巖溶地區(qū)隧道溶洞處理技術(shù)

李 偉

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安 710018)

0 引言

渝湘高速公路中興隧道(K50+064.58～K56+170)全長(zhǎng)6 105.42 m，位于重慶市武隆縣境內(nèi)烏江北岸，是全線第一長(zhǎng)隧道。隧道區(qū)屬烏江侵蝕河谷發(fā)育的峽谷溶蝕、剝蝕中低山區(qū)，地勢(shì)陡峭，溝谷深切，屬單斜構(gòu)造，地表分布有眾多巖溶洼地、漏斗、落水洞等，為巖溶的主要補(bǔ)給區(qū)。隧道最大埋深1 000 m，穿越地層依次為第四系全新統(tǒng)、三疊系中統(tǒng)雷口坡組、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組、二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組、二疊系上統(tǒng)吳家坪組、二疊系下統(tǒng)茅口、棲霞、梁山組以及志留系和奧陶系，巖性主要為石灰?guī)r、頁巖和砂巖，地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水，是典型的巖溶發(fā)育區(qū)。

1 溶洞分布及基本情況

中興隧道在施工過程中先后揭示了多處大溶洞和巖溶裂隙(圖1為中興隧道主要溶洞分布平面示意圖)，大致可分為三種溶洞類型:大型溶洞伴有突泥突水、巖溶裂隙涌水和溶腔。各個(gè)溶洞的形態(tài)及涌水狀況描述如下:

K54+919:開挖至掌子面發(fā)生突泥突水，持續(xù)2 h，突泥突水量約15萬m3。掌子面左下角有一個(gè)向左上方延伸的分支大溶洞，底部溶腔直徑約6 m，向上方延伸的溶洞直徑約3 m，向左邊延伸的溶洞直徑約2.0 m，溶洞深度無法探明。

K54+380:掌子面右下側(cè)3 m×3 m范圍內(nèi)共11個(gè)探孔出現(xiàn)壓力水，持續(xù)時(shí)間約60 h。揭示一直徑約1 m×2 m的溶洞，沿右側(cè)墻腳下方向小里程方向斜向外延伸，溶洞出水量約為600 m3/h，遇暴雨溶洞出水量劇增。

K56+070，ZK55+974:該兩處上導(dǎo)坑開挖時(shí)出現(xiàn)溶洞，伴有大量涌水。右洞溶洞處于右側(cè)邊墻斜向下延伸，溶腔直徑約3 m，左洞溶洞處于隧底中心，豎直向下延伸，溶腔直徑約1 m，兩溶洞涌水持續(xù)26 h，經(jīng)探測(cè)，兩個(gè)溶洞互為連通。

K53+890:掌子面施工超前探孔時(shí)，向左下角探孔突然出現(xiàn)大量噴水，噴水射程約30 m，噴水持續(xù)240 h，噴水量約4 000 m3/h。釋放完畢后揭示一溶槽直徑約1.5 m，沿掌子面左下角向前延伸，長(zhǎng)度無法探明。

K54+120～K55+300:該段有6處掌子面開挖后出現(xiàn)多處股狀壓力水噴出，拱頂及邊墻均有大量裂隙出水，呈線性雨?duì)?，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

K54+063:掌子面右側(cè)出現(xiàn)高壓力水，噴水射程達(dá)15 m左右，噴水持續(xù)120 h。掌子面右側(cè)揭示一溶槽縱向沿邊墻斜向小里程方向向上延伸，溶槽最大可見深度約4 m，寬度約2 m。

1.1 溶洞系統(tǒng)特征

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和氣候綜合影響情況及相應(yīng)的環(huán)境特征，隧道區(qū)所穿越的巖溶屬深谷洞穴系統(tǒng)模式，具有以下特征:

1)有近于垂直通道如落水洞、漏斗等存在，其深度較大;

2)溶洞中地下水具有較大的坡降，水壓力較大;

3)近于水平巖溶通道存在;

4)洞穴系統(tǒng)出現(xiàn)垂直的多層結(jié)構(gòu);

5)溶洞系統(tǒng)的地下水補(bǔ)給主要依靠落水洞、巖溶漏斗，受大氣降水補(bǔ)給明顯。

1.2 溶洞涌水特征

在施工過程中，共發(fā)生5次特大涌水，其特點(diǎn)是來勢(shì)兇猛，漲水速度快，涌水量大，尤其是強(qiáng)降雨天氣直接影響溶洞的涌水量。2008年7月武隆地區(qū)普降暴雨，日降雨量達(dá)到200 mm，隧道溶洞出水暴漲，導(dǎo)致隧道施工中斷近一個(gè)月，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。

2 溶洞的處理

2.1 大型溶洞的處理

對(duì)于 K56+070，K55+974，K54+919，K54+380，K53+890五個(gè)大型溶洞段的隧道洞身采取調(diào)整圍巖級(jí)別和支護(hù)參數(shù)的措施，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全。具體處治措施如下:

隧道開挖斷面由原設(shè)計(jì)斷面外輪廓擴(kuò)大為洞口加強(qiáng)段開挖輪廓，初噴混凝土厚度25 cm;初期支護(hù)采用18號(hào)工字鋼作為支撐拱架，0.6 m/榀，全斷面設(shè)置;拱墻設(shè)置 φ8鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm;拱墻設(shè)置φ25中空注漿錨桿，每根長(zhǎng)度為5 m，環(huán)向×縱向間距為1.2 m×1.2 m;二次襯砌改為鋼筋混凝土襯砌，厚度60 cm，施工時(shí)先在溶腔內(nèi)做支撐模板，以避免混凝土堵塞溶洞而影響溶洞排水。

溶腔內(nèi)壁采取封閉圍巖的方法進(jìn)行處理，先在溶腔內(nèi)壁施打φ22砂漿錨桿，梅花形布置，間距1.2 m，每根錨桿長(zhǎng)2.5 m，然后再掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，最后噴射5 cm厚混凝土將圍巖與空氣隔絕，防止其因水流或空氣作用而出現(xiàn)掉塊乃至坍塌(見圖2)。

2.2 巖溶管道及裂隙處理

對(duì)于K54+120～K55+300段巖溶管道及裂隙采取增加砂漿錨桿、鋼筋網(wǎng)片、格柵拱架等加強(qiáng)支護(hù)的措施進(jìn)行處理。在加固初期支護(hù)的同時(shí)，將排水設(shè)施一同施工，以達(dá)到加固和排水的目的。

2.3 一般溶槽處理

K54+063在開挖時(shí)出現(xiàn)壓力水，屬于溶槽內(nèi)存積大量的水壓力所引起的;開挖泄水之后，該溶槽深度范圍可見，且沒有出水現(xiàn)象。針對(duì)該類溶槽，首先在溶槽內(nèi)壁噴射5 cm厚的混凝土以封閉圍巖面，使其不再受到空氣和水的侵蝕，然后再回填混凝土，確保其不會(huì)發(fā)生坍塌。

3 隧道防排水處理

巖溶發(fā)育地段的隧道，對(duì)巖溶水的整治采取“堵、截、排、防”相結(jié)合的綜合治理措施，以排為主，排堵結(jié)合。

3.1 大型溶洞防排水處理

由于隧道歷次涌水主要來源于K56+070，K55+974，K54+919，K54+380，K53+890五個(gè)大型溶洞，突發(fā)性強(qiáng)，水量大，且溶洞涌水與大氣降水聯(lián)系密切，采取集中排水為主的方案。中興隧道設(shè)計(jì)最大涌水量為89 000 m3/d，但經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一年的水文觀測(cè)，隧道最大涌水量為250 000 m3/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于隧道原有設(shè)計(jì)排水量，施工過程中部分初期支護(hù)和仰拱被脹裂，鑒于此特殊情況，為確保隧道初期支護(hù)及二次襯砌安全，采取在隧道主洞之間增設(shè)泄水洞的方案來排泄幾個(gè)大型溶洞的涌水。泄水洞位于隧道兩主洞之間正下方，長(zhǎng)1 800 m，斷面2.5 m×3 m;在每個(gè)溶洞處設(shè)置橫洞與引水洞相連，引水洞與隧道洞口一4 m×4.5 m鋼筋混凝土蓋板涵連通，確保隧道內(nèi)涌水順利排出(見圖3)。

3.2 巖溶裂隙防排水處理

巖溶裂隙出水的特點(diǎn)是分布較廣、涌水量不大，一般在拱頂和拱腰都有出現(xiàn)。針對(duì)此類型的巖溶水，采取注漿堵截，集中排放的方案進(jìn)行處理。為了將滲水集中排放，在涌水段拱部增加徑向施作φ42小導(dǎo)管注漿補(bǔ)強(qiáng)措施，具體參數(shù)為:φ42小導(dǎo)管每根長(zhǎng)3.5 m，1.5 m ×1.5 m 梅花形布置，注漿采用純水泥漿，水灰比為1∶0.8 ～1∶1，注漿壓力為0.4 MPa～0.5 MPa;對(duì)集中出水點(diǎn)打φ89 mm引水孔，孔深4 m，并安裝管頭封閉的φ75引水鋼管，引水鋼管端頭1 m范圍內(nèi)鉆孔，再采取PVC管引排至中心排水溝;加密環(huán)向盲管，每5 m設(shè)置一道。

3.3 單點(diǎn)巖溶出水

在隧道施工過程中，單點(diǎn)巖溶出水是非常普遍和常見的，一般經(jīng)常用沿出水點(diǎn)開槽至拱腳，埋設(shè)梅花眼鋼管或透水性PVC管，用三通與隧道縱、橫向排水盲管相連，最后經(jīng)中央排水溝排出洞外。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在巖溶隧道施工過程中，必須加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)，對(duì)隧道前方的地質(zhì)情況需要進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。如揭露隧道側(cè)壁及掌子面有小溶洞，且溶洞越來越多，則前方可能會(huì)有大型巖溶溶洞。此時(shí)應(yīng)對(duì)隧道前方進(jìn)行物探與鉆探相結(jié)合，打適量探孔以探明溶洞壁和隧道開挖輪廓線之間的關(guān)系，提前作好穿越巖溶溶洞的應(yīng)急措施，一般巖溶隧道水和淤泥較多，施工應(yīng)注意安全，預(yù)防突泥和突水。施工過程中關(guān)鍵應(yīng)確保溶洞壁穩(wěn)定和作好隧道防排水設(shè)施。

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