富水溶洞隧道安全穿越技術(shù)研究

張羽，李強(qiáng)，王傳飛

（中交路橋南方工程有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通不斷完善，越來越多隧道工程開工建設(shè)。在隧道的修建過程中，常遇到富水溶洞等特殊的地質(zhì)情況，由此引起的隧道被淹、洞內(nèi)塌方、圍巖變形過大、支護(hù)結(jié)構(gòu)體變形等事故累見不鮮，對隧道工程的工程建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度產(chǎn)生了諸多不利影響，且給隧道安全施工帶來極大威脅。

龍南西隧道出口端位于斜坡地段，斜坡坡向約22°，自然坡度約20°～35°，該段圍巖為全風(fēng)化泥灰?guī)r，圍巖自穩(wěn)性極差，根據(jù)暴露的坡面與巖層層面關(guān)系，屬于斜向坡，其結(jié)構(gòu)層面與節(jié)理以誘發(fā)楔形體滑坡或崩塌問題，并且該段隧道左側(cè)為沖溝，存在較明顯的偏壓現(xiàn)象。

隧址區(qū)山高林密，相對高差較大，山體連續(xù)性好，溝谷切割較深，狹長，泄流條件好，不利地表水存留，在膜道進(jìn)、出口溝谷中均有小溪流，流量約5～10t/h。左線隧道出口淺埋段前位于溝谷中，溝谷有溪流，地表水對隧道開挖影響較大。

建設(shè)區(qū)域內(nèi)碳酸巖巖溶水賦存于中可溶巖泥灰?guī)r極白云巖中，為承壓水或微承壓水，賦存于基巖的節(jié)理裂隙中，為區(qū)內(nèi)最重要的含水層，其上部的第四系覆蓋層較薄，地表水下滲補(bǔ)給迅速；同時，建設(shè)區(qū)域內(nèi)富存巖溶水、裂隙水和孔隙水，且裂隙水廣泛富存于裂隙破碎帶內(nèi)。水位埋深相對較深，水位隨地形變化劇烈，易出現(xiàn)塌方問題，大幅度增加了隧道區(qū)域穿越施工的難度。

為降低富水溶洞地質(zhì)對工程建設(shè)質(zhì)量和施工安全的影響，降低富水溶洞地區(qū)發(fā)生塌方、涌水、圍巖大變形等病害發(fā)生的概率，鄭宗利等[1]、高樹全等[2]對富水溶洞隧道的預(yù)警體系進(jìn)行了研究；羅秀松[3]、李代懷[4]對富水溶洞隧道的相關(guān)施工策略進(jìn)行了研究；徐世軍[5]、殷懷連[6]深入研究了富水溶洞對隧道開挖的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響；程巧建[7]、林憲廣[8]、馮海暴等[9]、任和祥[10]、李鳴沖[11]開展了富水溶洞地區(qū)隧道工程精細(xì)化施工技術(shù)研究。

分析表明，現(xiàn)有研究成果從富水溶洞隧道施工策略、工程技術(shù)等方面進(jìn)行了系列研究，對提升富水溶洞隧道的施工質(zhì)量和安全性具有積極作用，但研究大多側(cè)重于工程施工技術(shù)理論和施工裝置，對改善富水溶洞支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低現(xiàn)場施工安全防控難度、減小洞內(nèi)工程事故發(fā)生概率等方面的研究尚存不足，相關(guān)系統(tǒng)研究尚滯后于工程實(shí)際需要。同時，針對富水溶洞隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和病害誘因，在外側(cè)溶洞的整體性增強(qiáng)、隧道結(jié)構(gòu)受力性能改善、隧道開挖施工工藝改善等方面尚存可提升之處。鑒于此，文章以龍南西隧道工程實(shí)際為研究對象，對富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究研究。

1 工程技術(shù)問題及施工難點(diǎn)

1.1 外側(cè)溶洞的整體性弱

在富水溶洞取得進(jìn)行隧道工程開挖施工時，通常先根據(jù)溶洞腔體的體積情況，對溶洞腔體預(yù)先進(jìn)行填充密實(shí)，再進(jìn)行隧道內(nèi)土體的開挖施工方案，雖可滿足臨時穩(wěn)定的要求，但對于存在穩(wěn)定水源的活溶洞或溶洞周邊土體巖體整體性較差的情況，常常會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形大、洞體塌陷等工程問題。

1.2 隧道結(jié)構(gòu)受力性能不易控制

富水溶洞隧道施工質(zhì)量受混凝土灌注施工質(zhì)量、填充密實(shí)體強(qiáng)度、截流地下水、圍巖結(jié)構(gòu)破碎情況等諸多因素影響，溶洞區(qū)段隧道開挖土體的受力性能常難準(zhǔn)確量化。相對于普通溶洞隧道施工工程，富水溶洞隧道具有穩(wěn)定性較差，大幅增加了溶洞區(qū)段穿越施工的安全隱患和施工質(zhì)量。

1.3 溶洞隧道的施工效率低

富水溶洞隧道施工過程中圍巖結(jié)構(gòu)整體性差，現(xiàn)場施工時常需先采取系列工程措施，增強(qiáng)圍巖結(jié)構(gòu)的整體性，再進(jìn)行開挖施工，遇到溶洞填充施工質(zhì)量不可靠的情況時，還需采取進(jìn)一步的工程處理措施，大幅增加了工程造價，延長了施工工期。

2 富水溶洞段補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及其特點(diǎn)

2.1 富水溶洞段補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于龍南西隧道富水溶洞區(qū)域工程施工的難題，結(jié)合富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越施工的技術(shù)特點(diǎn)，提出了富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)。圖1 為富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)橫斷面。

圖1 富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)橫斷面

（1）在隧道開挖施工時，對存在外側(cè)溶洞區(qū)段，先自隧道已開挖的掌子面面向未開挖隧道土體內(nèi)沿平行于隧道方向進(jìn)行注漿，在靠近隧道內(nèi)溶洞側(cè)形成上下貫通的水泥土固化撐墻；同步自開挖面向洞周土體引孔插設(shè)勁性導(dǎo)管，通過外部壓漿設(shè)備向勁性導(dǎo)管內(nèi)壓漿，注漿為1MPa～1.5MPa，在勁性導(dǎo)管內(nèi)部及外周形成勁芯填充體和溶洞漿固體，從而實(shí)現(xiàn)了對溶洞內(nèi)部松散填充體補(bǔ)強(qiáng)和預(yù)支擋穩(wěn)定的目的。

（2）待注漿形成的縱向的開挖撐墻形成強(qiáng)度后，先對開挖撐墻遠(yuǎn)離溶洞側(cè)第一開挖區(qū)部位的土體，并在開挖撐墻的墻角處設(shè)置存水箱體；然后，采用鉆孔設(shè)備自開挖撐墻向溶洞土體方向引孔并分別插設(shè)溶洞排水管和組合錨桿，使溶洞排水管與存水箱體連通。富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)縱斷面如圖2 所示。

圖2 富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)縱斷面

（3）根據(jù)開挖穩(wěn)定性控制要求，對開挖撐墻與溶洞土體之間的隧道土體進(jìn)行分區(qū)，即劃分為第三開挖區(qū)和第二開挖區(qū)，先進(jìn)行第三開挖區(qū)土體開挖，第二開挖區(qū)土體作為反壓土體，待初襯施工完成后再開挖。

2.2 特點(diǎn)

（1）富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)向外側(cè)溶洞內(nèi)引孔插設(shè)了勁性導(dǎo)管，并通過注漿形成了勁芯填充體和溶洞漿固體，可在對溶洞加筋的同時，增強(qiáng)了溶洞內(nèi)部填充物的整體穩(wěn)定性。

（2）富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)在隧道內(nèi)部預(yù)先通過注漿形成了開挖撐墻，可根據(jù)穩(wěn)定性控制的要求，依次進(jìn)行第一、第三、第二分區(qū)土體的開挖，實(shí)現(xiàn)了開挖過程中隧道穩(wěn)定性的分區(qū)控制，減小了隧道臨空面。

（3）富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)可通過溶洞排水管及存水箱體快速排除并存儲溶洞內(nèi)部的水體，避免了隧道內(nèi)部突水問題的發(fā)生。

3 富水溶洞段補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

3.1 技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)富水溶洞段穩(wěn)定性控制的要求，在富水溶洞區(qū)段預(yù)設(shè)開挖撐墻，先進(jìn)行背離溶洞區(qū)域的隧道開挖，再開挖靠近富水溶洞區(qū)域的土體，支護(hù)施工順序?yàn)橄冗M(jìn)行初噴混凝土找平，再打設(shè)中空注漿錨桿或砂漿錨桿進(jìn)行圍巖支護(hù)，然后進(jìn)行掛網(wǎng)、架立鋼支撐和鎖腳錨桿（管）施工，最后根據(jù)設(shè)計厚度要求進(jìn)行混凝土噴射。

（1）初噴混凝土施工。初噴混凝土主要用于開挖巖面找平、并封閉易風(fēng)化巖土體的巖面，噴射厚度為4～5cm。

（2）注漿錨桿施工。注漿錨桿的長度為4m（小凈距為5m，Ⅴ級圍巖加寬段為4.5m），施工中按設(shè)計要求定出位置，孔位準(zhǔn)確；將中空錨桿插入錨桿孔后，先使錨桿頭與注漿機(jī)出漿管進(jìn)行連接，再進(jìn)行中空錨桿壓漿施工，壓漿施工完成后，安裝錨桿專用墊板并擰緊螺帽。

（3）鋼筋網(wǎng)片安裝施工。鋼筋網(wǎng)采用專門的鋼筋網(wǎng)片焊接排機(jī)進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片的分片預(yù)制，運(yùn)至現(xiàn)場后由人工進(jìn)行現(xiàn)場鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)片搭接長度不小于20cm，相接的鋼筋網(wǎng)片之間采用焊接連接。鋼筋網(wǎng)片排焊機(jī)如圖3 所示，鋼筋網(wǎng)片安裝如圖4 所示。

圖3 鋼筋網(wǎng)片排焊機(jī)

圖4 鋼筋網(wǎng)片安裝

（4）鋼拱架施工。龍南西隧道初期支護(hù)鋼拱架安裝采用人工現(xiàn)場拼裝，工字鋼架在洞外按隧道拱圈形狀進(jìn)行預(yù)制加工。工字鋼架安裝之前應(yīng)先確保初噴混凝土形成強(qiáng)度，在工字鋼架安裝施工時，在隧道拱圈內(nèi)部預(yù)設(shè)的定位系筋焊接連接；縱向相鄰的拱架之間通過環(huán)形間距為1m、直徑為22mm 的縱向連接筋進(jìn)行連接。

（5）噴射混凝土施工。鋼拱架間的混凝土噴射包括初噴和復(fù)噴，初噴厚度為3～4cm，主要用于封閉圍巖和初步找平，并應(yīng)實(shí)現(xiàn)圍巖的盡早快速封閉。完成立拱架、掛網(wǎng)、錨桿工序的作業(yè)后采用濕噴工藝進(jìn)行混凝土復(fù)噴施工。噴錨施工順序如圖5 所示。

圖5 噴錨施工順序

3.2 施工質(zhì)量控制措施

（1）施工工藝方面。根據(jù)隧道地質(zhì)勘測資料，排查確定工程施工安全、質(zhì)量隱患點(diǎn)，通過現(xiàn)場技術(shù)交流會、專家會等方式，對現(xiàn)場施工技術(shù)措施、人員調(diào)配、施工機(jī)械組織、病害防控措施等進(jìn)行分析論證，研究確定合理的施工組織方案，并對現(xiàn)場作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，將施工技術(shù)落實(shí)到每一個工程參建人員。

（2）工程材料方面。富水溶洞施工過程中的材料可概況為：工程結(jié)構(gòu)材料和工程應(yīng)急材料，工程結(jié)構(gòu)材料應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)承載和性能要求，需根據(jù)設(shè)計和規(guī)范要求，對工程材料的性能、用量、參數(shù)進(jìn)行確定；工程應(yīng)急材料主要用于應(yīng)對工程突發(fā)事故，在工程施工過程中由專人管理，做到隨用隨到。

（3）施工人員方面。現(xiàn)場施工作業(yè)人員應(yīng)具有相應(yīng)工種的實(shí)踐技能，在上崗之前應(yīng)進(jìn)行技術(shù)交底和安全交底，確保做到考核合格、持證上崗，并且在作業(yè)開始、結(jié)束時應(yīng)做好工作日志。同時，在現(xiàn)場作業(yè)施工時，各工序的操作者均應(yīng)掛牌作業(yè)。

（4）管理制度方面。整個施工過程中，應(yīng)做到施工過程的程序化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，并應(yīng)建立完備的質(zhì)量管理、安全管理、環(huán)境管理制度文件，確保整個施工過程中監(jiān)督到位、檢查到位、管理到位。

4 結(jié)語

在山嶺區(qū)進(jìn)行隧道工程施工，時常會遇到溶洞、斷層等特殊地質(zhì)條件，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度、安全和建設(shè)質(zhì)量。對此，文章基于依托工程實(shí)際情況，結(jié)合富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越施工的難點(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）基于富水溶洞隧道結(jié)構(gòu)的工程技術(shù)難點(diǎn)，提出了一種富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)，闡明了富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)在預(yù)防性支擋、隧道高效開挖等方面的優(yōu)越性。

（2）結(jié)合研發(fā)的富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越結(jié)構(gòu)，以及富水溶洞隧道施工技術(shù)情況，提出了一套較為完善的富水溶洞隧道組合預(yù)支擋安全穿越施工技術(shù)，闡明了改善施工技術(shù)的要點(diǎn)和質(zhì)量控制措施。