填充型巖溶隧道施工處治措施探討

孟慶鋒，周騰飛

（中交三公局第一工程有限公司，北京 100000）

1 巖溶簡介

1.1 地質(zhì)水文情況

項(xiàng)目位于桂林市，雙向四車道隧道，屬于典型的喀斯特灰?guī)r強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，構(gòu)造侵蝕、溶蝕峰叢谷地地貌區(qū)；該區(qū)域雨量充沛，年平均降雨150～204 d，多年平均降雨量1 804.2 mm，雨季時間長，該隧道地下水主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，季節(jié)性變化較明顯。

1.2 巖溶發(fā)育情況

經(jīng)開挖揭露該巖溶區(qū)多以溶蝕裂隙、溶槽等填充型溶洞為主，軟塑狀黏土、粉砂質(zhì)黏土夾孤石填充，呈串珠式溶腔發(fā)育，分布在拱頂、拱腰、拱底等部位，拱頂多以漏斗狀為主，易發(fā)生突泥、坍塌等不良地質(zhì)災(zāi)害，時有大塊孤石滑落，下砸拱架和作業(yè)臺車，開挖界線外泥質(zhì)填充溶腔強(qiáng)發(fā)育，拱鎖腳持力層較差，雨季時溶槽發(fā)育區(qū)水量較大，有明水或流狀水出現(xiàn)，局部可能出現(xiàn)承壓水。

2 隧道巖溶探測

2.1 巖溶區(qū)綜合超前預(yù)報

施工中需采用綜合超前探測預(yù)報方法，結(jié)合多種探測手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合研判，遵循“能測則測，應(yīng)測盡測，多手段多層次”的原則，盡可能查明掌子面及周邊巖溶發(fā)育情況，提高預(yù)報的準(zhǔn)確性，為巖溶處治提供真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)支撐，避免因處治不當(dāng)，造成塌方、換拱等危險和時間、成本上的損失[1]。

2.2 超前地質(zhì)探孔

由于巖溶的不規(guī)則性、多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致常規(guī)物探手段無法準(zhǔn)確探明地質(zhì)情況和巖溶大小，對探測異常區(qū)和探測盲區(qū)需進(jìn)一步采用鉆探手段，以探明和驗(yàn)證開挖工作面前方地質(zhì)和水文條件，基于物探先行的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合鉆探設(shè)備的特點(diǎn)，確定鉆孔的位置、個數(shù)、傾角及長度。

項(xiàng)目選用多功能液壓潛孔鉆探設(shè)備和加深炮孔的方法進(jìn)行鉆探，物探異常區(qū)采用常規(guī)布孔規(guī)則進(jìn)行驗(yàn)證，物探盲區(qū)特別拱頂范圍布設(shè)3個潛孔鉆鉆孔，沿隧道開挖輪廓線外宜按20°～45°外插角打入，根據(jù)鉆進(jìn)速度、聲音、巖粉、塌孔情況、沖洗液顏色和流量等對前方地質(zhì)做出判定，對于危險性較大的復(fù)雜地質(zhì)采用取芯鉆頭進(jìn)行取樣驗(yàn)證。

3 處治措施

3.1 處治措施存在的問題

原相關(guān)設(shè)計單位根據(jù)巖溶大小和部位制定了巖溶處治措施，但是巖溶處治措施基本都是事后處治，沒有涉及預(yù)防突泥、坍塌、拱架變形等可行的措施，對于處治溶腔填充物方面沒有建議性的措施。

3.2 施工發(fā)現(xiàn)問題

1）隧道巖溶處治過程中填充物為黏土夾孤石填充，傳統(tǒng)的超前支護(hù)和注漿效果不明顯，黏土滑落后，有大塊孤石掉落，下砸型鋼骨架和超前導(dǎo)管，導(dǎo)致超前支護(hù)和型鋼支護(hù)體系失效；

2）由于開挖輪廓線外泥質(zhì)填充或串珠式溶腔發(fā)育，傳統(tǒng)鎖腳無法限制拱架變形；

3）半填充型或塌方溶腔泵送混凝土回填至拱頂后空腔內(nèi)部填充物受雨季影響處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致初支偏壓或下砸開裂侵線；

4）溶腔處治后堵塞排水通道，導(dǎo)致初支表面滲漏水，局部流水狀；

5）巖溶處治中拱頂局部位置應(yīng)力集中，導(dǎo)致拱部初支斷裂侵線60～80 cm。

3.3 處治措施細(xì)化

3.3.1 保圍巖

1）開挖方式：巖溶區(qū)域在掌子面不穩(wěn)定或溶腔較大的情況下采用三臺階七步開挖法或微臺階法替代傳統(tǒng)的兩臺階和預(yù)留核心土開挖方法，開挖過程中盡快施作中下導(dǎo)坑和仰拱，使初支盡早閉合，縮短仰拱到掌子面的距離；若遇突泥、塌方處治或整體圍巖無自穩(wěn)能力時，宜加大預(yù)留沉降值，必要時以雙層初支厚度進(jìn)行開挖，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)為后續(xù)增加襯砌厚度或支立第二層工字鋼預(yù)留空間，預(yù)防因預(yù)留沉降量過小，導(dǎo)致初期支護(hù)侵線換拱[2]。

2）超前支護(hù)：填充型溶腔在拱頂時，為預(yù)防突泥、坍塌，將φ42 mm×4 mm超前小導(dǎo)管由原來單層超前改為雙層超前，原來雙層超前改為每榀施作超前，為增強(qiáng)超前支護(hù)的剛度和抗剪能力，將φ42 mm導(dǎo)管改為φ42 mm/89 mm導(dǎo)管，打設(shè)過程中若遇孤石，則超前導(dǎo)管內(nèi)增設(shè)HRB400鋼筋或鋼筋籠，防止孤石滑落，根據(jù)溶腔大小選擇超前支護(hù)的長度和開挖進(jìn)尺，確保超前支護(hù)搭接長度是開挖進(jìn)尺的3倍以上。

3.3.2 穩(wěn)基腳

1）為增強(qiáng)拱架受力和限制拱架下沉，拱腳位置鎖腳錨管的直徑、根數(shù)和長度進(jìn)行調(diào)整，將原來每側(cè)2根φ42 mm鎖腳錨管變?yōu)?根，長度由4 m改為6 m，周邊地質(zhì)有串珠式溶洞時，每側(cè)增設(shè)2根φ89 mm鎖腳錨管；

2）若掌子面和周邊地質(zhì)不良，圍巖穩(wěn)定性較差時，則每個臺階的拱腳1 m處增設(shè)2根I12/14工字鋼進(jìn)行縱向連接，縱向連接工字鋼底部增設(shè)鎖腳錨管；

3）若開挖中下導(dǎo)坑對初支擾動較大、拱腳底部易脫空和拱頂有較大填充體時，拱腳底部宜增設(shè)縱向臨時墊梁，擴(kuò)大拱腳的受力面積，另外加工拱腳連接板的保護(hù)裝置，采用預(yù)制塊對拱腳進(jìn)行支墊；

4）鎖腳周邊地質(zhì)軟弱無持力層時，上臺階增設(shè)臨時仰拱，及時閉合初支受力，防止拱頂下沉速率過快或中下臺階開挖時防止因拱腳脫空，導(dǎo)致拱架下沉初支侵線。

3.3.3 固側(cè)壁

1）為增強(qiáng)開挖后周邊圍巖的自穩(wěn)能力，避免支護(hù)剪切破壞的產(chǎn)生，將原設(shè)計藥卷系統(tǒng)錨桿改為中空注漿系統(tǒng)錨桿，將中空注漿系統(tǒng)錨桿變?yōu)棣?2 mm注漿系統(tǒng)錨管，系統(tǒng)錨管間距和長度根據(jù)周邊圍巖的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，環(huán)向間距一般為0.6～1.2 m，長度一般為4～6 m，過程中及時驗(yàn)證注漿加固效果，必要時做受力分析；

2）對于填充型溶腔，要對填充物進(jìn)行預(yù)處理，特別對拱部90°范圍內(nèi)的腔體，需強(qiáng)化填充物的穩(wěn)定性，對于漏斗狀的溶腔一般采用φ89 mm導(dǎo)管，傾角30°左右，長度以打穿腔體為標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)實(shí)際情況確定打設(shè)層數(shù)和根數(shù)[3]。

3.3.4 重防排

1）溶腔內(nèi)部有排水通道的，采取保護(hù)措施，保障排水通道的暢通；若為裂隙發(fā)育則空腔內(nèi)增設(shè)排水管，將水引流至隧道排水系統(tǒng)，安裝時注意不要因淤積等原因?qū)е屡潘芏氯?/p>

2）初支完成后，在溶腔部位特別空腔部位打設(shè)不少于3根φ42 mm鋼花管引流，防止空腔內(nèi)形成承壓水，對隧道受力造成影響；調(diào)整環(huán)向排水管的間距，在巖溶區(qū)進(jìn)行加密，一般4～6 m一道；

3）防水板搭接時采用三縫爬焊機(jī)代替雙縫爬焊機(jī)，對搭接寬度和焊縫的氣密性嚴(yán)格控制，對預(yù)留洞室處的防水重點(diǎn)關(guān)注，襯砌施工縫或沉降縫要避開防水板搭接或預(yù)留洞室1 m以外。

3.3.5 勤量測

1）巖溶區(qū)監(jiān)控量測點(diǎn)間距由原設(shè)計的5～10 m調(diào)整為3～5m，地質(zhì)較差時每循環(huán)增設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)，另外，根據(jù)開挖方式的改變，相應(yīng)增加環(huán)向監(jiān)測點(diǎn)；

2）監(jiān)測時間除常規(guī)監(jiān)測外，根據(jù)工藝時間增加監(jiān)控次數(shù)，例如開挖中下臺階和仰拱、巖體爆破等，以便分析工藝對處治措施的影響；

3）根據(jù)天氣情況增加監(jiān)控量測的次數(shù)，暴雨、大雨時每天增加3～5次，中雨、小雨時每天增加2～3次；

4）完善預(yù)警反饋和處治機(jī)制，各參建方對預(yù)警段落要有高度的敏感性和危機(jī)感，及時對預(yù)警進(jìn)行管控。

4 工程實(shí)例

4.1 巖溶情況簡介

承建的雙向四車道高速公路隧道位于喀斯特地貌區(qū)，隧道全長820 m，穿越巖溶區(qū)占比46%，為強(qiáng)巖溶發(fā)育區(qū)，巖溶類型全為填充型溶腔或溶槽。其中，在ZK98+605處出現(xiàn)軟塑狀黏土夾孤石填充型溶腔，沿隧道縱向長約8 m，拱底溶槽寬約3 m，拱頂呈漏斗狀，拱頂溶腔寬約5 m，易產(chǎn)生突泥和塌方危險，右側(cè)開挖界線外巖溶發(fā)育，圍巖呈中風(fēng)化灰?guī)r，中～薄層構(gòu)造，穩(wěn)定性一般，橫斷面溶洞與隧道典型關(guān)系如圖1所示。

圖1 橫斷面溶洞與隧道關(guān)系示意圖

4.2 巖溶處治措施

采用三臺階開挖法，每循環(huán)進(jìn)尺1～2榀拱架間距，預(yù)留沉降量30 cm，拱頂溶腔采用φ89 mm鋼管打穿腔體對填充物進(jìn)行支護(hù)和注漿加固，間距40 cm，長度12 m+襯砌結(jié)構(gòu)為φ50 mm×5 mm超前注漿導(dǎo)管，每榀做超前支護(hù)，每兩榀管內(nèi)增加φ32 mm螺紋鋼抗剪防止孤石滑落，導(dǎo)管長4.5 m+I20a工字鋼間距50 cm進(jìn)行支護(hù)+雙層φ8 mm鋼筋網(wǎng)片+D25 mm中空注漿錨桿（左側(cè)長3.5 m，右側(cè)長4～5 m加固溶槽）+50 cm厚鋼筋混凝土襯砌帶仰拱+右側(cè)上臺階拱腳處增加2根φ89 mm鎖腳錨管長度6 m和增設(shè)縱向墊梁+拱底溶槽位置設(shè)置6 m寬60 cm厚的C40鋼筋混凝土蓋板作支撐。

施工過程中若遇少量掉塊和黏土滑落，及時補(bǔ)打或加密超前導(dǎo)管或采用噴射混凝土掛網(wǎng)錨噴回填，沿開挖輪廓面增設(shè)直徑φ10 cm排水管縱向間距2 m，初支面打設(shè)φ42 mm排水鋼花管長度4 m，間距2 m×2 m梅花形布置，環(huán)向排水管間距調(diào)整為5 m一道。

4.3 監(jiān)控量測結(jié)果

經(jīng)對初期支護(hù)拱頂沉降觀測和周邊收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，拱頂累計沉降+182 mm，周邊收斂累計+12 mm后處于穩(wěn)定狀態(tài)，均在預(yù)留沉降值范圍內(nèi)，經(jīng)分析拱頂沉降主要在開挖中下導(dǎo)坑和仰拱時，由于爆破振動和拱腳臨時脫空導(dǎo)致。另外，時逢雨季施工，填充物受下雨影響，增加自重導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生，通過及時對鎖腳進(jìn)行加固，增加拱腳處縱向連接筋等措施，消除預(yù)警，過程中未發(fā)生突泥、坍塌、初支明顯開裂侵線等問題，此次巖溶處治歷時8 d完成，表明處治方案可行。

5 結(jié)語

處治措施要以預(yù)防為主，結(jié)合地形地貌、地質(zhì)情況、施工水平和經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備配備和材料儲備等情況進(jìn)行綜合制定，要具備可操作性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性、適用性的特點(diǎn)，才能減少突泥、坍塌、初支變形開裂等災(zāi)害的發(fā)生，由于隧道巖溶區(qū)地質(zhì)千差萬別，填充型巖溶處治措施多種多樣，各有所長，不是一成不變的，隨著地質(zhì)勘測技術(shù)和施工工藝的進(jìn)步和發(fā)展，后續(xù)更精準(zhǔn)地掌握和判定隧道不良地質(zhì)情況，處治措施將會更合理、更完善、更具針對性，處治過程將會更安全、更高效。