隧道蓋挖法穿越大型無(wú)填充溶洞施工技術(shù)

摘要：文章以廣西大新縣境內(nèi)巖溶區(qū)某高速公路隧道穿越大型無(wú)填充溶洞的處治實(shí)例，闡述了隧道蓋挖法穿越大型無(wú)填充溶洞的具體施工工藝，應(yīng)用此工藝使施工安全與質(zhì)量均能得到有效保障，為解決隧道工程中類(lèi)似不良地質(zhì)狀況提供了處治經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)填充；溶洞；蓋挖法

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.4A160523

0引言

隨著廣西公路建設(shè)規(guī)模與數(shù)量的增長(zhǎng)，在喀斯特地貌區(qū)修建隧道的工程越來(lái)越多。當(dāng)隧道穿越復(fù)雜的巖溶地區(qū)時(shí)，揭露出大型無(wú)填充溶洞較為常見(jiàn)，且大型溶洞極易引發(fā)施工安全與質(zhì)量問(wèn)題，而采用蓋挖法穿越大型無(wú)填充溶洞，工藝簡(jiǎn)單、操作便捷、質(zhì)量可控、安全有較大的保障。

在巖溶區(qū)修建隧道的處治方法研究方面：李治國(guó)［1］主要提出了巖溶處理的原則，探討了隧道中不同類(lèi)型巖溶的處理方法；有學(xué)者針對(duì)巖溶空腔處理措施開(kāi)展了研究［2-3］。在溶洞處治與隧道施工的相互影響研究方面：史世雍等［4］結(jié)合實(shí)際隧道工程，采用數(shù)值模擬方法研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞分布對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響；周雪銘等［5］采用數(shù)值模擬方法對(duì)巖溶隧道開(kāi)挖對(duì)溶洞處治結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。針對(duì)無(wú)填充溶洞的研究方面：楊毅［6］采用數(shù)值模擬方法針對(duì)隧道上方大型無(wú)填充型溶洞護(hù)拱厚度進(jìn)行研究，表明護(hù)拱厚度至少為2 m時(shí)才能保證初期支護(hù)拱部的安全。在巖溶隧道地基處理方面：主要以樁基礎(chǔ)加固處理方法為主［7-9］；余波［10］以近10 km長(zhǎng)的深埋隧洞中遇到的巖溶地基問(wèn)題為例，介紹幾類(lèi)典型巖溶地基的地質(zhì)概況、存在的工程地質(zhì)問(wèn)題及其地基處理方法。

1工程概況

某隧道右洞YK218+890～YK218+940段巖質(zhì)為中-強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，原設(shè)計(jì)是Ⅳ級(jí)圍巖，采用XSD4a襯砌類(lèi)型支護(hù)（間距1 m的14 cm×14 cm格柵拱架+噴射C25混凝土，二襯及仰拱40 cm厚素混凝土）。從小樁號(hào)往大樁號(hào)方向開(kāi)挖至YK218+890時(shí)，在掌子面左側(cè)揭露出大型無(wú)充填物溶洞，溶洞輪廓參差不平，長(zhǎng)度為45 m，溶腔最大寬度為38 m，最大高度為32 m。溶洞左側(cè)比洞室面干燥，溶洞右側(cè)雨季有少量點(diǎn)狀滴水，且洞壁多發(fā)育有白色鐘乳石，溶洞仍在緩慢發(fā)展中，溶腔形成時(shí)間較漫長(zhǎng)，目前具備完全自穩(wěn)能力。由于溶洞輪廓參差不平，局部有危巖體發(fā)育，經(jīng)十多天的觀察、監(jiān)測(cè)，溶洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有線狀流水，平時(shí)有基巖裂隙水滴落，判斷揭露溶腔上部無(wú)串珠狀溶洞。洞內(nèi)平時(shí)一般并無(wú)坍塌、崩塌現(xiàn)象，具備完全自穩(wěn)能力。經(jīng)過(guò)鉆探揭露溶腔段左側(cè)沉積黏土厚約13 m，濕，可塑為主，局部硬塑；土質(zhì)不均，軟硬互層，局部含碎石、塊石，底部揭露有細(xì)砂。

2溶洞處治方案

為保證YK218+890～YK218+940溶洞段落處治過(guò)程及后期運(yùn)營(yíng)安全，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，采用蓋挖法“先形成保護(hù)層再進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工、排堵結(jié)合、分段治理、動(dòng)態(tài)施工”的總體治理方案。為確保不暴露在溶洞中施工，先利用機(jī)械臂分層泵送C20混凝土至拱頂以上2 m，形成保護(hù)殼層。將該段襯砌形式由XSD4a調(diào)整為XSD5a形式（見(jiàn)圖1）：10 cm預(yù)留變形量、50 cm厚C25噴射混凝土、I20b型鋼拱架，間距50 cm、8 mm鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm（雙層）、土工布。針對(duì)K218+890～K218+940段掌子面左下拱腳為黏土溶腔填充物段落采取108 mm鋼管樁+樁頂C30鋼筋混凝土承臺(tái)的方式對(duì)仰拱襯砌底部進(jìn)行處治，并進(jìn)行防排水加強(qiáng)，全斷面防水板布設(shè)，出水較大段落要在出水點(diǎn)增設(shè)引水管，同時(shí)加密環(huán)向排水管及橫向?qū)埽ㄩg距2 m/道），接入隧道排水系統(tǒng)。

3施工工藝流程

隧道右洞K218+890～K218+940段采用CD法開(kāi)挖，先開(kāi)挖左上導(dǎo)洞加固圍巖后，逐步揭露溶洞，形成施工通道及平臺(tái)；揭露溶洞后對(duì)溶洞進(jìn)行排險(xiǎn)，排險(xiǎn)后對(duì)軟土基礎(chǔ)的溶洞低洼處回填大石塊或石籠，使整個(gè)溶洞基礎(chǔ)形成透水面且不形成積水；待透水層填筑完成后先澆筑一層混凝土，形成大范圍平面后，再分層泵送混凝土至拱頂以上2 m，完成保護(hù)殼施工；保護(hù)殼形成后采用松動(dòng)弱爆破的方法逐榀開(kāi)挖并支護(hù)，施作防排水及二襯襯砌（見(jiàn)圖1）。

施工順序：從左側(cè)揭露溶洞→溶洞排險(xiǎn)→透水層施工→保護(hù)殼施工（人造圍巖）→CD法開(kāi)挖及初支→鎖腳鋼管→鋼管樁+樁頂承臺(tái)→隧底防排水施工→仰拱施工→拱圈防排水施工→二襯施工→溶洞處治完成。

4施工要點(diǎn)

4.1溶洞段排險(xiǎn)施工

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溶洞發(fā)育情況分析，溶洞頂高度為8～32 m，溶洞內(nèi)壁總體較穩(wěn)定，洞壁多發(fā)育有白色鐘乳石，由于溶洞輪廓參差不平，局部有危巖體發(fā)育，對(duì)施工不利，不宜采用人工排險(xiǎn)；施工護(hù)拱前，采用可伸縮、自帶振動(dòng)破碎錘的高空作業(yè)設(shè)備進(jìn)行排險(xiǎn)，將溶洞洞壁表面的松散巖體排除，排險(xiǎn)過(guò)程安排專(zhuān)人指揮，確保排險(xiǎn)施工安全。排險(xiǎn)過(guò)程主要以清除松動(dòng)圍巖為主，不宜對(duì)溶洞洞壁進(jìn)行過(guò)大擾動(dòng)，避免增加溶洞段排險(xiǎn)施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.2透水層施工

溶洞排險(xiǎn)完成后，從揭露通道處利用小型設(shè)備將大塊石在軟土基礎(chǔ)上填出一條可供機(jī)械通行的便道，然后根據(jù)溶洞實(shí)際情況在溶洞低洼處回填大石塊或石籠，形成透水層，使整個(gè)溶洞基礎(chǔ)不形成積水?；靥钋靶枨謇淼撞侩s物或積水，保證回填質(zhì)量及密實(shí)度。溶洞揭露后加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及安全巡視，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和巡視無(wú)異常后才能進(jìn)洞施工；在揭露通道處需設(shè)置應(yīng)急通道，并設(shè)置足夠的照明設(shè)施，保證出現(xiàn)異常時(shí)人員能按照應(yīng)急通道迅速撤離。

4.3混凝土保護(hù)殼施工

溶洞底部回填處理完成后，先泵送澆筑一層混凝土使溶洞整個(gè)基礎(chǔ)形成一個(gè)平面。泵送第一層混凝土?xí)r，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，在第二層的回填邊界處預(yù)埋2.5 m高48 mm鋼管立柱，埋入混凝土層≥0.5 m，縱向間距為0.7 m，縱向1.4 m用鋼管支撐在立柱上部，形成三角撐形式，防止?jié)仓炷習(xí)r模板漲模、爆模；然后用15 mm厚木板作為擋板形成上層回填邊界，使用地泵泵送C20混凝土至第二層模板頂面，澆筑順序從距離揭露口最遠(yuǎn)處開(kāi)始往回澆筑；每一層混凝土初凝后再安排下一次泵送確保結(jié)構(gòu)安全，依次泵送至拱頂以上2 m，形成混凝土保護(hù)殼層。泵送前在試驗(yàn)室做好混凝土配合比設(shè)計(jì)，保證混凝土的和易性、流動(dòng)性等指標(biāo)達(dá)到自密實(shí)的效果。預(yù)埋的排水管需提前安裝，地泵及泵管等準(zhǔn)備工作做好之后才能進(jìn)行混凝土施工，確保泵送混凝土的整體性，減少施工人員進(jìn)入溶腔內(nèi)施工的時(shí)間，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。施工過(guò)程加密監(jiān)控量測(cè)頻率，每天早、中、晚各監(jiān)測(cè)一次，通過(guò)監(jiān)控測(cè)量數(shù)據(jù)指導(dǎo)泵送混凝土施工。

施工過(guò)程做好各位置高程及平面位置測(cè)量的控制，回填邊界時(shí)上層與下層間隔1 m寬，保護(hù)殼每層高度為2 m，最后一層高度≤3 m。

混凝土填充保護(hù)殼時(shí)，在隧道初支外側(cè)用12 mm光圓鋼筋以間距20 cm×20 cm做成1.5 m寬的鋼筋網(wǎng)，按1 m一層沿隧道開(kāi)挖輪廓放置。鋼筋網(wǎng)搭接應(yīng)≥30 cm，以加強(qiáng)混凝土保護(hù)殼的整體性。

4.4鋼管樁及樁頂承臺(tái)施工

溶洞左下角為黏土溶腔填充物，擬采取108 mm鋼管樁+樁頂C30混凝土承臺(tái)的方式進(jìn)行處治。當(dāng)右洞下臺(tái)階護(hù)拱初期支護(hù)及鎖腳錨管施作完成，監(jiān)控量測(cè)各項(xiàng)內(nèi)容穩(wěn)定無(wú)異常后才能進(jìn)行鋼管樁施工。鋼管采用108 mm×6.0 mm熱軋無(wú)縫鋼管，橫向間距為60 cm，縱向排距為80 cm，矩形布設(shè)，樁底延伸至基巖面以下2 m。在鋼管上鉆注漿孔，孔徑為10 mm，孔間距為20 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止?jié){段200 cm，焊接需滿足規(guī)范要求。鋼管內(nèi)放入由三根22 mm鋼筋制成的鋼筋籠，然后用M30水泥砂漿充填，以增強(qiáng)鋼管的強(qiáng)度和剛度。鋼管樁施工采用后壓漿成樁工藝：鋼花管外側(cè)填充碎石后注漿，注漿時(shí)應(yīng)控制注漿壓力，使?jié){液均勻上冒，直至泛出樁頭。注漿起始?jí)毫Α?MPa，終壓為2～2.5MPa，注漿材料采用超細(xì)水泥漿及M30水泥砂漿。超細(xì)水泥漿水灰比為1∶0.5，水泥砂漿砂灰比為1∶0.1，水灰比為1∶0.5，加入0.25%的減水劑。施工時(shí)先采用超細(xì)水泥進(jìn)行注漿加固樁周巖土，超細(xì)水泥漿應(yīng)具有良好的和易性，擴(kuò)散半徑≥0.5 m，然后注入M30水泥砂漿填充鋼花管及碎石。實(shí)際注漿參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為準(zhǔn)，并嚴(yán)格控制注漿質(zhì)量，留存好各項(xiàng)驗(yàn)收資料。

鋼管樁頂部采用C30混凝土基礎(chǔ)承臺(tái)，基礎(chǔ)厚度≥50 cm，鋼管樁頂部深入混凝土承臺(tái)≥40 cm。承臺(tái)底部放置 ?16 mm、25 cm×25 cm間距的鋼筋網(wǎng)。承臺(tái)施工前使用水準(zhǔn)儀測(cè)量好高程，保證承臺(tái)與仰拱底部有50 cm距離；同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)底部巖層情況，承臺(tái)與巖層搭接長(zhǎng)度應(yīng)≥1.0 m。承臺(tái)外側(cè)尺寸應(yīng)不小于護(hù)拱最外邊。

5監(jiān)控量測(cè)方案

針對(duì)溶洞處治段落，制定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，包括圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)本身狀態(tài)、收斂變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力、地下水涌水量和水壓力等項(xiàng)目的觀察。在溶洞內(nèi)設(shè)立永久監(jiān)測(cè)和視頻觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)溶洞的發(fā)展和變形進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目有：拱頂沉降和周邊位移觀測(cè)；圍巖與初期支護(hù)接觸壓力；鋼架內(nèi)力；噴射混凝土和二次襯砌內(nèi)力；初期支護(hù)與二次襯砌之間壓力；溶洞內(nèi)布置永久用監(jiān)控?cái)z像頭；溶洞觀測(cè)等。

6施工效果

通過(guò)此方案對(duì)某隧道右洞YK218+890～YK218+940段大型無(wú)填充溶洞進(jìn)行處治，取得了良好的效果，鋼管樁+承臺(tái)能簡(jiǎn)單有效地解決隧道左側(cè)底部基礎(chǔ)軟弱問(wèn)題，混凝土保護(hù)殼在隧道穿越溶洞的施工過(guò)程起到了有效的保護(hù)作用，隧道在開(kāi)挖及初期支護(hù)過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)正常，隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工完成后穩(wěn)定安全。

7結(jié)語(yǔ)

在本工程中采用蓋挖法施工技術(shù)在無(wú)填充巖溶隧道工程中取得了良好的效果，在施工過(guò)程中要重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

（1）及時(shí)跟進(jìn)仰拱及二襯，保證安全步距。在整個(gè)處治過(guò)程中做好監(jiān)控量測(cè)工作，加密布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，增加監(jiān)測(cè)頻率。在右洞K218+871掌子面處采用地質(zhì)雷達(dá)+鉆孔的方式對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行探測(cè)，分段驗(yàn)證后再進(jìn)行開(kāi)挖。

（2）施工過(guò)程中盡量避免作業(yè)人員無(wú)防護(hù)暴露在溶洞施工現(xiàn)場(chǎng)。

（3）右線溶洞段施工過(guò)程中，須避免左線隧道爆破施工。

（4）施工過(guò)程中，應(yīng)定期對(duì)初支進(jìn)行安全檢查，加強(qiáng)洞內(nèi)及溶洞監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)信息，采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、施工。

（5）進(jìn)行鋼架施工時(shí)，應(yīng)確保鋼架接頭處螺栓緊固，鎖腳錨桿與鋼架焊接牢固有效，鋼架腹、背部嚴(yán)禁回填片石等雜物，支座鋼板應(yīng)位于穩(wěn)定地基上，嚴(yán)禁出現(xiàn)鋼架懸空的情況。

（6）提前制定各種施工事故的安全預(yù)案，防患于未然。施工前應(yīng)對(duì)施工緊急預(yù)案進(jìn)行研究、完善、細(xì)化，確保預(yù)案能夠及時(shí)實(shí)施，最大限度保障施工人員安全。

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作者簡(jiǎn)介：唐振華（1991—），工程師，主要從事巖土與隧道工程技術(shù)研究、施工管理工作。