巖溶隧道溶洞處理施工技術(shù)

劉周禮，李磊，寧德好

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116001）

1 工程概況

新建合福鐵路客運(yùn)專線閩贛Ⅱ標(biāo)段棋盤山隧道全長(zhǎng)1758.13 m，隧道口里程為DK440+700，隧道出口里程為DK442+458.13，為單洞雙線隧道，左右線間距5m，隧道沿線路坡度20‰，隧道出口為下坡方向。該隧道地處江西省上饒境內(nèi)，洞身地層巖性多變，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，圍巖軟弱，Ⅴ級(jí)圍巖1128.13m，占隧道長(zhǎng)度的64%，Ⅳ級(jí)圍巖465m，占隧道長(zhǎng)度26%，Ⅲ級(jí)圍巖165m，占隧道長(zhǎng)度9%，設(shè)計(jì)施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，施工難度大，在巖性接觸帶處極易出現(xiàn)塌方及涌水事故[1]。

2 事發(fā)經(jīng)過

2012年9月16日棋盤山隧道出口上臺(tái)階掌子面（里程DK441+660）出渣完成挖掘機(jī)排險(xiǎn)過程中，位于掌子面線路左側(cè)拱腰，出現(xiàn)突水、突泥現(xiàn)象。突泥穩(wěn)定后，掌子面線路左側(cè)拱腰顯露出直徑約1.0m圓狀突涌口，伴有大量地下水涌出。施工設(shè)計(jì)、業(yè)主、監(jiān)理單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，研究決定封閉掌子面，暫停掘進(jìn)，增加事發(fā)段地質(zhì)補(bǔ)勘工作[2-4]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)H事發(fā)當(dāng)天突泥量約300m3、突水量約2萬m3。

3 方案的確定

勘后結(jié)果表明，里程DK441+660掌子面線路左側(cè)拱腰存有一個(gè)高15m、長(zhǎng)10m（沿線路方向）、寬6m溶洞。設(shè)計(jì)院根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果給出如下處理方案。

1）在溶洞口位置打設(shè)5m超前小導(dǎo)管，打設(shè)間距為0.2m，梅花布置，同時(shí)對(duì)超前小導(dǎo)管進(jìn)行注漿處理，注漿壓力控制在0.2MPa，將溶洞內(nèi)及溶洞口的填充物進(jìn)行固結(jié)處理，防止溶洞內(nèi)的填充物繼續(xù)流入隧道中。

2）在掌子面DK441+660位置設(shè)置1m厚的C20混凝土止?jié){墻，用于后續(xù)5m超前周邊注漿和封堵上臺(tái)階掌子面左側(cè)溶洞，同時(shí)溶腔內(nèi)預(yù)留1根φ160mm的鋼管作為泵管，鋼管斜向布設(shè)在溶腔中間，泵管口高出隧道斷面拱頂標(biāo)高以上6 m，泵送C20混凝土填充空腔至拱頂標(biāo)高以上不小于5m。施作止?jié){墻時(shí)涌水由孔口管排出，以確?；炷良白{施工質(zhì)量。

3）為確保溶洞區(qū)的施工安全，改良洞周圍巖條件以及為減少地表水下滲，DK441+661～+631采用5m超前周邊預(yù)注漿，開挖27m時(shí)再次采用超前地質(zhì)鉆探探明前方地質(zhì)情況，注漿工藝采取前進(jìn)式分段自上而下注漿。

4）DK441+661～+600段超前預(yù)支護(hù)措施由雙層小導(dǎo)管調(diào)整為洞身長(zhǎng)管棚套打單層小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。通過洞身長(zhǎng)管棚和小導(dǎo)管對(duì)注漿不足部位或注漿盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

5）DK441+661～+600襯砌結(jié)構(gòu)類型與原設(shè)計(jì)不變采用“Ⅴb型”，鋼架I22a工字鋼，間距由原設(shè)計(jì) 0.6 m/榀調(diào)整至 0.5 m/榀，其中 DK441+661～+631段邊墻φ22砂漿錨桿調(diào)整為中空錨桿，二襯環(huán)向鋼筋由原來的φ22鋼筋調(diào)整為φ25，鋼筋間距由原來的20 cm調(diào)整至15 cm。

4 處理程序

處理程序?yàn)椋旱刭|(zhì)補(bǔ)勘→溶洞口封堵→溶洞回填處理→止?jié){墻施工→5m周邊圍巖預(yù)注漿施工→洞內(nèi)長(zhǎng)管棚施工→洞身開挖→支護(hù)施工→襯砌施工。

5 施工操作

5.1 地質(zhì)補(bǔ)勘

在洞內(nèi)沿掘進(jìn)方向及掌子面兩側(cè)進(jìn)行TSP及地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，洞外采取GPS定位在掌子面DK441+660對(duì)應(yīng)地表處沿線路方向100m進(jìn)行高密度物探電法檢測(cè)，結(jié)合兩者檢測(cè)報(bào)告在隧道掌子面及隧道地表使用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行地質(zhì)探明及核對(duì)，洞內(nèi)掌子面水平鉆探深度為30m，地表垂直鉆探至隧底下8m。

5.2 溶洞口封堵

1）由于溶洞填充物為礫石，為防止再次突泥，溶洞口朝溶洞內(nèi)側(cè)打設(shè)長(zhǎng)5 m間距20 cm的鋼花管超前小導(dǎo)管，同時(shí)進(jìn)行注漿處理，注漿壓力控制在0.2MPa。漿液凝固后，采用自上而下邊清理突泥邊防護(hù)的措施進(jìn)行施工。

2）溶洞口設(shè)置1個(gè)寬2m、高3m的弧形門式架（門式架采用Ⅰ22工字鋼焊接而成），門式架上打設(shè)15根長(zhǎng)6 m的φ108mm超前鋼管，鋼管前段設(shè)置成錐形，一端打入溶腔內(nèi)土石中，一端設(shè)置在門式架上。門式架兩側(cè)各設(shè)置8根鎖腳鋼管，同時(shí)布設(shè)2根長(zhǎng)7m的φ160mm的泵管。泵管斜向布設(shè)在溶腔中間，泵管口高出隧道斷面外6m，另在突泥口最底部預(yù)埋2根HFPE107/93雙壁打孔盲管排除溶腔內(nèi)裂隙水。

3）鋼管施作完畢后，采用C30網(wǎng)噴混凝土對(duì)溶洞口噴射封堵，噴射順序從孔內(nèi)向孔外依次噴射，噴射時(shí)將噴頭伸至孔內(nèi)，確保噴射混凝土密實(shí)。

5.3 溶洞回填處理

溶洞口封堵完畢后，利用已預(yù)埋的2根泵管，向溶洞內(nèi)泵送混凝土進(jìn)行填充。混凝土回填分4次進(jìn)行施工，第1次回填厚度控制在1m左右、后面3次回填厚度控制在2m左右。

5.4 止?jié){墻施工

為了確保預(yù)注漿效果，在隧道掌子面設(shè)置1道C20混凝土止?jié){墻，墻厚1m，高7.5m，滿布掌子面輪廓面，分層澆筑。采用組合模板及泵送方式進(jìn)行施工，并在墻上預(yù)留過水孔道。

5.5 5m超前周邊預(yù)注漿

周邊預(yù)注漿旨在通過鉆孔使?jié){液擴(kuò)散加固圍巖區(qū)巖層裂隙，注漿孔的布置要以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)空白為原則，注漿孔數(shù)量以隧道中軸為中心呈傘形布置。

1）鉆孔布置

由于DK441+661采用上下臺(tái)階法進(jìn)行施工，開挖高度為7.5m，5m超前周邊預(yù)注漿全斷面共98個(gè)。上臺(tái)階需打設(shè)61個(gè)孔，其中第1循環(huán)打設(shè)14個(gè)孔，第2循環(huán)打設(shè)17個(gè)孔，第3循環(huán)打設(shè)15個(gè)孔，第4循環(huán)打設(shè)15個(gè)孔。下臺(tái)階開挖高度控制在4.7m，打設(shè)37個(gè)孔，注漿孔的布置見圖1。

圖1 5m超前周邊預(yù)注漿注漿孔布置圖Fig.1 layout of the grouting hole of 5m advance pre-grouting

2）注漿參數(shù)的選擇

每循環(huán)注漿長(zhǎng)度30m，單孔有效擴(kuò)散半徑2.5m左右，終孔間距2.0m。注漿范圍為：開挖輪廓線外5m。注漿方式：如果出水量較小且成孔容易，用一次性注漿方式。如果成孔困難，則采用分段前進(jìn)式注漿。注漿一般情況下采用純水泥漿（水灰比1∶1），涌水處采用雙液注漿（水泥漿∶水玻璃為1∶0.25），注漿壓力控制在 0.5～1.5 MPa范圍內(nèi)。注漿的順序?yàn)椋合茸⑼馊Γ笞?nèi)圈，同1圈由下而上間隔施作。

3）埋設(shè)孔口管

孔口管埋設(shè)的好壞是決定注漿效果的重要因素。先用YQ-110型沖擊式鉆機(jī)鉆3m深，再將φ108無縫鋼管插入，外露20～30 cm，管壁與孔口接觸處用堵路王進(jìn)行填堵，孔口管起著導(dǎo)向及防止漏檢作用。

4）鉆孔

鉆孔前先在止?jié){墻上標(biāo)注出鉆孔孔位，鉆孔時(shí)控制好鉆機(jī)鉆桿仰角，第一環(huán)鉆孔仰角控制在12°～16°，鉆孔深度 31m；第二環(huán)控制在 16°～20°，鉆深32m；第三環(huán)控制在20°～26°，鉆深21.5m；第四環(huán)控制在 26°～28°，鉆深 16 m?，F(xiàn)場(chǎng)采用ZYG150全液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工。

5）制漿及注漿

現(xiàn)場(chǎng)采用JZ350葉片式攪拌機(jī)作為制漿設(shè)備，為了保證漿液均勻和在注漿間隙不沉淀，另自行加工攪拌儲(chǔ)漿桶2個(gè)，容量1m3。在出漿口設(shè)置1mm×1mm網(wǎng)篩過濾防止水泥塊堵塞注漿機(jī)，采用ZSY50/70雙液注漿機(jī)進(jìn)行注漿。

6）注漿效果檢查

注漿完成后，在開挖輪廓線范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔檢測(cè)注漿效果。每循環(huán)設(shè)檢查孔5個(gè)，其中拱部2個(gè)，左右邊墻各1個(gè)，隧底1個(gè)，檢查孔直徑φ110mm，長(zhǎng)度約30m。當(dāng)滿足平均出水量＜0.2 L/min，壓水檢查在1.0MPa壓力下，吸水量＜0.2 L/min，加固體抗壓強(qiáng)度不小于3MPa，巖體RQD指標(biāo)達(dá)到75～80，則認(rèn)為注漿達(dá)到效果，可進(jìn)行開挖，否則進(jìn)行補(bǔ)注漿。

5.6 洞內(nèi)管棚施工

洞身管棚每環(huán)45根，環(huán)向間距40 cm，洞身長(zhǎng)管棚長(zhǎng)度一般為10～15m一環(huán)，兩環(huán)之間的搭接長(zhǎng)度不小于3m，棋盤山隧道洞身管棚共打設(shè)4循環(huán)，管棚的外插角控制在10°～12°。

1）管棚導(dǎo)向架（管棚導(dǎo)向墻）施工

管棚施工一般采用導(dǎo)向墻方式進(jìn)行導(dǎo)向，由于洞身管棚施作導(dǎo)向墻比較困難，經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通后利用初期支護(hù)的Ⅰ22工字鋼上焊接φ130無縫鋼管作為管棚鉆孔導(dǎo)向架，同時(shí)對(duì)隧道初支凈空半徑進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大，具體情況詳見圖2。

圖2 洞身管棚工作室及管棚導(dǎo)向管示意圖Fig.2 Sketch of the chamber and guide tube of pipe-shed in tunnel trunk

2）管棚制作及加工

長(zhǎng)管棚鋼管采用φ89mm熱軋無縫鋼管，壁厚5 mm，鋼管每根長(zhǎng)度為15m。奇數(shù)編號(hào)的管設(shè)置為鋼花管進(jìn)行注漿，注漿孔孔徑10～16 mm，孔間距為110mm，呈梅花型布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段，止?jié){段長(zhǎng)度為150 cm。偶數(shù)孔為不打孔的鋼管，鋼管之間采用φ95的鋼管絲扣連接，連接長(zhǎng)度150mm，鋼管連接時(shí)要避免鋼管接頭設(shè)置在同一個(gè)截面。

3）管棚鉆孔

洞身管棚施工在隧道初支范圍內(nèi)設(shè)置管棚工作室，便于管棚打設(shè)及傾斜角的控制，因此在隧道開挖時(shí)需對(duì)隧道開挖凈空進(jìn)行擴(kuò)大，棋盤山隧道管棚工作室開挖半徑擴(kuò)大1.2m，同時(shí)利用初支鋼架作為導(dǎo)向管的固定架。

由于隧道內(nèi)施工面比較窄小，管棚鉆機(jī)采用CL-120Y水平鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆機(jī)平臺(tái)采用鋼管腳手架搭設(shè)，使用φ100mm鉆頭。鉆孔過程中及時(shí)對(duì)孔口巖屑進(jìn)行地質(zhì)判斷、描述，作為洞身開挖的地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)參考資料，以指導(dǎo)洞身開挖。

4）管棚安裝及注漿

管棚頂進(jìn)采用挖掘機(jī)配合人工的工藝進(jìn)行施工，先打設(shè)鋼花管并注漿（奇數(shù)號(hào)），然后打設(shè)鋼管（偶數(shù)號(hào)），以便檢查鋼花管注漿質(zhì)量。相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯(cuò)開，同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯(cuò)開3m。

管棚注漿采用水泥漿液，漿液配合比1∶1（重量比），注漿壓力0.5～2.0MPa，注漿量到達(dá)設(shè)計(jì)量的80%以上，持壓15min后停止注漿。

5.7 溶洞處理施工要點(diǎn)

1）對(duì)于巖溶地區(qū)必須建立好溶洞突泥突水應(yīng)急預(yù)案，在隧道中必須備有一定的應(yīng)急物資及藥品。

2）突泥突水發(fā)生時(shí)應(yīng)立即撤散施工人員，同時(shí)將隧道內(nèi)的供電全部切斷，當(dāng)溶洞突泥突水處于穩(wěn)定后再搶救機(jī)械設(shè)備。

3）當(dāng)圖紙標(biāo)明隧道穿越溶洞時(shí)須及時(shí)探明溶洞的位置、范圍、是否有填充以及是否有壓力等情況，施工時(shí)須在隧道掌子面打設(shè)超前探孔，探孔深度大于5倍開挖循環(huán)深度。

4）溶洞回填過程中及時(shí)對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行沉降及收斂測(cè)量，如發(fā)現(xiàn)有異常情況應(yīng)立即停止回填施工。

5）巖溶隧道必須按照設(shè)計(jì)開挖工法進(jìn)行，及時(shí)增設(shè)臨時(shí)支撐，避免隧道產(chǎn)生偏壓及變形。

6）溶洞回填必須等隧道初期支護(hù)封閉成環(huán)后或者二襯施工完成后進(jìn)行，避免溶洞回填過程中對(duì)隧道初支產(chǎn)生偏壓變形情況。

7）隧道施工過程中要加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控測(cè)量，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及測(cè)量結(jié)果指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

8）洞身管棚施工時(shí)必須控制導(dǎo)向管傾斜角度，避免因傾斜角過小導(dǎo)致隧道初支鋼架侵限，或者起不到管棚支護(hù)的作用，施工時(shí)可以制定角度尺，在角度尺水平方向設(shè)置1把水平尺，控制好施工的傾斜角。

6 結(jié)語

棋盤山隧道出口通過圍巖周邊預(yù)注漿和洞身管棚的方法成功穿越溶洞，充分驗(yàn)證了圍巖周邊預(yù)注漿和洞身管棚的工藝可行性；實(shí)踐證明該工藝是合理的，可對(duì)類似工程提供一些參考和借鑒。

[1] 新建鐵路合福線合肥至福州段雙線隧道輔助施工措施、防排水及施工方法設(shè)計(jì)圖[R].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.Design drawing of the auxiliary construction measurement and water-proof construction method of the double-track tunnel in Hefei-Fuzhou section of the new Hefei-Fuzhou Railway[R].Wuhan：China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，2010.

[2] 劉招偉，張民慶，王樹仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測(cè)與處治技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2007.LIU Zhao-wei，ZHANG Min-qing，WANG Shu-ren.Disaster prediction and treatment technology of karst tunnel[M].Beijing：Science Press，2007.

[3] 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.GUAN Bao-shu.Key points of tunnel engineering construction[M].Beijing：China Communications Press，2003.

[4] 鐵建設(shè)[2010]241號(hào)，高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].Railway Construction[2010]No.241，High-speed railway tunnel construction technology guide[S].