填過程中應(yīng)進(jìn)行振搗，保證密實(shí)。

根據(jù)本隧道隨后進(jìn)一步施工揭示情況，本隧道基地也存在小型呈縱向狹長狀填充溶洞，為保證基底承載力，不留質(zhì)量隱患，根據(jù)現(xiàn)場施工條件，按照一般隧道基底處理方法開挖深度較深，施工周期較長，對二次施做的整體初支結(jié)構(gòu)層的擾動(dòng)較大，存在安全隱患，經(jīng)過現(xiàn)場對溶腔填充深度試探并多次研究后，采取鋼管樁對基底進(jìn)行加固處理，可以滿足施工質(zhì)量及安全要求。

（三）溶洞處理施工技術(shù)總結(jié)

1.噴射混凝土封閉掌子面。首先保留并加固坍塌流涌體，依靠坍塌流涌體支撐掌子面，防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，立即對掌子面進(jìn)行封閉處理。采用噴射C20鋼纖維混凝土封閉坍塌體表面，厚度為20 cm。

2.施做洞內(nèi)超前大管棚。首先，在DI3K24+930位置施作導(dǎo)向墻。導(dǎo)向墻長1.5 m，厚0.8 m，采用兩榀格柵鋼架定位，并起到增強(qiáng)剛度的作用。在鋼格柵加上焊接37根1.5 m長φ127的無縫鋼管作為導(dǎo)向管，間距及外插角同大管棚，完成后澆注C25模筑混凝土。拱部144°范圍采用φ108大管棚（共計(jì)37根）超前支護(hù)并注漿加固溶洞填充物，管棚尾端設(shè)鋼格柵混凝土套拱導(dǎo)向墻，角度水平向上3°～6°。拱頂溶腔范圍內(nèi)適當(dāng)間距加密，為0.3 m；其余施做部位間距0.4 m～0.5 m。管棚采用外徑108 mm，壁厚6 mm熱軋無縫鋼管，前端呈尖錐狀，尾部固定與導(dǎo)向墻，管壁四周鉆設(shè)8 mm壓漿孔，尾部預(yù)留1.5 m不鉆孔止?jié){段落。經(jīng)現(xiàn)場研究注漿材料采用1：1的水泥漿，注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa。管棚施做完成后形成復(fù)合的固結(jié)體，使周圍地層的力學(xué)性質(zhì)得到改變，穩(wěn)定性能加強(qiáng)；根據(jù)現(xiàn)場實(shí)景情況管棚長度可做適當(dāng)調(diào)整，保證前端打入穩(wěn)定巖層，形成有效的“棚護(hù)”作用，見圖4。

3.洞身開挖及支護(hù)。注漿完成后洞身采用微臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長3 m～5 m，開挖后立即施做初期支護(hù)結(jié)構(gòu)。對初期支護(hù)加強(qiáng)處理。初支參數(shù)全環(huán)設(shè)I20工字鋼加強(qiáng)支護(hù)，鋼架間距0.6 m，拱墻增設(shè)φ42小導(dǎo)管注漿加固溶洞充填物，每根長4 m，間距為1m（縱向）×0.8 m（環(huán)向），C25早強(qiáng)噴射混凝土厚度為25 cm，φ8鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格20 cm×20 cm。溶洞處理段圍巖大部分為溶洞充填物，采用人工配合挖掘機(jī)開挖；對于石質(zhì)圍巖部分則采用松動(dòng)爆破開挖，以盡量減小對溶洞充填物的擾動(dòng)，避免引發(fā)二次流涌。

4.邊墻及基底加固處理。對隧道頂部進(jìn)行注漿預(yù)加固處理僅保證隧道拱部開挖安全，邊墻及基底圍巖力學(xué)性能得不到改善，并且曾受到過擾動(dòng)，極有可能會(huì)發(fā)生坍塌事故；另外，即使開挖安全通過溶洞段，也會(huì)因溶洞段與溶洞前后隧底巖性不同，使后期隧道襯砌結(jié)構(gòu)沉降不均，從而造成襯砌嚴(yán)重開裂，甚至影響行車安全。因此，必須對邊墻及基底進(jìn)行加固處理。

（1）上臺(tái)階拱腳至邊墻腳采用φ42超前小導(dǎo)管注漿加固溶洞充填物。小導(dǎo)管每根長L4.5 m，間距0.4 m（環(huán)向）×2.4 m（縱向），外插角α=25°，漿液采用1 1水泥凈液，采用劈裂注漿方式，注漿壓力為2 MPa。

（2）基底采用φ75鋼管樁對隧底圍巖注漿加固，加固范圍為仰拱開挖輪廓線以下5 m，局部基巖位置可不設(shè)鋼管樁或減短鋼管樁長度。鋼管樁間距為1.0 m，梅花形布置。鋼管樁采用φ75 mm、δ=6 mm的無縫鋼管加工制作，每根長L=5.5 m，尾端0.5 m伸入仰拱支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時(shí)為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的縱向剛度，鋼管樁尾端之間采用I16工字鋼連接，以增強(qiáng)整體受力性能。漿液采用1 1水泥單漿液，亦采用劈裂注漿方式，注漿壓力2.0 MPa，見圖5。

（3）拱部坍塌溶腔回填處理。為確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全，保證運(yùn)營安全，需對拱部坍塌的溶腔進(jìn)行回填處理?；靥钤诙我r砌施作完成且其強(qiáng)度達(dá)到100%后進(jìn)行。在綜合考慮周邊環(huán)境及溶洞狀態(tài)，并結(jié)合本隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用C15泵送混凝土回填。為減小流塑態(tài)的泵送混凝土對支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊力和側(cè)壓力，回填應(yīng)對稱、分次、分層施工完成，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)混凝土面每次施工高差不得超過0.5 m，層厚不大于30 cm，泵送混凝土厚度不得超過2 m，且方量不超過50 m3。

（4）監(jiān)控量測。加強(qiáng)監(jiān)控量測，實(shí)行信息化管理。在洞身開挖施工過程中，每3m設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，主要監(jiān)測項(xiàng)目為拱頂下沉和周邊收斂，檢測頻率為6 h～8 h一次，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，及時(shí)反饋于施工，以指導(dǎo)下一步施工。

（5）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，手段多樣化、綜合化（地質(zhì)雷達(dá)、超前探孔、紅外探水）對開挖面前方地層進(jìn)行探測預(yù)報(bào)并對每一循環(huán)開挖巖體做好地質(zhì)素描，以便在下一步開挖前及時(shí)發(fā)現(xiàn)溶洞或不良地質(zhì)，并及時(shí)調(diào)整施工方法，做好有效的處理措施。

四、結(jié)束語

通過以上處理措施的實(shí)施，我項(xiàng)目部胡家坡隧道安全通過了此處溶洞，經(jīng)長時(shí)間不間斷量測表明，該段圍巖變形已穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)表面無明顯滲漏水現(xiàn)象。本次溶洞處理技術(shù)方案工期較短，經(jīng)濟(jì)投入也相對較少。此次處理方案為我項(xiàng)目部以后出現(xiàn)類似溶洞的處理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，提供了寶貴的技術(shù)參數(shù)。也對其他處于喀斯特熔巖區(qū)隧道穿越溶洞的處理有一定的借鑒意義。同時(shí)，充分的提醒我們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，對隧道前方巖溶進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，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。

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