富水串珠狀溶洞公路隧道施工技術研究

肖載興

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250000)

1 引言

溶洞是可溶性巖石在地下水的長期作用下形成的特殊產物，往往伴隨著地下水的充填和連通，并在溶洞內存在不同程度的充填物，當隧道穿越巖溶地區(qū)時，存在溶洞空腔坍塌、填充物涌出的可能，給隧道的施工帶來極大的挑戰(zhàn)[1－3]。串珠狀巖溶是最為復雜巖溶發(fā)育形態(tài)之一，極易受到擾動產生灰?guī)r頂板松動掉塊、巖溶水連通、冒頂坍塌等不良影響，對隧道施工安全造成危害[4－6]。

李雄周等[7]依托云南高速公路隧道的施工，提出掛網噴射混凝土＋土石回填的溶洞處置方案；胡煒等[8]針對高壓富水地區(qū)的巖溶隧道展開分析，提出了相應的防排水優(yōu)化措施；袁永才等[9]提出橋梁跨越及暗河改道的綜合施工方案能夠有效治理大型、特大型溶洞。目前，研究文獻主要集中在不同尺度大小的溶洞處理，對于富水條件下的串珠狀巖溶治理方法報道較少[10]。

鑒于此，本文依托重慶市快速路歇馬隧道工程，針對場區(qū)的巖溶水和溶洞發(fā)育情況進行分析，分別提出富水溶洞的治理技術和溶洞的處理方案，以期豐富串珠狀富水巖溶地區(qū)的隧道施工經驗，為后續(xù)類似工程建設提供借鑒和參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

重慶市快速路歇馬隧道工程位于重慶市北碚區(qū)，隧道線路長約4 187.46 m。頂板最大埋深約392.00 m，屬深埋特長隧道；隧道采用分離式設計，左右隧道平面線型均為直線型，兩洞平均凈間距約35 m。隧道輪廓寬×高為14.50 m×9.60 m。隧道設計概況如表1所示。

表1 重慶市歇馬隧道設計概況

隧址區(qū)主要揭露地層為侏羅系的上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2XS)、新田溝組(J2X)、自流井組(J1-2Z)、珍珠沖組(J1Z)；三疊系的須家河組(T3xj)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、飛仙關組(T1f)；第四系零星分布，厚度不大，主要為崩坡積()、殘坡積物()。

2.2 工程重難點分析

(1)場區(qū)串珠狀巖溶發(fā)育，處置不當易發(fā)生突水涌泥事故。

歇馬隧道穿越的可溶巖地層長度較大，穿越的主要巖溶地層為中統(tǒng)雷口坡組(T2l)白云質灰?guī)r、下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r。其中，中統(tǒng)雷口坡組(T2l)白云質灰?guī)r分布于觀音峽背斜兩翼，受地下水波動的影響，在與下部的下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r接觸地帶，發(fā)育連通性溶蝕孔洞、垂向裂隙、洼地溶槽等，而下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r主要在垂向上發(fā)育溶洞，溶洞發(fā)育形態(tài)更為復雜和多變，受到地下水的長期溶蝕形成串珠狀溶洞、溶蝕裂隙、落水洞等，串珠狀溶洞間的灰?guī)r間隔厚度大小不一，且溶洞內填充狀態(tài)也難于探測清楚，易受到施工擾動影響使得灰?guī)r頂板塌陷，串珠狀溶洞連通，填充物涌出，對隧道的施工和結構的安全造成不利影響。

以右線隧道為例，場區(qū)可溶巖的分布里程為YK7＋194～YK9＋490，共計2 296 m，該范圍內6個鉆孔，總進尺約1 875 m，揭示溶洞(槽)285個，呈串珠狀發(fā)育，線溶率為35%，單鉆孔內溶洞最大豎向高度為25 m，場區(qū)巖溶發(fā)育程度判定為強發(fā)育。

(2)場區(qū)地下水發(fā)育，水力聯(lián)系復雜，涌水量大。

隧址區(qū)域地下水分布廣泛，中梁山地表、地下水力聯(lián)系十分復雜，觀音峽背斜兩翼的三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)和下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)及珍珠沖組(J1Z)、須家河組(T3xj)、飛仙關組(T1f)等地層，巖溶水與基巖裂隙水、地表水的水力聯(lián)系十分復雜，隧道施工遇高壓涌水、突泥風險性較高。

隧址區(qū)地下水發(fā)育，含水層主要分為兩類:第①類含水層為(T2l＋T1j＋T1f)含水層，巖性以灰?guī)r為主，巖體裂隙發(fā)育，巖溶水量豐富；第②類含水層為(T3xj)含水層，巖性以砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，弱～中等透水性。對隧道掘進影響主要為第①類含水層，采用分段預測的方法對隧道的涌水量進行預測，結果如表2所示。

表2 隧道涌水量預測 m3/d

3 富水溶洞隧道治水技術

為保證施工及結構安全，降低施工的風險性，故對巖溶地下水的處理措施如下。

3.1 處理原則及方法

施工時，按照“先預報、常觀測、帷幕堵、限量排、強支護、快封閉、早襯砌”等綜合處理原則治理巖溶水和裂隙水[11－12]。首先采用綜合超前預報方法對隧道掌子面前方不同距離和不同方位的巖溶水進行探測，若超前預報解譯表明存在異常段，則進一步采用鉆孔臺車，實施超前地質鉆孔進行驗證，超前鉆孔的直徑不小于75 mm，探水孔終孔超出開挖輪廓線外150 cm，每次探水段長30 m，開挖25 m，保留5 m作為下一次探水孔的重疊區(qū)域。如圖1所示。

圖1 巖溶水異常段鉆孔超前探測驗證

綜合超前探測成果，分析溶洞的分布范圍、大小、距離、填充物、巖溶水水量、水壓等情況，制定相應的治理方案，明確注漿孔布置、注漿壓力等參數(shù)。為保護地下水環(huán)境、減少地層失水和避免隧道開挖突水涌泥，隧道掘進前，采用功能快速隧道注漿集成系統(tǒng)對掌子面前方的溶洞、裂隙進行注漿填充，對巖溶水進行阻隔，同時采用相應的抗水壓襯砌[13]。

3.2 富水溶洞隧道主要治水措施

根據(jù)歇馬隧道施工經驗表明，采取超前小導管帷幕注漿、開挖后全斷面徑向注漿、局部超前小導管注漿、補注漿四種治水措施能夠有效阻隔地下水，確保隧道施工安全。

(1)超前小導管帷幕注漿。設計注漿段長度為25 m，分四環(huán)實施，第一環(huán)長13 m，第二、三、四環(huán)長25 m。每個注漿段完成后留6 m不開挖作為下一注漿段的止?jié){巖盤。注漿范圍為正洞緊急停車帶拱部及邊墻為開挖輪廓線外6 m，仰拱為開挖輪廓線外4 m；正洞非緊急停車帶的拱部及邊墻處注漿范圍不小于輪廓外5 m，仰拱處注漿范圍不小于輪廓外3 m。如圖2所示。

圖2 超前帷幕預注漿平面圖(單位:cm)

(2)開挖后全斷面徑向注漿。正洞緊急停車帶隧道，注漿范圍超過開挖輪廓線外6 m；正洞緊急停車帶隧道，注漿范圍超過開挖輪廓線外5 m。注漿孔每一環(huán)設18個孔，縱向450 cm一環(huán)，每環(huán)設4個檢查孔。如圖3所示。

圖3 開挖后全斷面徑向注漿立面圖

(3)局部注漿分為局部超前預注漿、開挖后局部注漿等幾種，主要針對的是局部小型的串珠狀溶洞以及局部地下水滲流、局部溶槽涌水。如圖4、圖5所示。

圖4 局部超前探水遇溶槽涌水處理

圖5 開挖后遇溶槽涌水處理

(4)補注漿為按上述三種注漿方式實施后，水流量仍大于控制排水量，注漿固結圈綜合滲透系數(shù)大于設計控制值或仍有局部出水點時，根據(jù)實際情況選擇上述注漿方式一種或多種進行補充注漿。

3.3 治水措施的確定

(1)當超前隧道超前地質預報和探水鉆孔表明隧道掌子面前方存在富水巖溶、水壓和水量規(guī)模較大，易引發(fā)涌泥突水可能，若不處理會危及施工及結構安全時，原則上采用超前帷幕注漿堵水技術。

(2)當根據(jù)地表水文監(jiān)測分析、結果及綜合超前地質預報判定，地下水和巖溶水發(fā)育，在隧道掘進過程中受到溶洞和泄漏，引發(fā)地下水環(huán)境和地表生態(tài)環(huán)境破壞時，原則上采取超前帷幕注漿堵水技術。

(3)當隧道穿過不同可溶巖分界線地段及物探異常地段，巖體局部存在破碎帶和軟弱帶，水量和水壓不大，但判定有突水突泥可能，圍巖無自穩(wěn)能力時，實施超前局部注漿。

(4)當隧道圍巖完整或較完整，但由于開挖使得局部小型串珠狀溶洞泄水，可以針對出水點或滲水點采用局部徑向注漿處理。

3.4 注漿參數(shù)的確定

帷幕注漿鉆孔采用方陣形式布置，每環(huán)孔底間距不大于4.5 m，使單孔注漿擴散圈有效重疊，形成阻水帷幕。漿液單孔有效擴散設計半徑按3.0 m考慮，設計注漿壓力按實測水壓的2倍考慮，施工中根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗進行調整。超前預注漿主要采用水泥與水玻璃雙液漿或純水泥漿液，水泥采用C20普通硅酸鹽水泥，水灰比范圍為0.8～1.0，水玻璃波美度范圍為43～45 Be，雙液體積比范圍為 1∶0.4～1∶0.6。

當單孔注漿壓力和進漿量達到設計值時停止單孔注漿；當所有注漿孔均注漿結束，檢查孔涌水量及隧道實測涌水量小于設計值，注漿有效注入范圍大于或等于設計值，經評判開挖不會發(fā)生突水突泥災害時全段停止注漿。

單孔結束標準:(1)注漿壓力達到設計注漿壓力值，持續(xù)注漿10 min后可結束注漿；(2)進漿量小于20 L/min且無漏漿時，可結束注漿。

全段結束標準:(1)所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現(xiàn)象；(2)檢查孔涌水量小于0.1 L/min；(3)注漿后檢測涌水量小于0.5 m3/m·d；(4)檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿，并達到一定強度；(5)注漿加固注入范圍大于設計值。

4 隧道穿越串珠狀溶洞治理方案

隧道穿越可溶巖地段時，在隧道二次襯砌施作前必須采用地震單點反射波法(HSP)結合地質雷達對隧道徑向15 m范圍進行探查，異常處尚需鉆孔驗證，以查明隧道徑向15 m范圍隱伏巖溶位置、大小、頂?shù)装搴穸?，以便處理?/p>

當溶洞規(guī)模較大，或溶洞雖小但要求不堵塞水流，或溶洞深?；虺涮钗锼绍洠A處理困難或耗資巨大時，則可根據(jù)具體條件采用相應的結構形式，如梁跨、板跨、拱跨等跨越措施。

對已停止發(fā)育的干小溶洞，采用混凝土、漿砌片石或干碼片石堵塞、填實，必要時注漿加固以防止塌陷。

根據(jù)洞內充填物的性狀，可選用清除、換填、樁基、注漿等技術措施。對不能填實的溶洞壁面，視情況采用錨噴、鋼筋網、鋼筋束進行封閉加固處理。

穿越串珠狀溶洞段時，隧道支護襯砌參數(shù)與同級圍巖襯砌結構相同，必要時應設置護拱。隧道穿越巖溶區(qū)串珠狀溶洞時側壁處治方案如圖6a、圖6b所示，拱頂處治方式如圖6c所示，仰拱底部處治方式如圖6d～圖6f所示。

圖6 隧道穿越串珠狀溶洞處置方法

5 實施效果與體會

(1)以右線隧道為例，重慶歇馬隧道全長4198 m，可溶巖分布范圍為YK7＋194～YK9＋490，共計2 296 m，該范圍內6個鉆孔，總進尺約1 875 m，揭示溶洞(槽)285個，呈串珠狀發(fā)育，線溶率為35%，單鉆孔內溶洞最大豎向高度為25 m，場區(qū)巖溶發(fā)育程度判定為強發(fā)育。

(2)隧址區(qū)地下水發(fā)育，地下水水力聯(lián)系復雜，含水層主要分為兩類:第①類含水層為(T2l＋T1j＋T1f)含水層，巖性以灰?guī)r為主，巖體裂隙發(fā)育，巖溶水量豐富；第②類含水層為(T3xj)含水層，巖性以砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，弱～中等透水性。對隧道掘進其控制性影響的主要為第①類含水層。

(3)富水串珠狀溶洞由于溶洞發(fā)育呈串珠狀，溶洞間灰?guī)r厚度不一，受隧道掘進擾動后極易出現(xiàn)涌水突泥等風險，經過大量的現(xiàn)場實踐總結，提出的4種堵水方案以及針對溶洞不同發(fā)育程度和發(fā)育位置的處置方案，有效地解決了富水串珠狀溶洞難處理、難支護的問題，施工期間未出現(xiàn)坍塌和突水涌泥等風險，保障了隧道的順利貫通；同時，隧道開通運營1年來，隧道結構無一處滲水漏水，安全可靠，大大地降低了運營養(yǎng)護成本。