重載鐵路隧道貫穿巖溶地質(zhì)施工技術(shù)探討

劉天鋼

【摘要】本論文依托浩吉鐵路土建工程18標(biāo)段紅土嶺隧道，對在隧道貫穿巖溶超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，總結(jié)了針對貫穿巖溶的探測思路及方法，針對隧道貫穿巖溶處理的重難點(diǎn)，總結(jié)適用于隧道貫穿巖溶堆碴反壓、溶腔回填、超前支護(hù)、洞身開挖等的動態(tài)治理方案，取得了較好的治理效果，為隧道貫穿巖溶施工提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】重載鐵路;隧道;貫穿巖溶;施工技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.080

1、依托工程概述

本文依托工程為浩吉鐵路土建工程十八標(biāo)段紅土嶺隧道工程。浩吉鐵路是中國邁入高鐵時代修建的唯一一條國家干線的重載貨運(yùn)通道鐵路，設(shè)計(jì)時速120km/h以上，全長1837公里，設(shè)計(jì)年輸送能力2億噸以上。浩吉鐵路紅土嶺隧道全長2995m，單洞雙線，無砟軌道。

紅土嶺隧道某洞段為白云巖，淺灰色，巖質(zhì)較硬，強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化，巖體較破碎～較完整，巖層產(chǎn)狀為：220°∠48°。圍巖級別為Ⅲ級，襯砌類型為Ⅲa型，施工工法為全斷面法。掌子面開挖至距離進(jìn)口260米后，揭示圍巖巖性為白云巖，拱部巖溶、豎向裂隙發(fā)育，黏性土充填，巖面潮濕，地下水不發(fā)育。巖體被裂隙切割成破碎大塊狀，開挖后拱部有大塊孤石滑落，掌子面前方出現(xiàn)溶腔，經(jīng)過現(xiàn)場地表巡查，溶洞已經(jīng)貫穿至地表，深度約80米。

2、總體治理思路

在鐵路工程施工中，遇到巖溶隧道的情況較多，特別是宜萬鐵路，被稱為地質(zhì)博物館，揭露各種形態(tài)的巖溶，具有較高的參考價值。但是由于地下工程的復(fù)雜多變性，揭示的地質(zhì)形態(tài)各不相同，在常規(guī)的中等巖溶地區(qū)，由于地質(zhì)條件相對較好，施工時，管理人員和作業(yè)人員的施工經(jīng)驗(yàn)欠缺，往往會對出現(xiàn)的特殊地質(zhì)巖溶判斷不準(zhǔn)。在有填充物的情況下，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測的準(zhǔn)確度也會減弱。在各種交叉因素的影響下，溶洞處理的最好時機(jī)難以確定，具體的處理措施等級確定也較為困難。同時普通鐵路隧道投資控制嚴(yán)格，對于巖溶隧道的處理要求技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理，這樣也給隧道巖溶施工提出了較高地要求。為了確保紅土嶺隧道貫穿巖溶的治理措施可靠性、經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)巖溶的進(jìn)一步探測情況動態(tài)調(diào)整治理方案。

2.1初步方案確定

對該不良地質(zhì)主要采取措施為：①回填洞碴反壓至拱頂，②對溶腔回填混凝土（回填厚度3m）、并注漿加固，③設(shè)置洞身中管棚超前支護(hù)（長度10m），④圍巖級別調(diào)整為Ⅴ級，采用Vc襯砌類型，施工工法采用三臺階臨時仰拱法。在施工過程中根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測、現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況做局部調(diào)整。

2.2實(shí)施方案過程調(diào)整

通過水平探孔探測溶腔深入掌子面前方至9.2m，距離管棚起點(diǎn)為9.2m，為確保管棚端頭搭接在穩(wěn)定的巖層上，將管棚長度從10m調(diào)整為15m;同時，為保證管棚上部覆蓋足夠厚度的混凝土，拱頂以上混凝土回填厚度從3m調(diào)整為4.5m。

3、貫穿巖溶治理方案

3.1回填洞碴反壓

紅土嶺隧道該洞段揭示貫穿巖溶后，為了防止巖溶空腔在地應(yīng)力作用下進(jìn)一步垮塌擴(kuò)大，對已經(jīng)實(shí)施洞段造成次生災(zāi)害，立即采取了堆碴反壓的應(yīng)急處理措施，采用洞碴對掌子面進(jìn)行回填反壓至拱頂，拱頂預(yù)留1.5m空間（機(jī)械無法處理部位）以進(jìn)行混凝土灌注?；靥疃丛捎醚b載機(jī)反推至掌子面，并采用挖機(jī)壓實(shí)。

3.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)加強(qiáng)探測

彈性波反射法（TSP203）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）是最早確定隧道施工前方地質(zhì)情況的技術(shù)手段。在隧道地質(zhì)探測時，彈性波反射法（TSP203）按照每100m洞段探測一次，電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）按照每30m洞段探測一次。探測時距離掌子面的距離越遠(yuǎn)探測效果越差。

在紅土嶺隧道該洞段巖溶揭示前，彈性波反射法（TSP203）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）都是按照計(jì)劃的探測里程進(jìn)行的，探測結(jié)果為前方地質(zhì)變差，建議調(diào)整圍巖級別，但并未準(zhǔn)確判斷出巖溶的具體地質(zhì)情況。

在采用水平探孔揭示紅土嶺隧道該洞段巖溶揭示后，在掌子面（距離巖溶空腔為5米）重新進(jìn)行了彈性波反射法（TSP203）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）技術(shù)探測。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告，對掌子面前方的巖溶空腔進(jìn)行了準(zhǔn)確的描述，與超前水平探孔、超前炮孔揭示的情況基本一致。

為了進(jìn)一步探測巖溶向地表的發(fā)展情況，經(jīng)過測量定位，在地表開展了地質(zhì)調(diào)查，同時在地表補(bǔ)充施做了彈性波反射法（TSP203）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)），確定了紅土嶺隧道該巖溶空腔已經(jīng)貫穿至地表，為準(zhǔn)確確定處理范圍提供了可靠的地質(zhì)參考。

3.3溶腔回填

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探測情況，紅土嶺隧道貫穿巖溶沿洞軸線長度為9.2米，向洞頂發(fā)展約80米，周邊巖溶不發(fā)育，由此確定巖溶空腔向上處理5～6米。具體處理方案為：在溶腔內(nèi)預(yù)埋φ120mm混凝土輸送管、φ80mm排氣管及φ50mm注漿管各2根，固定牢靠后，在掌子面位置采用I18型鋼進(jìn)行支擋，支擋內(nèi)鋪φ8鋼筋網(wǎng)片（網(wǎng)格間距20×20）和2層鍍鋅扎花網(wǎng)，外側(cè)噴射40cm厚C25混凝土進(jìn)行封閉，混凝土輸送管、排氣管口引出至封閉位置外，具體結(jié)構(gòu)及示意見下圖。

溶腔回填的具體施工工藝如下：

（1）待封閉口C25噴混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，向溶腔內(nèi)泵送C25混凝土進(jìn)行回填。

（2）混凝土輸送管共2根，一根為主輸送管，另一根為備用輸送管，高度均為6m（深入頂拱以上4.5m）。開始輸送混凝土前，先往管道和溶腔內(nèi)輸送10m3砂漿（M20）。

（3）排氣管共設(shè)置2根，一根高度為3m，另外一根高度為6m?；炷粱靥钸^程中，當(dāng)3m高排氣管開始返漿后，封閉該排氣管，暫停2～3小時待灌入混凝土初凝后方可繼續(xù)灌注。當(dāng)備用輸送管、6m高排氣管開始返漿后，分別對其進(jìn)行封閉，再往空腔內(nèi)泵入10m3混凝土即可結(jié)束灌注。

（4）回填灌漿管共設(shè)置2根，高度均為6.25m。頂拱回填注漿待開挖后再進(jìn)行，水灰比按1：1重量比注入20m3進(jìn)行控制。

（5）施工過程中隨時觀察封堵面、洞碴回填反壓地面，發(fā)現(xiàn)漏漿、松動、破裂等異常情況時暫停施工進(jìn)行處理，確保安全后繼續(xù)實(shí)施。

3.4管棚及超前小導(dǎo)管施工

從掌子面所在里程起，在洞頂150°范圍設(shè)置一環(huán)φ89mm、L=15m洞身長管棚，注漿孔隙率取30%。

其余地段采用φ50mm、L=5m超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管與管棚搭接長度按不小于1.5m計(jì)，注漿孔隙率取30%。

3.5洞身開挖支護(hù)

巖溶洞段確定長度為15m，圍巖級別調(diào)整為Ⅴ級，采用Vc襯砌類型，施工工法采用三臺階臨時仰拱法。為了保證溶洞回填后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在實(shí)施了管棚及超前小導(dǎo)管的超前支護(hù)措施后，巖溶洞段開挖等到回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后進(jìn)行。揭示巖溶空腔部位的主要采用機(jī)械開挖，局部采用鉆爆法施工，但是應(yīng)控制單次起爆藥量，通過巖溶空腔后5m后，恢復(fù)道隧道常規(guī)的施工方法。

3.6監(jiān)控量測

管棚施工前，將掌子面處已設(shè)置的觀測點(diǎn)轉(zhuǎn)向小里程側(cè)移10米，從掌子面位置起，V級圍巖段按每5m一個斷面埋設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)。施工過程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測工作，發(fā)現(xiàn)異常情況及時報(bào)告并采取處理措施。

3.7現(xiàn)場施工管理措施

為了確保紅土嶺隧道貫穿巖溶處理的順利實(shí)施，施工過程中加強(qiáng)掌子面及作業(yè)面的照明，加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)、排污，改善洞內(nèi)施工環(huán)境及交通條件，做好應(yīng)急物資準(zhǔn)備，確保施工安全。加強(qiáng)項(xiàng)目部、工區(qū)、作業(yè)隊(duì)逐級管理全面到位，加強(qiáng)現(xiàn)場三檢制和班組長責(zé)任制的運(yùn)行，加強(qiáng)施工組織和現(xiàn)場指揮，確保該段貫穿巖溶治理過程的安全和質(zhì)量。

4、監(jiān)控量測情況及治理效果

紅土嶺隧道貫穿巖治理施工過程中圍巖穩(wěn)定，未發(fā)生溜塌、管棚侵限，施工期間及仰拱鋼架封閉成環(huán)后監(jiān)控量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，未出現(xiàn)黃色、紅色預(yù)警。制定的上述隧道貫穿巖治理處治技術(shù)措施達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，在安全、有序掘進(jìn)通過巖溶段時起了非常重要的作用。

結(jié)語：

本文就紅土嶺隧道貫穿巖溶的治理問題，分析了彈性波反射法（TSP203）、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）在遇到隧道特殊地質(zhì)時的局限性;總結(jié)了在揭示貫穿巖溶地質(zhì)時超前地具體探測位置、探測方法和應(yīng)該增加的探測內(nèi)容;總結(jié)了隧道貫穿巖溶堆碴反壓、溶腔回填、超前支護(hù)、洞身開挖等具體的動態(tài)治理的方法。根據(jù)施工過程中和后期的監(jiān)控量測情況，紅土嶺隧道貫穿巖溶治理技術(shù)可靠、穩(wěn)定、合理。該論文總結(jié)的貫穿巖溶的治理方案對類似的鐵路、公路隧道巖溶治理有較高的參考價值。

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