蒙華鐵路分宜地區(qū)巖溶隧道處治施工技術(shù)

詹經(jīng)宇

（中鐵二十四局集團(tuán)南昌鐵路工程有限公司，江西南昌 330009）

0 引言

溶洞為巖溶洞穴，洞的存在會(huì)使得圍巖應(yīng)力不均勻分布，并且這種不均勻分布通常無(wú)規(guī)律可循，這會(huì)使得隧道支護(hù)節(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂，穩(wěn)定性較差[1]，甚至引起隧道塌方[2]，造成工程投資的增加甚至還會(huì)危及施工安全人員的人生安全。并且一旦發(fā)生塌方，同常會(huì)伴隨著突泥突水，大量的泥沙夾水涌入隧道，不僅會(huì)淹沒(méi)隧道，沖毀施工臺(tái)車，造成施工中斷，甚至?xí)顾淼乐苓呂灰频臄U(kuò)大，導(dǎo)致地表開(kāi)裂下沉，引發(fā)山體滑坡，使得整個(gè)工程建設(shè)毀于一旦。

巖溶處治方案的制定以安全、質(zhì)量為主題，以“強(qiáng)本簡(jiǎn)末、服務(wù)運(yùn)營(yíng)”為目的。結(jié)合蒙華鐵路實(shí)際工程，研究不同類型的隧道巖溶處理措施尤為重要，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-32 標(biāo)一工區(qū)位于江西新余市分宜縣，地質(zhì)以灰?guī)r為主，主要可溶巖為三疊系中下統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)、石炭系、灰黃、灰黑色灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在褶皺核部和斷層附近巖體破碎，受地下水運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)期侵蝕，形成溶溝、溶槽、溶洞等。

本工區(qū)隧道8 座，全長(zhǎng)6.3km，單線隧道[3]，隧道區(qū)段屬于侵蝕溶蝕地形。

隧道建設(shè)共遇到39 處溶洞，溶洞分布在拱頂、拱頂、邊墻和隧洞底部，溶洞類型有洞穴型、管狀型、大型干型和大型富水充填型。

2 巖溶處理一般原則

2.1 洞穴型溶腔

改進(jìn)圍巖襯砌型式、調(diào)整開(kāi)挖工藝、強(qiáng)化超前支護(hù)、縮短掘進(jìn)進(jìn)尺、適時(shí)施作初期支護(hù)并封閉成環(huán)，對(duì)未充填或半充填的溶洞，初支后方常用混凝土回填[4]，充填溶洞則用灌漿回填手段，隱蔽型溶腔采用局部徑向注漿固結(jié)，溶腔若有小量水流出，在前期支護(hù)背后設(shè)置排水管，引流至隧道側(cè)溝[5]。

2.2 管道型溶腔

（1）隧道拱部、拱腰巖溶管道。在洞內(nèi)未見(jiàn)大涌水的情況下，在洞內(nèi)、拱腰部發(fā)育的非充填型巖溶管線，在經(jīng)過(guò)巖溶勘察，確定沒(méi)有大涌水的情況下，可考慮采取改進(jìn)圍巖襯砌型式、調(diào)整開(kāi)挖工藝、強(qiáng)化超前支護(hù)、縮短掘進(jìn)進(jìn)尺、適時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)并閉合成環(huán)、初支后方配置混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層（護(hù)拱）、吹砂回填、結(jié)構(gòu)排水等措施。

（2）基底巖溶管道。隧道內(nèi)的巖溶管線，可以考慮采取改進(jìn)的圍巖襯砌形式，即用一定直徑的波紋管將原排水管與隧道內(nèi)的管線連通起來(lái)，再在管線周圍進(jìn)行分層夯實(shí)，最后進(jìn)行混凝土回填。

2.3 大型干溶洞

對(duì)于處于拱或墻部位的大型干溶洞，可采取改進(jìn)的圍巖襯里型式，局部襯砌為明洞，調(diào)整開(kāi)挖工藝，強(qiáng)化超前支護(hù)，縮短掘進(jìn)進(jìn)尺，適時(shí)施作初期支護(hù)，并閉合成環(huán)，初支后設(shè)置混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層（護(hù)拱）、吹砂回填、結(jié)構(gòu)排水等措施。

在隧道底部設(shè)置大面積的干洞室時(shí)，可通過(guò)“托梁+鋼筋混凝土面板”的方式進(jìn)行加固。

2.4 大型富水充填型溶腔

在大型富水充填型溶腔[6]位于拱、墻的情況下，通過(guò)超前鉆探及地質(zhì)雷達(dá)探明存在大型富水充填型溶腔時(shí)，應(yīng)停止掌字面開(kāi)挖并封閉，采用超前注漿加固溶腔及保證開(kāi)挖線以外不小于5m。并采取超前管棚支護(hù)，運(yùn)用臺(tái)階法開(kāi)挖，修正襯砌類型，加強(qiáng)二次襯砌結(jié)構(gòu)。

大型富水型溶洞位于隧底時(shí)，通過(guò)百米鉆機(jī)、高頻地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁儀，CT 孔內(nèi)掃描等探明溶洞大小、分布情況，根據(jù)巖溶情況采取設(shè)置臨時(shí)棧橋、隧道注漿加固、拱部襯砌加強(qiáng)等措施，確保行車安全。

3 工程實(shí)例

3.1 洞穴型溶腔案例

（1）無(wú)充填或半充填型洞穴。程家坊二隧道洞身開(kāi)挖至DK1761+310 時(shí)，在掌子面前方發(fā)現(xiàn)了一段由粉質(zhì)黏土、細(xì)粒角礫土組成的半充式溶洞，其內(nèi)部不含任何水分，從隧洞的右端一直延伸到拱腳附近，形成一個(gè)大空洞。洞穴的尺寸為7m，縱向?yàn)?m，深9m，形狀為一個(gè)倒漏斗狀。

在建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物質(zhì)，用10cm 厚的噴混凝土對(duì)空腔墻體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。②將洞穴區(qū)Ⅱb 復(fù)合襯砌改為Ⅴc 形組合襯砌，在拱部增加5m、φ42mm 超前小導(dǎo)管，采用全環(huán)H180 格柵鋼結(jié)構(gòu)，間距60cm。③弓體內(nèi)設(shè)置有泵送的混凝土泵送管和一根φ50mm 的排水管，在初期支護(hù)穩(wěn)定后，在后側(cè)澆筑C20 混凝土，回填混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后，再用1m 厚的水泥漿保護(hù)層。

（2）充填型洞穴。程家坊一期工程至DK1760+612，在隧道拱頂、側(cè)壁發(fā)現(xiàn)一充填式溶洞，該溶洞內(nèi)充填的是一種含碎石的粉質(zhì)黏土，未見(jiàn)有滲水現(xiàn)象。根據(jù)勘察，該洞穴的尺寸為8m，長(zhǎng)度為8m，長(zhǎng)度為1m，深為3m。

在建設(shè)過(guò)程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物質(zhì)，用10cm 厚的噴混凝土對(duì)空腔墻體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。②將洞穴區(qū)Ⅱa 和Ⅳa 組合襯砌改為Ⅴc 組合，采用H180 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，間距50cm，拱部增加φ42mm 超前小導(dǎo)管，再加一根直徑4m 的徑向錨桿，按1.5m×1.5m 的梅花形布置，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)。③預(yù)埋灌漿管，在初期支護(hù)穩(wěn)定后，再回填灌漿，以保證初支后方不出現(xiàn)空洞。

（3）隱藏充填型洞穴。北山二號(hào)隧道出口洞身巖溶探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)DK1764+220—DK1764+211 初期支護(hù)背后存在一處長(zhǎng)度約10m、直徑約1.5m 的半充填型溶洞，溶洞斜向上大里程發(fā)展，角度約20°，充填物為粉質(zhì)黏土，少量滲水。施工中采取了以下措施。

該段初支背后采用5m 圍巖徑向注漿，二襯增設(shè)Ⅴa 型襯砌配筋。

3.2 管道型溶腔實(shí)例

北山一號(hào)進(jìn)水口DK1761+940 時(shí)，出現(xiàn)一條長(zhǎng)達(dá)2m 左右的不規(guī)則溶洞，該溶洞呈垂直上升狀，并呈斜向延伸，一直延伸到仰拱底部，溶洞呈半充填狀，以黏土中夾雜碎石為主，礫石尺寸0.6m×0.3m×0.3m，并有少量滲漏，一下雨就會(huì)增加。經(jīng)勘察，巖溶空洞位于拱頂10m 左右，隧道底部2m 左右；與此同時(shí)，在開(kāi)挖面的前方，形成了一條管狀的小型溶槽。

施工中采取了以下措施。

（1）清除溶腔內(nèi)松散體，對(duì)腔壁進(jìn)行噴射混凝土加固，噴射混凝土厚度10cm。

（2）溶洞范圍襯砌類型變更為Ⅴc 復(fù)合式襯砌，Ⅳ級(jí)圍巖變更為Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅳa 變更為Ⅴc 復(fù)合式襯砌。

（3）溶洞段拱部超前支護(hù)變更為φ89mm 洞身長(zhǎng)管棚[7]。

（4）在洞室圍巖初撐的基礎(chǔ)上，采用1～2m 厚C25混凝土護(hù)拱，并在其上安裝一根直徑為4m、直徑1.5m、呈梅花狀的放射狀錨桿。埋設(shè)φ50mm 的注漿管和排水管，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，將其澆筑1m 厚的水泥漿保護(hù)層。

（5）在保持原有的巖溶管線排水體系的基礎(chǔ)上，在護(hù)拱后布置2 個(gè)φ400mm 的穿孔波紋管，該波紋管與巖溶管線的進(jìn)水口和出水口相連，孔口管要保證灌漿后的進(jìn)水口不會(huì)被堵?。凰淼赖撞康牟y管由土工織物包覆，周圍回填砂、碎石，高1m，其余部分回填C20混凝土。

3.3 大型干溶腔實(shí)例

北山二號(hào)隧道洞身開(kāi)挖至DK1762+818 時(shí)，在其上部的一處較大的溶洞中，發(fā)現(xiàn)了一處較大的溶洞?，F(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，巖溶洞穴地表巖溶裂縫發(fā)育，石鐘乳覆蓋，地表裂縫水發(fā)育，成線性分布，并有流水流出，洞穴底部為溪流，流量為50m3/h 左右。洞穴高度為25m 左右，與地面的最小垂直間距在30m 左右。該洞穴全長(zhǎng)60m，寬15m，兩頭均為管狀，洞口處有一洞穴水池，其深度未知，遇強(qiáng)降雨時(shí)，大量水流匯入該洞穴，但未見(jiàn)水位上升。洞口一側(cè)，呈管狀，彎曲，深度未知。該隧道穿越巖溶洞穴，位于DK1762+816—DK1762+822。

在建設(shè)實(shí)施過(guò)程中，主要采取如下措施。

（1）清理溶腔內(nèi)部疏松體，采用10cm 厚的噴混凝土對(duì)空腔墻體進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（2）由DK1762+816—DK1762+836 的20m 大管棚改成了φ89mm 大管棚；DK1762+816—DK1762+819 的初期支護(hù)框架由原H130 網(wǎng)格型鋼改為1m 間隔的H150 網(wǎng)格型鋼；DK1762+819—DK1762+829 加寬30cm，采用初期支護(hù)方式改為初期支護(hù)，采用10cm×10cm 網(wǎng)格間距的雙層φ8mm 鋼筋網(wǎng)片，框架由H130格柵鋼架改為H180 格柵鋼架，間距50cm。

（3）根據(jù)實(shí)測(cè)資料，DK1762+813.5—DK1762+815.5，DK1762+824—DK1762+826 段為基巖，DK1762+813.5—DK1762+826 段以托梁穿越底部充注式溶腔，保持過(guò)水通路，托梁基礎(chǔ)位置在基巖面上，長(zhǎng)度不少于2m，托梁范圍內(nèi)襯砌形式從仰拱改為底板，襯砌結(jié)構(gòu)相應(yīng)加強(qiáng)。

（4）在初支后面，設(shè)置2m 厚的C25 混凝土護(hù)拱和側(cè)壁，在拱部增加1m 厚的車胎墊。

（5）在DK1762+816—DK1762+820，在原有的巖溶管線中，在初支后布置一套φ400mm 的穿孔波紋管，該波紋管與巖溶管線的進(jìn)水口和出水口相連，孔口管要保證灌漿后的進(jìn)水口不會(huì)被堵住。

3.4 大型富水型溶腔實(shí)例

3.4.1 溶腔位于拱、墻

彭家?guī)X二號(hào)隧道進(jìn)口開(kāi)挖至DK1774+470 時(shí)，對(duì)掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)及超前水平鉆探，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成果顯示，DK1774+440—DK1774+470 段發(fā)育充填型溶洞，填充砂礫土，滲水較好，局部為溶洞空腔，巖溶水豐富施工中采取了以下措施。

（1）DK1774+440—DK1774+470 段30m 洞身采用5m 超前周邊注漿（雙液漿）加固，注漿由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工，由下到上、由左到右。

（2）超前5m 周邊注漿結(jié)束后在DK1774+438—DK1774+453 超前支護(hù)采用φ89mm 洞身管棚。

（3）DK1774+438—DK1774+470 斷面為Ⅴc 組合襯砌，采用階梯法，初撐為Ⅰ18 型鋼框架，各一級(jí)階梯鋼的連接部位加設(shè)一套5m 長(zhǎng)的鎖腳錨管。

（4）溶腔出水口處埋設(shè)φ200mm PVC 排水管（初期支護(hù)與隧道圍巖間），將水引排至隧道側(cè)溝內(nèi)。

3.4.2 富水溶腔位于隧底

北山二號(hào)隧道DK1764+460—DK1764+531 段隧底溶蝕裂隙、巖溶管道發(fā)育，連通性較好，日涌水水量最大約5 萬(wàn)m3。

施工中采取了以下措施。

（1）隧底加固。DK1764+460—DK1764+531 段基底采用φ89 鋼管樁進(jìn)行注漿加固，注漿孔間距1.5m×1.5m，加固深度為基底以下5m，正方形布置。遇巖溶裂隙及串珠溶洞時(shí)可適當(dāng)加密、加深鉆孔，孔深須鉆至溶洞底板以下1m 以上，注漿漿液采用單液漿或雙液漿。

（2）二次襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施如下。DK1764+460—DK1764+504.5、DK1764+529.5—DK1764+531 段未施工段的二次襯砌由Ⅲa 型襯砌調(diào)整為Ⅴc 型（DK1764+460—DK1764+504.5 段環(huán)向鋼筋采用φ22mm@150mm，DK1764 +529.5—DK1764 +531 段環(huán)向鋼筋采用φ25mm@200mm，縱向鋼筋均采用φ16mm@250mm），襯砌厚度調(diào)整為35cm。采用C35 鋼筋混凝土，局部受已開(kāi)挖輪廓面限制，襯砌厚度可維持原計(jì)；DK1764+460—DK1764+531 段采用滿鋪排水板、每板襯砌增設(shè)1 處泄水孔以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)排水能力[8]。

（3）隧底注漿加固段側(cè)溝每5m 打設(shè)泄水降壓孔，泄水降壓孔深度保證嵌入完整基巖1m，泄水降壓孔內(nèi)設(shè)PVC 管，PVC 管底部外裹無(wú)紡布。

（4）在隧道線路方向右側(cè)增設(shè)泄水洞。

4 方案效果驗(yàn)證

2016 年3 月、6 月初江西新余分宜地區(qū)，連日暴雨，經(jīng)過(guò)排查，隧道溶洞位置未發(fā)現(xiàn)初支開(kāi)裂且未見(jiàn)滲漏，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)均在正常范圍內(nèi)。

2018 年5 月隧底注漿完成后，利用鉆孔取芯、高頻地質(zhì)雷達(dá)、注水試驗(yàn)驗(yàn)證（驗(yàn)證滲透系數(shù)）等3 種方法相互檢驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)專家論證，一致認(rèn)定注漿效果良好，達(dá)到加固隧底效果[9]。

5 結(jié)語(yǔ)

以蒙華線湘贛段為研究對(duì)象，提出了一種基于階梯法的隧道洞室開(kāi)挖方案，并對(duì)各類洞室分別采取了混凝土或灌漿、超前灌漿、超前管棚、排水管網(wǎng)和加固襯砌等措施。實(shí)踐證明，該方法是一種行之有效的方法，能較好地解決工程中遇到的困難，為以后的工程建設(shè)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。①在巖溶發(fā)育區(qū)域開(kāi)展隧道建設(shè)，必須開(kāi)展精細(xì)的地質(zhì)超前預(yù)測(cè)，精確預(yù)測(cè)隧道前方的巖溶，事先制定穿越巖溶洞穴的應(yīng)急方案，對(duì)隧道溶洞進(jìn)行加固，避免突泥、突水。②在施工期間，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)溶洞部位的監(jiān)測(cè)和測(cè)量，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)在初期支護(hù)后方進(jìn)行注漿加固，使巖溶得到穩(wěn)固。