隧道工程中溶洞施工主要技術(shù)研究

王吉輝

文章分析了溶洞的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)隧道施工的影響，介紹了常用的隧道溶洞施工技術(shù)，并以廣西謝家峒隧道溶洞施工為例，闡述了該隧道溶洞的處理方案，為減少隧道溶洞施工事故提供參考。

隧道;溶洞施工;混凝土

U455-A-29-101-3

0?引言

溶洞多發(fā)生在喀斯特地貌條件下，其形成通常經(jīng)過(guò)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程，并伴隨有常年的凍融和酸堿作用。溶洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)中多見(jiàn)溝槽、縫隙及洞穴，常年的地質(zhì)作用和地下水運(yùn)動(dòng)改變了溶洞的結(jié)構(gòu)和富水量，一般溶洞為有水溶洞或富水溶洞。除了自然地質(zhì)構(gòu)造的因素外，人類活動(dòng)因素也會(huì)生成一定規(guī)模的溶洞，例如地質(zhì)勘測(cè)和工程施工等，都會(huì)引起溶洞結(jié)構(gòu)的改變。

1?溶洞的結(jié)構(gòu)特征和對(duì)隧道施工的影響

1.1?地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

溶洞多見(jiàn)于石灰?guī)r區(qū)域。溶洞地區(qū)的地下水非常豐富，節(jié)理十分發(fā)育，且溶洞內(nèi)部多含有巖體溶蝕物，包括一些較松散的礫石。巖溶區(qū)域范圍內(nèi)的溶洞通常不是獨(dú)立存在的，而是連續(xù)多處彼此貫通，富水溶洞含有地下水、縫隙水和地表水，溶洞地下水伴有泥砂等顆粒物。溶洞周邊的圍巖一般巖性較差，受地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，極易發(fā)生坍塌、開(kāi)裂或脫落等災(zāi)害，這種情況會(huì)隨著時(shí)間的增加而進(jìn)一步加劇。

1.2?溶洞對(duì)隧道施工的影響

出現(xiàn)在隧道底部的溶洞，其填充物較為松散，厚度較大，給隧道的基底施工帶來(lái)一定的難度。當(dāng)溶洞出現(xiàn)在隧道的側(cè)墻位置時(shí)，容易導(dǎo)致含水填充物向隧道內(nèi)部涌入。而當(dāng)溶洞出現(xiàn)在隧道拱頂位置時(shí)，隧道圍巖極易破碎、坍落。因此，無(wú)論溶洞在隧道任何方位出現(xiàn)，均會(huì)給隧道的施工帶來(lái)諸多不利影響，且?jiàn)A雜有大量顆粒狀的泥砂和碎石的溶洞涌水，還可能引發(fā)隧道施工事故，對(duì)隧道周邊的生態(tài)環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生一定的影響[1]。

2?隧道工程中溶洞施工主要技術(shù)

2.1?地質(zhì)勘測(cè)分析

施工前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的地質(zhì)勘測(cè)，對(duì)于大面積溶洞地區(qū)應(yīng)充分重視，針對(duì)地表溶洞展開(kāi)具體的地質(zhì)勘測(cè)，如地表水（河流、湖泊）分布情況等，包括各類溝谷的分布情況，明確溶洞的具體規(guī)模，確定其與隧道的位置關(guān)系。綜合地質(zhì)勘測(cè)分析，掌握隧道周圍溶洞的具體位置、規(guī)模，水流及來(lái)源，填充物成分及圍巖穩(wěn)定性等。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的地質(zhì)勘測(cè)分析后，應(yīng)出具地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，標(biāo)注溶洞具體位置，為隧道安全施工準(zhǔn)備措施的制定提供相應(yīng)依據(jù)。

2.2?雷達(dá)射線技術(shù)

通過(guò)雷達(dá)射線技術(shù)能夠進(jìn)一步明確溶洞的具體位置。當(dāng)隧道掘進(jìn)距離溶洞30 m時(shí)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)再次對(duì)溶洞進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)溶洞的位置、規(guī)模，并初步分析填充物以及圍巖的巖性。當(dāng)掘進(jìn)距離溶洞10 m時(shí)，通過(guò)鉆孔的方式詳細(xì)觀測(cè)溶洞，查看溶洞是否存在涌水情況，判斷涌水量和其中的泥砂量以及涌水補(bǔ)充來(lái)源、圍巖的穩(wěn)定性等[2]。

2.3?溶洞水引、排措施

當(dāng)溶洞與暗河、地表河或溝谷連通時(shí)，應(yīng)通過(guò)引、排水的措施來(lái)控制溶洞水系水量，依據(jù)溶洞水流量大小、含砂量來(lái)決定采用暗管或涵洞等方式引排水。對(duì)于隧道深處大量涌水的情況，應(yīng)使用支洞或平行洞的方式進(jìn)行排水。

2.4?溶洞填堵措施

對(duì)于小規(guī)模的無(wú)水溶洞，可使用漿砌片石等填充物進(jìn)行填堵，也可使用0.6 m以上厚度的鋼筋混凝土對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。對(duì)于隧道拱頂上部的溶洞，應(yīng)進(jìn)行錨噴支護(hù)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行襯砌，在拱背增加護(hù)拱支護(hù)。為防止施工時(shí)二次涌水，應(yīng)在襯砌結(jié)構(gòu)中設(shè)置120 mm以上的大孔來(lái)作為排水孔，并增加孔間距以提高引排水效率。

2.5?加固與跨越溶洞區(qū)域施工

對(duì)于大規(guī)模的溶洞來(lái)說(shuō)，當(dāng)位置較深時(shí)應(yīng)使用梁或拱跨越，例如當(dāng)溶洞位于隧道邊墻時(shí)，可加固隧道的邊墻基礎(chǔ)。當(dāng)深度非常大時(shí)，可使用鋼筋混凝土跨越。當(dāng)溶洞位于隧道底部時(shí)，如果溶洞水位相對(duì)于隧道底部較低，應(yīng)使用支墩或梁板來(lái)跨越。當(dāng)溶洞涌水量很大且有泥石流等災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，將給溶洞施工帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。為保證工期節(jié)點(diǎn)進(jìn)度，可另設(shè)迂回導(dǎo)坑來(lái)跨越溶洞區(qū)域，再進(jìn)行施工。上述針對(duì)隧道內(nèi)部溶洞情況的施工方案，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的具體情況來(lái)綜合判斷并使用[3]。隧道工程溶洞施工主要技術(shù)如表1所示。

3?廣西謝家峒隧道溶洞處理

3.1?隧道概況

謝家峒隧道位于廣西境內(nèi)河池至都安高速公路宜州市的龍頭鄉(xiāng)，該隧道采用雙向分離式，洞高為7.25 m，寬度為11.7 m，左、右線起止樁號(hào)分別是ZK27+740～ZK29+003和YK27+740～YK29+059，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別是1 267 m和1 322 m。左線進(jìn)、出洞設(shè)計(jì)高程分別為190.153 m和163.848 m，最大埋深約為340 m。右線進(jìn)、出洞設(shè)計(jì)高程分別為189.914 m和162.500 m，最大埋深約為350 m。斷面采用圓曲墻式，半徑為5.95 m，建筑界限凈寬10.85 m。該隧道區(qū)位于巖溶谷地，穿越三座山峰，中部較高而兩側(cè)較低。

3.2?溶洞處理方案

溶洞處理一般采用復(fù)合地基、加固和二次襯砌施工。洞壁坍落后有明顯縫隙，溶腔滲水非常嚴(yán)重，有繼續(xù)滲透坍落的風(fēng)險(xiǎn)，溶腔壁圍巖多為石灰?guī)r，裂隙間為黃色黏土填充，局部有多次塌落現(xiàn)象，計(jì)劃采取先回填溶洞再分部開(kāi)挖的方式。由于無(wú)法確定溶腔壁圍巖實(shí)際穩(wěn)定性，為保證施工過(guò)程的安全性，計(jì)劃先使用低強(qiáng)度C20型混凝土回填，然后進(jìn)行主洞的開(kāi)挖施工，初期支護(hù)使用型鋼鋼架，二次襯砌使用鋼筋混凝土，而基底部分使用鋼管樁進(jìn)行施工?？傮w施工結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4?混凝土回填過(guò)程

泵送混凝土回填：26～30 m范圍使用短臂天泵施工，兩側(cè)10 m范圍使用預(yù)埋泵進(jìn)行混凝土回填。施工過(guò)程中應(yīng)盡可能在隧道軸線內(nèi)使用碎石回填，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，當(dāng)達(dá)到一定的回填高度后使用C20混凝土進(jìn)行回填。

4.1?溶腔中部回填

（1）對(duì)溶洞口位置的圍巖進(jìn)行加固支護(hù)，對(duì)溶洞口附近的施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行平整和壓實(shí);（2）依據(jù)溶腔實(shí)際高度來(lái)使用短臂架泵車，設(shè)置在溶洞口附近平整處，保證短臂架能夠全部伸開(kāi);（3）溶洞外已進(jìn)行過(guò)二次襯砌的施工人員，進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控布料，由最遠(yuǎn)處逐漸向溶洞口泵送，此過(guò)程應(yīng)適當(dāng)放緩;（4）在溶洞口位置布設(shè)支架模板，預(yù)留泵送的管道，將端部用混凝土封閉;（5）回填時(shí)應(yīng)與圍巖面成一定的斜角，保證混凝土回填處于最佳狀態(tài)，抵消偏壓引起的隧道結(jié)構(gòu)破壞[4]。

4.2?溶腔兩側(cè)回填

天泵無(wú)法在溶腔兩側(cè)附近施工，因此應(yīng)使用地泵進(jìn)行混凝土的回填，具體步驟如下：（1）在已完成初期支護(hù)的拱頂位置布設(shè)4～5個(gè)鉆孔，鉆孔的直徑應(yīng)>120 mm，角度應(yīng)在30°～60°之間，泵送管的長(zhǎng)度應(yīng)>6 m，末端使用砂漿錨桿固定;（2）在使用C20進(jìn)行斷面封閉時(shí)，施工技術(shù)人員應(yīng)隨時(shí)觀察并測(cè)量泵送效果，達(dá)到方案設(shè)計(jì)標(biāo)高后可停止泵送;（3）在封閉端頭之前，應(yīng)在圍巖以及泵送管上標(biāo)記泵送的高度，通過(guò)安裝在溶腔中的高清攝像頭來(lái)觀察混凝土泵送過(guò)程和回填的高度。

5?開(kāi)挖、支護(hù)和襯砌施工

5.1?開(kāi)挖施工

開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)盡量使用機(jī)械炮錘和風(fēng)鎬，機(jī)械開(kāi)挖與人工開(kāi)挖相結(jié)合，在使用爆破開(kāi)挖時(shí)應(yīng)控制好炸藥量。開(kāi)挖過(guò)程控制方案如下：（1）對(duì)各循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)嚴(yán)格控制，掘進(jìn)尺應(yīng)<50 cm，開(kāi)挖結(jié)束后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)和噴錨，可使用3.5 m的42×4 mm的徑向?qū)Ч?（2）開(kāi)挖前標(biāo)注開(kāi)挖輪廓線，控制欠挖和超挖情況的發(fā)生，加強(qiáng)已完成的初期支護(hù)工段的監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并指導(dǎo)開(kāi)挖施工過(guò)程。

5.2?初期支護(hù)施工

開(kāi)挖達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后使用全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行放樣。放樣位置包括型鋼鋼架拱腳和頂板，應(yīng)確保兩側(cè)拱頂和拱腳位于同一樁號(hào)上，誤差控制在5 cm以內(nèi)。在拱腳兩側(cè)設(shè)兩根42×4 mm，L=350 cm的小導(dǎo)管，與水平面呈30°夾角，尾端應(yīng)固定在型鋼鋼架上，必要時(shí)對(duì)小導(dǎo)管進(jìn)行加固?？v向鋼筋的焊接長(zhǎng)度應(yīng)>10 cm，使溶腔初支成為一個(gè)整體[5]。

5.3?二次襯砌施工

謝家峒隧道溶洞使用80 cm厚的C25型鋼混結(jié)構(gòu)，具體的施工工藝和施工流程與常規(guī)的隧道段二襯施工方案相同，在此不作贅述。

6?結(jié)語(yǔ)

我國(guó)廣西地區(qū)多為喀斯特地貌且伴有大量的天然溶洞，在這種巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)下的隧道工程中，溶洞的施工方案和施工工藝對(duì)于隧道工程的質(zhì)量具有直接影響。本文深入研究了隧道溶洞的施工過(guò)程，包括混凝土的回填、隧道開(kāi)挖、支護(hù)和襯砌施工等部分，闡述了各施工環(huán)節(jié)應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

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