富水溶洞隧道外側(cè)溶洞封堵技術(shù)研究

王志強(qiáng) 王傳飛 鐘水平

中交路橋南方工程有限公司 北京 100000

隨著我國交通隧道產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，越來越多隧道工程開工建設(shè)。一些特殊地質(zhì)區(qū)域的隧道在施工過程中，其隧道周圍易出現(xiàn)溶洞，其填充物較為松散，厚度較大，給隧道的施工帶來一定的難度。

龍南西隧道進(jìn)口端位于龍南縣桃江鄉(xiāng)灑口村馬槽山龍靈農(nóng)場，出口位于龍南縣渡江鎮(zhèn)果農(nóng)村社背。龍南西隧道區(qū)地處構(gòu)造剝蝕低山地貌區(qū)，據(jù)工程物探資料，在Z2K125+360～500 段物探低阻異常區(qū)，圍巖為破碎中風(fēng)化白云巖，Z2K125+403 處鉆孔揭露拱頂以上巖溶發(fā)育。124+820～125+220 圍巖為破碎中風(fēng)化白云巖，洞身范圍內(nèi)及仰拱以下溶洞發(fā)育，現(xiàn)場開挖施工難度大，對工程施工進(jìn)度、安全造成了系列不利影響。

隧道洞周溶洞的存在大幅增加工程施工進(jìn)度和支護(hù)質(zhì)量控制的難度。對此，為改善隧道洞周溶洞的封閉效果，提高隧道穿越施工的施工效率、改善現(xiàn)場施工質(zhì)量，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員從溶洞隧道病害防控、隧道溶洞病害處治和隧道溶洞現(xiàn)場穿越等方面進(jìn)行了有針對性的研究，如祝新建[1]系統(tǒng)研究了巖溶發(fā)育區(qū)隧道工程溶洞處理施工技術(shù)；王吉輝[2]闡明了隧道工程中溶洞施工技術(shù)難題；蔣凌云[3]針對巖溶鐵路隧道災(zāi)害，提出了具體的治理措施；[4]李杰科等對廣西喀斯特巖溶區(qū)隧道溶洞的處治技術(shù)進(jìn)行了研究；何省等[5]開展了隧道施工大型巖溶整治技術(shù)；林振華[6]對比分析了不同隧道巖溶施工處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。周晉[7]系統(tǒng)分析了山區(qū)隧道巖溶處理技術(shù)的適用性；高頗[8]揭示了灰?guī)r地段隧道巖溶處理技術(shù)的效果；楊凡[9]和王喚龍[10]分別研究了鐵路隧道基底巖溶處理技術(shù)；朱建偉等[11-14]基于具體工程實(shí)際，開展了巖溶隧道綜合處理技術(shù)研究。

分析表明，現(xiàn)有研究在溶洞隧道病害防控、病害處治和現(xiàn)場穿越等方面取得了較為成熟的研究成果，并可在適宜的工況下取得了較好的工程應(yīng)用效果，但研究從溶洞加固結(jié)構(gòu)體系、注漿填充技術(shù)等方面的研究較少，相關(guān)技術(shù)理論上的完善。同時(shí)，現(xiàn)有工程措施和技術(shù)成果中，在外側(cè)溶洞封堵效果提升、洞側(cè)溶洞的整體性增強(qiáng)、溶洞對結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)消除等方面尚存可進(jìn)一步提升之處。鑒于此，文章基于龍南西隧道開挖工程實(shí)際情況，對富水溶洞隧道施工技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程技術(shù)問題及施工難點(diǎn)

1.1 隧道溶洞的整體性弱

溶洞結(jié)構(gòu)體的存在，破壞了隧道圍巖結(jié)構(gòu)的整體性，對于富水溶洞隧道，需同時(shí)應(yīng)對溶洞內(nèi)部松散填充體填充、溶洞內(nèi)部水體排除及溶洞區(qū)域局部防塌方等工程難題。目前溶洞區(qū)域現(xiàn)場施工時(shí)，通常采用先打設(shè)超前導(dǎo)管，再進(jìn)行溶洞回填，然后開挖隧道內(nèi)部土體的施工方案，超前導(dǎo)管通常采用鋼管，其注漿、支撐效果有待提升。

1.2 隧道溶洞的封閉效果差

溶洞隧道封堵的效果受溶洞內(nèi)部填充情況、混凝土灌注施工工藝、混凝土配合比、溶洞內(nèi)部填充情況等影響顯著。相對于普通隧道溶洞注漿技術(shù)，溶洞隧道封堵常采用超前導(dǎo)管壓漿的方式，其壓漿效果受漿液配比、注漿壓力、洞腔填充物的空隙情況影響較大，現(xiàn)場封閉效果常存在一定的不確定性。

1.3 富水溶洞區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性提升

富水溶洞的處理效果對隧道工程安全穿越影響較大。富水溶洞隧道工程施工的安全性和可靠性受隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)影響較大，常規(guī)鋼拱架+鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土的支護(hù)技術(shù)雖可提升隧道的安全性和穩(wěn)定性，但簡單的加密拱圈難以有效應(yīng)對溶洞區(qū)域的變形及應(yīng)力的不均勻問題，易導(dǎo)致局部塌方、失穩(wěn)等病害。

2 施工結(jié)構(gòu)改善設(shè)計(jì)及特點(diǎn)分析

2.1 改善設(shè)計(jì)

基于龍南西隧道工程開挖施工的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)施工的實(shí)際情況和研究現(xiàn)狀，對現(xiàn)場施工結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)勁性鋼管和環(huán)向注漿管連接結(jié)構(gòu)如圖1所示，富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖1 導(dǎo)勁性鋼管和環(huán)向注漿管連接結(jié)構(gòu)斷面示意圖

圖2 富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)示意圖

（1）在勁性鋼管的外周沿環(huán)向均勻間隔設(shè)置2～4根環(huán)向注漿管；根據(jù)工程勘測資料，確定勁性鋼管和環(huán)向注漿管的長度；自隧道開挖掌子面向隧道外側(cè)溶洞內(nèi)引孔插設(shè)勁性鋼管及環(huán)向注漿管，并使環(huán)向注漿管與外部壓漿設(shè)備連通；通過環(huán)向注漿管向外側(cè)溶洞內(nèi)壓灌水泥砂漿或水泥凈漿形成溶洞密閉體。

（2）待溶洞密閉體形成強(qiáng)度后，進(jìn)行隧道內(nèi)部土體開挖施工；溶洞區(qū)段開挖施工萬抽，立刻自拱圈開挖面向外側(cè)溶洞引孔并插設(shè)錨固螺桿；使錨固螺桿與外部壓漿設(shè)備連通，壓漿形成錨固粘結(jié)體；在拱圈開挖面的底部鋪設(shè)與溶洞連通的隧道外置導(dǎo)水管，并使外置導(dǎo)水管與隧道排水溝連通。

（3）對隧道開挖巖土表面進(jìn)行處理后，沿外側(cè)溶洞與隧道初襯的接縫面鋪設(shè)壓力分散板，并在壓力錨板與巖體接觸面設(shè)置漿固填充體；壓力分散板與洞周土體通過壓板錨筋連接牢固，壓力分散板鋪設(shè)完成后，立刻進(jìn)行隧道襯砌施工施工，并使錨固螺桿錨入隧道初襯內(nèi)，使壓力分散板與相接的鋼筋網(wǎng)片、隧道拱圈焊接連接。

2.2 特點(diǎn)分析

（1）富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)在隧道外側(cè)溶洞內(nèi)插設(shè)勁性鋼管及環(huán)向注漿管，通過環(huán)向注漿管向外側(cè)溶洞注漿形成溶洞密閉體，實(shí)現(xiàn)了隧道外側(cè)溶洞的快速封閉和整體性快速提升。

（2）富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)在勁性鋼管外周設(shè)置了環(huán)向注漿管、內(nèi)部設(shè)置了勁性筋板和，可改善外側(cè)溶洞的加筋效果。

（3）富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)在外側(cè)溶洞與隧道初襯的接縫面設(shè)置了壓力分散板，可起到界面集中應(yīng)力分散和加筋補(bǔ)強(qiáng)的作用，降低了溶洞填充體及外部圍堰在溶洞區(qū)域的集中應(yīng)力。

（4）富水隧道外側(cè)溶洞封堵結(jié)構(gòu)在外側(cè)溶洞與隧道排水溝之間鋪設(shè)了外置導(dǎo)水管，并使外置導(dǎo)水管與溶洞填充體連通，可實(shí)現(xiàn)后續(xù)溶洞內(nèi)部水體的高效排除，降低了隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲水的概率。

3 溶洞區(qū)域控制性注漿施工

3.1 溶洞區(qū)域控制性注漿施工工藝流程圖

隧道外周溶洞區(qū)域控制性注漿施工流程參見圖3所示。

圖3 小導(dǎo)管徑向注漿工藝流程圖

圖4 小導(dǎo)管大樣圖

隧道外周溶洞區(qū)域注漿采用徑向雙液注漿工藝，雙液漿的水泥漿水灰比為1：1.375（質(zhì)量比）、水泥漿和水玻璃比例為1:1（體積比）；超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）采用規(guī)格為φ42*4mm的熱軋無縫鋼管。

3.2 溶洞區(qū)域控制性注漿施工過程

（1）小導(dǎo)管制作

超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）采用外徑φ42mm，壁厚4mm的熱軋無縫鋼管,長度為6～10m。一端封閉并制成尖狀，在導(dǎo)管的前端設(shè)置長度為10cm的錐頭，管壁四周按間距15cm交錯(cuò)設(shè)置直徑為φ8mm壓漿孔，距離尾部1m長度內(nèi)不設(shè)壓漿孔。

（2）小導(dǎo)管安設(shè)

①超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）的鉆孔采用風(fēng)鉆成孔，成孔施工完成后先清除孔內(nèi)雜物，然后立刻將超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）插入孔內(nèi)，以防止塌孔。

②小導(dǎo)管沿上初期支護(hù)垂直插入。

③封堵導(dǎo)管周圍及孔口。

④插入小導(dǎo)管之后，管端外露10cm，并與外部注漿管路連通。

（3）注漿漿液配制、攪拌

①雙液漿在現(xiàn)場使用攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，并嚴(yán)格控制水泥漿的水灰比、水泥漿和水玻璃的比例，并根據(jù)工程地層情況和膠凝時(shí)間控制注漿時(shí)間。

②在注漿漿液制備過程中，應(yīng)設(shè)置專門的濾網(wǎng)，防止外部雜物進(jìn)入；同時(shí)應(yīng)對拌合用水的性能進(jìn)行測試，避免采用不合規(guī)水體拌合。

（4）注漿

現(xiàn)場注漿施工按照：由上至下、由拱頂至拱腳、由大里程向小里程方向進(jìn)行注漿。壓漿過程中要控制壓力，超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）注漿壓力為1～2MPa，注漿過程中應(yīng)注意注漿壓力的變化，當(dāng)注漿壓力達(dá)到3MPa,進(jìn)漿量小于20L/min時(shí)，可終止注漿。

3.3 溶洞區(qū)域控制性注漿施工注意事項(xiàng)

（1）現(xiàn)場進(jìn)漿速度控制在20～30L/min以內(nèi)，開始時(shí)可適當(dāng)加大進(jìn)漿速度。

（2）當(dāng)現(xiàn)場注漿壓力突然升高時(shí)，應(yīng)先減小進(jìn)漿量，然后對注漿管路、機(jī)械及注漿材料配比進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)可對漿液材料配比進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

（3）現(xiàn)場注漿施工前，應(yīng)對注漿機(jī)械、管路及接頭、超前注漿小導(dǎo)管（環(huán)向注漿導(dǎo)管）的性能進(jìn)行復(fù)核，確保管路暢通、接頭密閉。

（4）當(dāng)單孔注漿過大時(shí)，可適當(dāng)減小水灰比或增加水玻璃用量；亦可采用二次壓力注漿的方式提升注漿材料的密實(shí)性。

4 結(jié)論

受諸多不確定性因素影響，富水隧道外側(cè)溶洞的處理措施一直是工程施工控制的難點(diǎn)。文章針對富水隧道外側(cè)溶洞封堵施工的難點(diǎn)問題，進(jìn)行了有針對性的技術(shù)研究，得到了以下結(jié)論：

（1）基于依托工程實(shí)際，闡明了現(xiàn)場施工技術(shù)難題，提出了一種富水隧道外側(cè)溶洞封閉注漿結(jié)構(gòu)，揭示了研究結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，提升了洞周溶洞區(qū)域的封閉效果。

（2）結(jié)合現(xiàn)狀隧道洞周溶洞封閉施工的難點(diǎn)和提出的富水隧道外側(cè)溶洞封閉注漿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，形成了富水隧道外側(cè)溶洞封閉注漿施工技術(shù)，闡明了洞周注漿施工的過程和質(zhì)量控制要點(diǎn)。