尖山隧道無水溶腔穿越技術(shù)

王作舉

(中鐵二十局集團(tuán)，陜西西安 710016)

1 工程概況

尖山隧道位于云貴高原侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)，海拔2 325 m。隧道穿越區(qū)域地層眾多，具構(gòu)造剝蝕～溶蝕槽谷地貌特點(diǎn)。槽谷的發(fā)育多為斷層、大型節(jié)理等構(gòu)造走向線一致，呈線狀分布，谷底有串珠狀分布的溶蝕洼地、落水洞、漏洞等巖溶地貌。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖種類較多，有玄武巖、石灰?guī)r、白云巖，巖層破碎，泥夾石較多。

施工過程中，在掌子面多次遭遇松散充填性溶腔，以及空溶腔，溶腔內(nèi)充填物多為泥夾石，溶蝕破碎，溶蝕較強(qiáng)烈，巖體呈碎塊狀，溶蝕裂隙充填黏土。

2 施工方案

由于溶腔為充填性的泥夾石等堆積物，比較松散，容易出現(xiàn)坍塌，有較大的施工安全隱患，為確保施工安全，施工中采用短進(jìn)尺，弱爆破，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測的原則，步步為營的方法。首先采用多種超前預(yù)測預(yù)報(bào)確定掌子面前方的圍巖情況，待確定溶腔后，短進(jìn)尺揭示溶腔，進(jìn)尺不超過60 cm。加強(qiáng)初期支護(hù)并對溶腔進(jìn)行處理，待溶腔處理完成，圍巖穩(wěn)定后，對溶腔進(jìn)行回填處理。同時加強(qiáng)圍巖監(jiān)控量測，確保施工時的安全。

3 施工方法

3.1 隧道溶腔的超前預(yù)測預(yù)報(bào)

預(yù)測方法有地質(zhì)素描、TSP地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)、超前地質(zhì)水平鉆、地質(zhì)雷達(dá)等。施工時，采用幾種方法綜合預(yù)測預(yù)報(bào)組合，確保預(yù)測的準(zhǔn)確性。

3.1.1 TSP地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

在隧道兩側(cè)邊墻布置爆破鉆孔，每一次預(yù)報(bào)的炮眼數(shù)24個，依次進(jìn)行微震爆破。利用三維地震波接收傳感器采集被反射返回的地震波數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)及時進(jìn)行三維波場處理，提取反射界面。根據(jù)聲波軌跡、頻譜、速率和位移結(jié)果判斷隧道內(nèi)巖溶情況。

3.1.2 超前鉆探預(yù)報(bào)法

采用超前水平鉆機(jī)在隧道掌子面鉆探1個～5個超前孔。探孔布置位置:中部1個，隧道斷面周邊均勻布設(shè)4個。除中部孔沿隧道軸線施鉆外，其余的超前鉆孔均向外施鉆，其孔底超出開挖輪廓線外5 m。根據(jù)鉆孔過程中鉆進(jìn)速度、扭矩、推進(jìn)力等相關(guān)參數(shù)，以此進(jìn)行分析對比，判斷探測距離內(nèi)圍巖性質(zhì)、級別、巖溶、巖溶水等地質(zhì)狀況。兩次超前水平鉆孔預(yù)測搭接長度不小于5 m。

3.1.3 地質(zhì)雷達(dá)法

對掌子面進(jìn)行平整處理，使雷達(dá)天線與掌子面能有較好的耦合，并使掌子面附近沒有其他的金屬物體。SIRIOB雷達(dá)測線在掌子面上呈“井”字形布置，測線長度根據(jù)天線長度決定，在有限的掌子面上盡可能的長。發(fā)射天線向隧道掌子面前方連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)時即發(fā)生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機(jī)，在主機(jī)顯示屏上形成實(shí)時的時間剖面。根據(jù)記錄到的反射波到達(dá)時間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度，根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等因素來判定目標(biāo)體的性質(zhì)。在時間剖面中應(yīng)標(biāo)出探測對象的反射波組，確定反射體的形態(tài)和規(guī)模并判斷巖溶位置、形態(tài)及充填情況。

3.2 溶腔的揭示及初期支護(hù)

3.2.1 充填性溶腔的處理

通過超前預(yù)測預(yù)報(bào)掌握溶腔情況后，在前方溶腔距離掌子面5 m范圍后，采用弱爆破，短進(jìn)尺進(jìn)行掌子面施工。施工中拱架采用Ⅰ22的工字鋼，超前支護(hù)采用雙層小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用φ42，L=4.5 m，間距為30 cm，超前小導(dǎo)管搭接長度不小于1.6 m。在施作超前小導(dǎo)管后，及時對小導(dǎo)管進(jìn)行注漿，穩(wěn)定掌子面前方溶腔的充填物。并加強(qiáng)拱架的鎖腳施作，從拱架基腳處每隔50 cm高度施作一排鎖腳，上斷面設(shè)置三排，下斷面設(shè)置兩排(見圖1)。

超前支護(hù)完成后，進(jìn)行開挖施作下一個循環(huán)。到達(dá)松散充填物溶腔處，開挖進(jìn)尺進(jìn)一步縮短至50 cm。開挖后及時對掌子面進(jìn)行封閉，并對開挖斷面范圍內(nèi)進(jìn)行初噴混凝土，防止掌子面松散充填物及拱頂上方的圍巖滑塌。在施作拱架時，采用鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)拱架的整體性，并在拱部及邊墻處預(yù)留注漿孔，以及在邊墻處預(yù)留排水管。而后采用濕噴工藝進(jìn)行噴射混凝土施工。初期支護(hù)完成后，沿預(yù)留注漿孔對隧道進(jìn)行徑向注漿，進(jìn)一步穩(wěn)定溶腔范圍內(nèi)的充填物。注漿壓力控制在不小于0.5 MPa。

圖1 充填性溶腔支護(hù)處理示意圖

完成后繼續(xù)下一個循環(huán)施工。同時加強(qiáng)對圍巖的監(jiān)控量測。

3.2.2 半充填性溶腔處理

對于松散的充填性溶腔，開挖時有填充物滑落或本身是處于隧道范圍內(nèi)的未完全填充的溶腔，稱之為半充填性溶腔。對于這種溶腔，開挖時，將溶腔內(nèi)的松散充填物卸載，卸載后對掌子面進(jìn)行封閉，而后進(jìn)行初期支護(hù)。初期支護(hù)強(qiáng)度同充填性溶腔。并在初期支護(hù)頂部，左右兩側(cè)拱墻結(jié)合部預(yù)留注漿孔，同時在空溶腔處加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)設(shè)置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隱患。并在空腔處設(shè)置混凝土泵送孔，在拱腳處預(yù)留泄水孔。初期支護(hù)完成后，再逐步向前施工，越過溶腔后，通過預(yù)留的注漿孔進(jìn)行泵送混凝土及注漿，進(jìn)而穩(wěn)定溶腔(見圖2)。

圖2 半充填性溶腔支護(hù)處理示意圖

3.2.3 隧道頂部充填物脫空溶腔處理

對于頂部松散的充填物脫空的溶腔，開挖前先施作雙層小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間距為30 cm，開挖一個循環(huán)為40 cm，對開挖范圍內(nèi)用φ22鋼筋加工成鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)拱架的整體性，同時也防止頂部上方有滑落體落下造成安全隱患。拱架采用Ⅰ22的工字鋼，超前支護(hù)采用雙層小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用φ42，L=4.5 m，間距為30 cm，超前小導(dǎo)管搭接長度不小于2.4 m。初期支護(hù)施作時，拱架基腳須支立在堅(jiān)實(shí)的圍巖上或支立在穩(wěn)定的鋼板上，確保拱架基底部脫空。同時加強(qiáng)拱架的鎖腳施作，從拱架基腳處每隔50 cm高度施作一排鎖腳，直至拱墻部位，鎖腳錨管注漿密實(shí)。

在初期支護(hù)頂部，左右兩側(cè)拱墻結(jié)合部預(yù)留注漿孔，直徑為45 mm，用于后期腔體內(nèi)的注漿孔及在對腔體內(nèi)泵送混凝土?xí)r的排氣孔。同時在空溶腔處加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)設(shè)置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隱患。并在空腔處設(shè)置混凝土泵送孔，直徑為25 cm。在拱腳處預(yù)留泄水孔。噴漿工序施作完成后進(jìn)入下一個循環(huán)(見圖3)。

圖3 隧道頂部充填物脫空溶腔支護(hù)處理示意圖

3.3 溶腔填充

3.3.1 充填性溶腔加固

初期支護(hù)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，沿預(yù)留注漿孔對隧道進(jìn)行徑向注漿，進(jìn)一步穩(wěn)定溶腔范圍內(nèi)的充填物。注漿壓力控制在不小于0.5 MPa。漿液采用1∶1的水泥漿。同時加強(qiáng)對圍巖的監(jiān)控量測。

3.3.2 半充填性溶腔的填充加固

初期支護(hù)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，通過空腔部位預(yù)留的直徑為25 cm的預(yù)留孔，采用泵送混凝土對溶腔進(jìn)行填充，混凝土標(biāo)號為C20，混凝土填充密實(shí)?；炷撂畛渫瓿珊?，再通過預(yù)留的注漿孔對腔體進(jìn)行注漿，進(jìn)一步確保腔體的密實(shí)。在施作二襯混凝土?xí)r，在溶腔范圍內(nèi)增加兩道環(huán)向盲溝，引排至隧道側(cè)溝。

3.3.3 隧道頂部充填物脫空的溶腔的填充加固

初期支護(hù)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，通過隧道頂部預(yù)留的泵送孔，對溶腔進(jìn)行填充C20混凝土，混凝土填充密實(shí)?；炷撂畛渫瓿珊?，再通過預(yù)留的注漿孔對腔體進(jìn)行注漿，進(jìn)一步確保腔體的密實(shí)。在施作二襯混凝土?xí)r，在溶腔范圍內(nèi)增加兩道環(huán)向盲溝，引排至隧道側(cè)溝。

3.4 溶腔處理過程中的監(jiān)控量測

溶腔處理過程中松散的充填物可能被擾動，圍巖應(yīng)力可能發(fā)生變化，所以必須加強(qiáng)圍巖的監(jiān)控量測。對支護(hù)狀態(tài)及鄰近初期支護(hù)狀況觀察，判斷整個開挖面的穩(wěn)定狀態(tài)，以便采取措施或變更設(shè)計(jì)。每個循環(huán)完成后，將圍巖監(jiān)控量測結(jié)果記錄整理，作為信息反饋的內(nèi)容之一，指導(dǎo)施工。改變支護(hù)結(jié)構(gòu)。溶腔處理過程中，監(jiān)控量測必測項(xiàng)目為:1)洞內(nèi)觀察;2)拱頂下沉量測;3)洞身水平收斂。

3.4.1 洞內(nèi)觀察

洞內(nèi)觀察主要是看已完成初期支護(hù)是否有出現(xiàn)裂縫裂紋，如有則證明圍巖應(yīng)力變化，初期支護(hù)達(dá)不到加固圍巖的要求，則需要進(jìn)行變更，加強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度。

3.4.2 洞內(nèi)拱頂下沉監(jiān)控量測

拱頂下沉測點(diǎn)，在溶腔前后10 m范圍內(nèi)，按隧道中線縱向每3 m～5 m一個斷面，每個斷面1個測點(diǎn)，測點(diǎn)須采用鋼筋打入巖體內(nèi)，不得焊接在拱架之上。必要時設(shè)拱底隆起量測，測點(diǎn)設(shè)在開挖斷面下沉和隆起變化最大的地方。

按設(shè)計(jì)位置及時埋設(shè)測點(diǎn)。拱頂下沉量測，采用精密水準(zhǔn)儀和經(jīng)校核的鋼尺進(jìn)行測量。按期定時量測，以便了解施工過程中圍巖變化情況。開始5 d內(nèi)，每天測量3次～4次，5 d～20 d內(nèi)，每天測量2次，基本處于穩(wěn)定后，每周測量不少于1次。按每個測點(diǎn)分別繪制拱頂下沉回歸曲線，將信息及時反饋。拱頂允許下沉值控制值為30 mm。

3.4.3 洞內(nèi)周邊位移監(jiān)控量測

溶腔范圍內(nèi)的周邊位移收斂測點(diǎn)，按隧道縱向間距3 m～5 m一個斷面，并與拱頂下沉測點(diǎn)同在一個監(jiān)控量測橫斷面上，按兩條測線布設(shè)測點(diǎn)。測點(diǎn)要在結(jié)構(gòu)開挖噴錨時按設(shè)計(jì)位置及時埋設(shè)。

周邊位移收斂量測采用JSS30/15A收斂儀按時量測，以便了解施工過程中圍巖變化情況。按每條測線繪制水平收斂—時間曲線，分析初期支護(hù)穩(wěn)定情況，推算最終位移值，以便確定二襯進(jìn)行時間。水平收斂允許值控制同正常隧道施工。

3 m設(shè)一個量測斷面，每斷面設(shè)7個～11個點(diǎn)，所布測點(diǎn)盡量布置在不易被破壞的地方(見圖4)。

3.4.4 溶腔處格柵鋼架受力監(jiān)控量測

圖4 測點(diǎn)詳細(xì)布設(shè)圖

監(jiān)控量測每隔10榀鋼架設(shè)置1對測力計(jì)。各個測點(diǎn)布設(shè)具體位置，詳見圖4。格柵鋼架所用鋼筋計(jì)，采用電阻應(yīng)變片式鋼筋計(jì)。它采用專門防潮措施，反應(yīng)靈敏，長期穩(wěn)定。引入計(jì)算機(jī)技術(shù)后，使得測試和數(shù)據(jù)處理會更精確和方便。

在格柵鋼架安裝完畢后，將電阻應(yīng)變式鋼筋計(jì)，分別安裝在主筋的受拉、受壓部位，然后施噴混凝土。通過引線接至二次儀器，則電阻應(yīng)變計(jì)將其感受到的格柵鋼架主筋的變形轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，通過預(yù)先標(biāo)定的曲線，就可換算出所測定的受力值。

隧道格柵鋼架受力監(jiān)控量測，采用預(yù)先安裝于主筋的電阻應(yīng)變鋼筋計(jì)和電阻應(yīng)變儀進(jìn)行監(jiān)控量測。

根據(jù)量測結(jié)果，若判定格柵鋼架屬不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)立即采取措施，加強(qiáng)格柵結(jié)構(gòu)及布置，確保施工安全。

4 結(jié)語

本隧道在施工工程中遇到的不同類型的無水松散充填性溶腔及無水空溶腔，通過加強(qiáng)支護(hù)等多種方案安全的穿越了溶腔，經(jīng)總結(jié)，有以下感想:1)對于這種地質(zhì)的隧道，須通過多種超前預(yù)測預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的確定溶腔的充填情況、溶腔的形態(tài)，為穿越溶腔做好前提準(zhǔn)備。2)施工中短進(jìn)尺、弱爆破，及早的封閉支護(hù)，并及時的對溶腔進(jìn)行填充，確保溶腔內(nèi)的充填物的穩(wěn)定性，及溶腔周圍圍巖的穩(wěn)定性。3)超前支護(hù)要加強(qiáng)，特別是拱架的鎖腳錨桿及系統(tǒng)錨桿的施作要加強(qiáng)，確保拱架穩(wěn)定。4)填充混凝土和注漿的配合使用是確保溶腔填充密實(shí)的重要手段。5)施工過程中，加強(qiáng)監(jiān)控量測，確保及時進(jìn)行二襯的施工。

［1］J 285-2004，鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］尖山隧道施工圖［Z］.

［3］劉勝東，孟國基.某鐵路運(yùn)營隧道溶洞強(qiáng)化治理設(shè)計(jì)及施工［J］.隧道建設(shè)，2010，31(2):82-83.

［4］姜德義，李文明，邱華富.監(jiān)控量測技術(shù)在楓香椏隧道中的應(yīng)用研究［J］.山西建筑，2010，36(10):294.