溶洞多發(fā)鐵路隧道溶洞處理施工技術(shù)

黃彬

溶洞多發(fā)鐵路隧道溶洞處理施工技術(shù)

黃彬

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030024）

結(jié)合溶洞多發(fā)單線鐵路隧道施工實(shí)踐，詳細(xì)闡述了洞身開挖溶洞、仰拱開挖溶洞、隧底隱伏溶洞及溶蝕破碎帶等隧道內(nèi)多種溶洞的處理措施，為喀斯特地貌地區(qū)溶洞多發(fā)鐵路隧道巖溶處理這一難題提供了可供借鑒的資料，供類似的工程施工單位參考。

溶洞多發(fā)鐵路隧道；溶洞處理；施工技術(shù)；掌子面

1 工程概況

某鐵路隧道位于貴州省境內(nèi)，起訖里程ZDK540+740—ZDK541+767，全長(zhǎng)1 027 m，最大埋深約145 m，隧道進(jìn)口段558.15 m位于直線上，出口段468.85 m位于半徑為= 1 600 m的左偏曲線上；自進(jìn)口至出口設(shè)計(jì)縱坡分別為10.5‰（10 m）上坡、 5‰（1 009 m）上坡、3‰（8 m）下坡。隧區(qū)屬溶蝕構(gòu)造類型的低山丘陵、溶蝕槽谷地貌，該地區(qū)屬典型的喀斯特地貌，地下巖溶十分發(fā)育，地面標(biāo)高245～440 m，相對(duì)高差40～20 m，自然坡度20°～55°。

山脈走向、槽谷走向受構(gòu)造控制，呈NE向分布，線路右側(cè)350～400 m為錦江。隧道進(jìn)口、出口端地形陡峭，局部形成陡崖，地表多覆蓋著灌木叢。隧道主要地層有弱膨脹土、塊石土、黏土、灰?guī)r等，未見斷裂構(gòu)造，巖層單斜，節(jié)理裂隙較發(fā)育；整體上該地層中巖溶水總量不大。全隧道地下水環(huán)境作用等級(jí)為T2。隧道為時(shí)速120 km電化單線鐵路隧道，洞內(nèi)設(shè)置重型無砟軌道，采用彈性支承塊式整體道床并鋪設(shè)60 kg/m鋼軌，設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度60 cm。隧道從進(jìn)口、出口雙向掘進(jìn)，采用臺(tái)階法組織施工，其中出口工區(qū)從進(jìn)洞后不斷揭示各類充填型溶洞或空溶洞，隧道出口于2017-08-11開挖進(jìn)洞，共累計(jì)完成掘進(jìn)任務(wù)564 m，隧道進(jìn)口于2018-03-07開挖進(jìn)洞，共累計(jì)完成掘進(jìn)任務(wù)463 m，全隧道于2018-07-31完成貫通，貫通里程為ZDK541+203，隧道二襯于2018-08-28完成施工。

2 隧道溶洞施工處理措施

2.1 ZDK541+744溶洞

2017-08-23，隧道掌子面開挖至ZDK541+744時(shí)，上臺(tái)階線路右側(cè)拱墻揭示填充溶腔，腔內(nèi)充填物為軟塑狀黏土，溶腔寬3.2 m，平均深度為2.4 m，溶腔縱向發(fā)育約3 m，填充物坍空后，掌子面基巖可見，且有一個(gè)φ60 cm小洞，延伸深度約為7.5 m，未能探到最里面，如圖1所示。該溶洞具體處治方案為：清除ZDK541+748—ZDK541+741溶腔內(nèi)剩余填充物，溶腔內(nèi)敷設(shè)3根φ50 cm透水管，間距1 m，同時(shí)環(huán)向排水盲管加密至每3 m設(shè)置一道，直接引入側(cè)溝，上臺(tái)階鎖腳錨桿每邊增加2根；結(jié)合巖體破碎情況及地下水發(fā)育情況，對(duì)溶腔內(nèi)采取局部徑向注漿加固處理，溶腔范圍內(nèi)初支施作時(shí)預(yù)留混凝土泵送管，坍空后的溶腔采取在二次襯砌完成，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后泵送C20混凝土填充密實(shí)，仰拱施作前，采用釬探等手段探測(cè)基底是否存在隱伏巖溶。

2.2 ZDK541+720溶洞

2017-09-21，開挖至ZDK541+720線路左側(cè)時(shí)拱頂出現(xiàn)溶腔，腔內(nèi)充填物為軟塑狀黏土，溶腔向掌子面前方延伸。開挖至ZDK541+712掌子面拱部溶腔內(nèi)黃泥填充物全部溜塌，溶腔寬5.6～7.0 m，平均深度6.5 m，填充物溜塌完后，四周基巖全部可見。ZDK541+711掌子面拱部前方出現(xiàn)突泥，溜塌物為軟塑狀黏土。溜塌坡腳至ZDK541+737斷面處，溜塌量約800 m3，如圖2所示。

圖1 ZDK541+744溶洞

圖2 ZDK541+720溶洞

該溶洞具體處理方案為：①對(duì)ZDK541+737—ZDK541+711段溜塌體表層進(jìn)行拋石回填固結(jié)處理；然后對(duì)ZDK541+720—ZDK541+711段溜塌體進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼支護(hù)封閉（掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)片@20 cm×20 cm；噴射10 cm厚C25混凝土封閉溜塌體）。②ZDK541+720—ZDK541+716段由溜塌體表層施作Φ76鋼花管注漿，鋼管樁嵌入仰拱底部0.5 m，@0.8 m×0.8 m呈梅花形布置，對(duì)溜塌體進(jìn)行局部注漿固結(jié)處理。③開挖清除ZDK541+737—ZDK541+720段溜塌體至棄碴場(chǎng)，開挖后ZDK541+720處臨空面采用掛網(wǎng)噴砼支護(hù)（掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)片@20 cm×20 cm；噴射10 cm厚C25混凝土）。④在ZDK541+720斷面處擴(kuò)挖安裝兩榀I20型鋼鋼架后，分層施作一道C25混凝土封堵墻（下部基礎(chǔ)2.0 m寬，拱部1.0 m寬），每澆筑一層封堵墻，在封堵墻對(duì)應(yīng)的隧道洞身初支施工Φ22砂漿錨桿（單根長(zhǎng)度為3.5 m/根，@0.5 m× 0.5 m呈梅花形布置，錨桿外露0.5 m）；同步從棄碴場(chǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)洞碴對(duì)ZDK541+720—ZDK541+711段進(jìn)行反壓回填，反壓回填洞碴至拱頂剩余約50 cm高時(shí)，施工封堵墻（預(yù)留泵送管）支撐至隧道拱頂，預(yù)留泵送管及初支后溶腔注漿管，泵送塌落度較大的C20細(xì)石混凝土，將封堵墻內(nèi)部空隙回填密實(shí)。⑤在ZDK541+720斷面拱頂，利用預(yù)留注漿管向封堵墻前方ZDK541+720—ZDK541+711處塌空溶腔回填M20水泥砂漿充填拱部溶腔，回填砂漿至拱頂上部1.5 m高。⑥待溶腔回填M20砂漿強(qiáng)度不小于50%后，利用新安裝I20型鋼鋼架支撐，在ZDK541+720處拱部150°范圍內(nèi)施作Φ108大管棚超前注漿加固，單根長(zhǎng)度暫定為30 m，環(huán)向間距30 cm，結(jié)合大管棚施作情況，初步探明前方充填溶腔的縱向發(fā)育情況。⑦拆除封堵墻，開挖溜塌體和已回填洞碴至掌子面，開挖進(jìn)尺每循環(huán)不大于3 m。開挖過程中全程加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)及安全管理，查驗(yàn)初支是否有侵陷，原預(yù)留溶腔的排水管道是否暢通。

2.3 ZDK541+702—ZDK541+695溶洞

2017-11-23，掌子面開挖至ZDK541+702線路左側(cè)拱頂偏右發(fā)現(xiàn)一空溶洞，底部充填少量黃泥，溶洞由掌子面向左前方延伸，開挖至ZDK541+695線右拱腳前方溶洞寬約 7.0 m，深度約17 m，四周基巖全部可見，如圖3所示。

ZDK541+715下臺(tái)階跟進(jìn)開挖中涌出軟塑狀黏土，溜塌量約30 m3，開挖后發(fā)現(xiàn)下臺(tái)階邊墻部位全為黏土，深度約1 m；且根據(jù)上臺(tái)階開挖情況及前方釬探發(fā)現(xiàn)往掌子面方向延伸約20 m，如圖4所示。

圖3 ZDK541+702溶洞

圖4 ZDK541+695溶洞

該溶洞具體處理方案為：ZDK541+715—ZDK541+695段下臺(tái)階每側(cè)Φ42鎖腳錨管增加至2組，并進(jìn)行局部注漿加固處理。ZDK541+702線路左側(cè)拱頂偏右發(fā)現(xiàn)空溶洞，洞腔進(jìn)行清危后拱部進(jìn)行噴錨防護(hù)，錨桿采用Φ22砂漿錨桿，間距為1.2 m×1.2 m，長(zhǎng)3 m，掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)片@20 cm× 20 cm；噴射10 cm厚C25混凝土支護(hù)。對(duì)溶洞內(nèi)消水通道預(yù)埋φ100透水盲管外裹土工布并固定于溶洞壁上。ZDK541 +695線路右側(cè)拱腳前方溶洞，初支外采用C25混凝土施作護(hù)拱形成耳墻，拱頂上方護(hù)拱施作時(shí)，每榀拱架增加一道豎向支撐。施作ZDK541+695—ZDK541+685段初期支護(hù)時(shí)加密環(huán)向排水盲管外裹土工布，按間距2 m布設(shè)，環(huán)向盲管直接接入側(cè)溝排。

2.4 ZDK541+700—ZDK541+677段溶洞

2017-12-23，開挖仰拱ZDK541+700—ZDK541+677段隧底發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)一大型溶腔，腔內(nèi)充填物為軟塑狀黏土，平均深度5 m，溶腔由右向左前方延伸，如圖5所示。該溶洞具體處理方案為：ZDK541+715—ZD2K541+700段隧底打設(shè)φ76鋼花管（間距1 m×1 m）嵌入基巖1 m，進(jìn)行注漿加固處理。ZDK541+700—ZDK541+677段將溶腔底部黏土清除干凈，兩側(cè)下導(dǎo)鋼架接至底部基巖面上，并掛設(shè)雙層φ8@ 20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)片，每榀接長(zhǎng)鋼架設(shè)兩根長(zhǎng)4 m的φ42鎖腳錨管固定，采用噴射C25混凝土封閉。同時(shí)對(duì)兩側(cè)邊墻施工4.5 m長(zhǎng)的φ42鋼花管（間距0.5 m×0.5 m）注漿加固處理。再采用C25混凝土回填至設(shè)計(jì)隧底高程。

圖5 ZDK541+700—ZDK541+677段溶洞

2.5 ZDK541+567溶洞

2018-01-06晚，掌子面開挖至ZDK541+567斷面揭示出現(xiàn)溶腔，溶腔位于斷面中線，腔內(nèi)充填物為軟塑狀黏土，溶腔寬2～4 m，溶腔向掌子面前方延伸，如圖6所示。該溶洞具體處治方案為：對(duì)掌子面施作3孔超前水平鉆，探明前方溶腔發(fā)育情況，對(duì)ZDK541+567—ZDK541+557段隧道已揭示溶腔部位進(jìn)行徑向注漿加固處理。對(duì)ZDK541+557—ZDK541+537段線路右側(cè)邊墻進(jìn)行徑向注漿加固處理。ZDK541+653—ZDK541+537段環(huán)向排水盲管加密至每3 m設(shè)置一道。

圖6 ZDK541+567溶洞

2.6 ZDK541+555溶洞

2018-01-19，掌子面開挖至ZDK541+555時(shí)，上臺(tái)階拱頂發(fā)現(xiàn)一處溶洞，由掌子面向洞口大里程方向發(fā)育延伸，溶洞范圍較大，縱向約160 m長(zhǎng)，高5～30 m，溶腔內(nèi)局部人眼看不見頂部，寬1～12 m，小里程方向四周為鐘乳石，大里程方向均露出基巖，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且拱部及邊墻巖層已發(fā)生剝離和掉塊現(xiàn)象，如圖7所示。該溶洞具體處理方案為：溶洞與隧道洞身交叉位置（ZDK541+555）40 m范圍內(nèi)，對(duì)溶洞璧進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)。錨桿采用Φ22砂漿錨桿，1.2 m×1.2 m梅花形布置，單根長(zhǎng)3 m；掛設(shè)Φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；噴射12 cm厚C25混凝土。溶洞與隧道洞身交叉位置施作1.5 m厚C30混凝土護(hù)拱，護(hù)拱上面用0.5 m厚細(xì)砂作為緩沖層。

圖7 ZDK541+555溶洞

2.7 ZDK541+501溶洞

2018-04-03，開挖至ZDK541+501掌子面發(fā)現(xiàn)拱部線路偏右側(cè)發(fā)現(xiàn)充填溶腔，寬2～4 m，深度為1.5～2.5 m，充填物為硬塑狀黏土，溶腔向掌子面前方延伸，左右兩側(cè)為薄層狀近水平的灰?guī)r，拱部巖體破碎，掌子面濕潤(rùn)局部有滴水，如圖8所示。該溶洞具體處理方案為：對(duì)掌子面施作3孔超前水平鉆，探明前方溶腔發(fā)育情況，施作ZDK541+503—ZDK541+493段初期支護(hù)時(shí)加密環(huán)向排水盲管外裹土工布，按間距3 m布設(shè)，環(huán)向盲管直接接入側(cè)溝排。

圖8 ZDK541+501溶洞

2.8 ZDK541+416溶洞

2018-04-26，開挖至ZDK541+416掌子面發(fā)現(xiàn)拱部揭示小半填充型溶腔，（掌子面圍巖破碎）以及線路兩側(cè)垂直隧道洞身方向發(fā)育一條過水通道。過水通道河床位于仰拱底下4～10 m，沿線路左側(cè)方向垂直線路向外發(fā)育約180 m，沿線路右側(cè)方向垂直線路向外發(fā)育約100 m，該過水通道約5～14 m寬，一般有20～30 m高，局部人眼看不見頂部；掌子面前方6 m發(fā)育一條寬約5 m的溶槽，與線路左側(cè)方向的過水通道相連。過水通道內(nèi)目前有少量流水。該溶洞具體處理方案為：對(duì)ZDK541+426—ZDK541+386段拱墻進(jìn)行徑向注漿加固處理，ZDK541+537—ZDK541+386段環(huán)向排水盲管加密至每3 m設(shè)一道。拆除ZDK541+418—ZDK541+424段已施作仰拱，ZDK541+405—ZDK541+424段隧底過水通道采用板梁跨越，板梁下設(shè)置枕梁；隧道二襯取消仰拱，初支及二襯邊墻架立在板梁上。枕梁基底采用φ75鋼管樁注漿加固，鉆孔深度5 m或嵌入穩(wěn)定基巖不小于1 m。ZDK541 +396—ZDK541+405段采用C20砼對(duì)隧底溶洞充填物進(jìn)行換填。ZDK541+382處隧底溶洞采用大塊石洞碴進(jìn)行充填。ZDK541+371—ZDK541+396段隧底采用板梁跨越，板梁下設(shè)置枕梁；隧道二襯取消仰拱，初支及二襯邊墻架立在板梁上。ZDK541+382、ZDK541+416段跨越溶洞適當(dāng)位置，于線路左側(cè)二襯邊墻處各設(shè)置1處檢查門洞，門洞外側(cè)設(shè)置柵欄門并朝外開。

2.9 ZDK541+382溶洞

2018-05-07，掌子面開挖至ZDK541+382發(fā)現(xiàn)，仰拱底部發(fā)育一個(gè)垂直線路方向的大型溶洞，周邊圍巖破碎。該溶洞底部寬3～4 m，垂直線路方向貫穿隧道，位于隧底20～25 m，溶洞頂板高于隧底約4 m，往兩側(cè)延伸均較遠(yuǎn)，線路左側(cè)方向往內(nèi)寬度逐漸變窄，人無法進(jìn)入，線路右側(cè)往內(nèi)亦逐漸變窄。經(jīng)調(diào)查分析：該隧道范圍內(nèi)發(fā)育兩組垂直裂隙，一組近于垂直線路發(fā)育，另一組近于平行線路發(fā)育，整個(gè)隧道沿著線路垂直方向發(fā)育多個(gè)大型溶洞，并在溶洞底部可見水流沖刷的痕跡，施工期間（旱季）無水，推測(cè)在雨季期間可能有較大涌水。該溶洞具體處理方案為：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)溶洞測(cè)量完成后，從棄碴場(chǎng)運(yùn)碴先將該處溶槽回填至隧底，掌子面繼續(xù)掘進(jìn)開挖。對(duì)ZDK541+390—ZDK541+370段隧底和線路左側(cè)邊墻非溶洞部位進(jìn)行徑向注漿加固處理。ZDK541+386—ZDK541+366段環(huán)向排水盲管（外裹土工布）加密至每3 m設(shè)一道，直接引入側(cè)溝。

3 隧道溶洞施工注意事項(xiàng)

施工前應(yīng)對(duì)地表地形地質(zhì)和水環(huán)境條件、構(gòu)筑物與生產(chǎn)生活用水狀況等進(jìn)行全面調(diào)查，并建立洞內(nèi)外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)隧道內(nèi)外工程地質(zhì)與水文條件，包括洞室、坑道、樁基等各部位的巖土體穩(wěn)定性，各種有害氣體，空穴及地下水等各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行常態(tài)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，妥善完成初始狀態(tài)與施工過程狀態(tài)記錄。

根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)成果，結(jié)合施工中地質(zhì)勘察和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)行各種風(fēng)險(xiǎn)危害的預(yù)測(cè)和災(zāi)害危險(xiǎn)征兆的預(yù)警，及時(shí)對(duì)照初始狀況分析各項(xiàng)安全條件，對(duì)可控風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的防范與處理措施；一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)征兆，應(yīng)立即斷電并撤離相關(guān)工區(qū)人員及機(jī)械設(shè)備，并啟動(dòng)應(yīng)急處理和應(yīng)急救援預(yù)案，避免發(fā)生相關(guān)事故和災(zāi)害。

應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)地下水的引排，尤其是仰拱低洼、明挖基坑等部位，應(yīng)配置足夠的、有備份的抽水設(shè)備，避免積水惡化工程條件或淹沒危險(xiǎn)。針對(duì)雨洪侵襲、巖土與圍巖坍塌等各類危害或事故，設(shè)置防洪堤臺(tái)、救生管、棧橋等應(yīng)急通道；配備爬梯、安全繩、供氧防毒避難室等逃逸與救援設(shè)備與設(shè)施，具備及時(shí)自救與救援基本條件，避免和減少災(zāi)害損失。

認(rèn)真實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施并仔細(xì)記錄，查明前方和周邊地質(zhì)條件，同時(shí)逐段核實(shí)圍巖級(jí)別；逐點(diǎn)逐段監(jiān)測(cè)水量、水壓，并取巖樣和水樣化驗(yàn)，對(duì)環(huán)境和侵蝕作用的類型和 等級(jí)、水量、水質(zhì)進(jìn)行復(fù)查，及時(shí)分析和提出差異或異常情況，為避免施工和環(huán)境災(zāi)害、妥善處理工程提供基本條件。

應(yīng)按《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》和本設(shè)計(jì)要求，全面實(shí)施洞內(nèi)外監(jiān)控量測(cè)并及時(shí)進(jìn)行反饋分析。當(dāng)監(jiān)控量測(cè)及分析成果為正常情況時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)文件施工，不得隨意改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)；如有異常應(yīng)立即采取措施保證安全，并迅速報(bào)告有關(guān)單位，以便及時(shí)處理。

隧底結(jié)構(gòu)施作前，應(yīng)采取進(jìn)一步針對(duì)性的物探、鉆探及勘測(cè)等綜合措施，查明隧道周邊，尤其是隧道基底以下的地質(zhì)條件，若存在軟弱或空穴等情況，不得隨意回填，應(yīng)及時(shí)采取措施保證安全并提請(qǐng)相關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)處理。相應(yīng)支護(hù)層應(yīng)預(yù)留探查與處理?xiàng)l件，所報(bào)情況須經(jīng)設(shè)計(jì)處理或明確后，方可施作隧底結(jié)構(gòu)。

本隧道圍巖軟弱，洞內(nèi)巖溶弱發(fā)育，全隧道施工應(yīng)務(wù)必落實(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施，謹(jǐn)慎施工，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、及時(shí)支護(hù)和襯砌；各洞口及相關(guān)地段應(yīng)采取切實(shí)的構(gòu)筑物加固和保護(hù)措施，落實(shí)安全控制和管理，保證施工安全和既有構(gòu)筑物運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)語

由于巖溶發(fā)育無規(guī)律性，仍難以準(zhǔn)確查清巖溶的具體形態(tài)及其對(duì)隧道的影響范圍與程度，這說明進(jìn)行鐵路工程巖溶勘察（尤其是隧道巖溶勘察）的難度極大，巖溶發(fā)育具有高度隱蔽性、無規(guī)律性、不均一性及復(fù)雜性，通過處理本段巖溶，為隧道溶洞處理積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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U455.49

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.005

2095－6835（2020）02－0018－04

黃彬（1983—），男，本科，工程師，主要從事鐵路工程施工管理。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕