隧道巖溶施工處理技術

林振華

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

1 項目概況

云桂鐵路項目沿線石灰?guī)r分布廣泛，地表溶蝕洼地特征明顯，云桂鐵路站前三標一分部管段內在小寨隧道（進口至橫洞段）、高坡隧道（出口段）、沙梨樹隧道、董那孟1#隧道、董那孟2#隧道及廣南1#隧道等6座隧道施工過程中多次出現(xiàn)各種類型的溶洞，其中沙梨樹隧道及高坡隧道出口段尤為突出，沙梨樹隧道幾乎全隧遍布溶洞。

全線發(fā)現(xiàn)較大溶洞并處理共計67次，其中5次為大型或特大型溶洞。隧道開挖過程中發(fā)現(xiàn)的溶洞分為填充型和非填充型2種，分布部位包括拱部、邊墻、仰拱、全隧等情況，揭示后的溶洞規(guī)模不等，最大尺寸40 m，容量最大高達7 000 m3。

2 巖溶超前探測

溶洞的有效探測是處理的前提，云桂鐵路隧道采用以地質調查為基礎，綜合物探、鉆探的方式進行超前地質預報。物探有掌子面地質雷達及地震波探測，鉆探主要有超前水平鉆、加深炮孔、隧道周邊風槍探孔。

隧道掌子面前方巖溶情況主要是通過在超前水平鉆探或爆破鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)，通過鉆進速度、鉆水顏色以及是否涌水判斷巖溶的性質。

3 巖溶處理技術

3.1 鉆孔涌水的處理

當鉆孔發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)空腔或涌水等異常情況時，基本可以判定前方存在溶洞或溶蝕發(fā)育。在高坡隧道、小寨隧道等富水溶洞發(fā)育地段多次出現(xiàn)鉆孔涌水現(xiàn)象，主要采取了如下措施：

⑴ 立即停止施工，同時洞內實施預警；

⑵ 加強觀察，注意出水水量及顏色變化；

⑶ 必要時增加探孔數(shù)量，加快泄壓速度；［1］

⑷ 待水量明顯減小后開挖掘進。

等待水壓減小時間最長的是小寨隧道DK410+990～+995段溶洞處理，實測鉆孔初始涌水量達18 m3/h，直至約55 h后出水水量明顯減少、壓力消失，現(xiàn)場才恢復開挖施工。

3.2 拱部溶洞處理

本項目揭示處理的掌子面拱部溶洞共計42次。其中最小的溶洞口直徑及深度均小于1 m；最大的溶洞橫向寬度20 m以上，且拱頂空腔達20 m。揭示溶腔內填充情況不同，處理的方式也不盡相同，其中以董那孟1#隧道DK420+364～+336段拱部溶洞處理（非填充型）及高坡隧道DK957～+944段拱部溶洞處理（黏土填充型）最為典型。

3.2.1 董那孟1#隧道DK420+364～+336段拱部溶洞處理

2013年8月17日，董那孟1#隧道掌子面（DK420+364）爆破后揭示一處較大溶洞，如圖1所示。溶洞口位于掌子面左上方，縱向延伸長度約28 m，橫向寬度約20～25 m，溶洞基本為空溶洞，局部有碎土石，洞頂可見鐘乳石、石筍等巖溶形態(tài)。洞壁潮濕，巖體完整，自穩(wěn)性較好。

圖1 董那孟1#隧道DK420+364溶洞Fig.1 DK420+364 Karst Cave of Dongnameng 1#Tunnel

由于溶洞內無填充物，溶洞處理的主要對象是空腔，“混凝土護拱+緩沖層”是此次溶洞處理的基本方式，如圖2所示。［2，3］

圖2 DK420+336～364段溶洞處理典型斷面Fig.2 Typical Sections of DK420+336～364 Karst Cave Treatment

⑴ 加強支護：在對DK420+364處溶洞做進一步揭示和處理后，DK420+336～+364段拱墻采用I18型鋼鋼架加強支護，鋼架間距0.8 m/榀。鋼架外側鋪設竹排架，噴混凝土形成初期支護及下步作業(yè)時的防護棚架，棚架上間隔3～5 m預留一處開口，并預埋泵送混凝土管，如圖3所示。

圖3 初支預埋泵管Fig.3 Embedded Pumping Pipe in Primary Support

⑵ 溶洞回填：對襯砌背后的空溶洞，拱頂溶腔高度不足2 m地段采用C20混凝土回填密實，對拱部溶洞范圍較大地段，泵送混凝土回填至拱頂以上2 m，其上吹砂2 m厚形成緩沖層。

整個溶洞回填分2次進行。第1次回填在上臺階初支完成后：由于溶洞橫向寬度已大過隧道橫斷面寬度，上臺階兩側拱腳的鎖腳錨桿設置在空腔內，并未起到作用，如圖4所示。上臺階初支完成后，即開始第1次溶洞回填，使得鎖腳錨桿得以發(fā)揮功效，保證下臺階開挖過程初支鋼架的安全。第2次回填在下臺階初支完成后：整個拱墻初支完成后，對初支背后空腔泵送混凝土回填，泵送時注意控制速度，分層回填，避免回填過快導致初支垮塌。

圖4 鎖腳錨桿深入溶洞空腔內Fig.4 Feet-lock Bolt in the Cavern

⑶ 防排水措施：溶洞段襯砌背后的環(huán)向排水盲管加密至3 m/道。初支拱部設置緩沖層地段，利用吹砂孔設置獨立的排管于隧道側溝聯(lián)通。［4］

3.2.2 高坡隧道DK957～+944段拱部溶洞處理

2013年4月20日，高坡隧道出口掌子面（DK417+952）揭示出一半充填型溶腔，如圖5所示。溶腔占掌子面約1/2，充填物為軟塑狀黏土，主要集中在掌子面上臺階中下部，整個拱頂范圍皆為空溶洞，開挖輪廓線外往上可見高度約為20 m，橫向可見寬度約20 m，縱向長度約8 m，該溶洞往掌子面左側下方延伸，可能與地表聯(lián)通。溶腔壁為弱風化灰?guī)r，穩(wěn)定性較好，有過水痕跡。

圖5 高坡隧道DK417+952溶洞揭示情況Fig.5 Disclosure of Gaopo Tunnel DK417+952 Karst Cave

溶洞揭示2 h，溶腔內黏土充填物出現(xiàn)溜坍。為防止溶洞充填物進一步溜坍對初支造成影響，在揭示溶洞后的初期支護基礎上增設護拱保證初支安全，護拱內嵌入I18型鋼，如圖6所示。并用洞渣對溶洞段上臺階進行回填，形成作業(yè)平臺，如圖7所示。反壓長度8 m（上臺階高度6 m，如此形成的坡度有利于施工）。［5］

圖6 增設護拱Fig.6 Increases Armor Arch

圖7 反壓回填示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Back Pressure Backfilling

溶腔拱部設置φ60中管棚進行超前注漿，固結溜坍溶洞填充物，管棚環(huán)向間距0.4 m，單根長8 m（覆蓋整個溶洞）。待注漿加固完成后，清除溜坍物、進行初支作業(yè)，溶洞段初支采用I20型鋼鋼架加強支護，1.0 m/榀，逐榀施作，初支拱部預留回填、吹砂孔。初支完成后，對初支背后泵送混凝土及吹砂。［6，7］

3.3 仰拱以下溶洞處理

揭示的仰拱以下溶洞共10次，均為空溶洞，且小型溶洞占多數(shù)，其處理方式較簡單（混凝土回填密實即可）。在處理的仰拱下大型溶洞中最有代表性的是沙梨樹隧道DK419+553～+566仰拱溶洞處理及董那孟2#隧道DK420+728～+734段仰拱溶洞處理，其根據(jù)溶腔橫向跨度及深度的不同采取了不同的處理方式。

3.3.1 沙梨樹隧道DK419+553～+566段仰拱溶洞處理

2011年3月18日，在仰拱開挖時揭示一基底大型溶洞：DK419+557～+560右邊墻及基底揭示空溶腔，溶洞洞口開口于DK419+558右邊墻底部，向邊墻開挖輪廓線外發(fā)育，溶洞高1～5 m，寬1～12 m，垂直于線路向右邊墻開挖輪廓線外延伸，延伸長度約14 m。溶腔壁潮濕，分布有溶隙，充填黏土，有過水痕跡。DK419+553～+566段左線線路中線右側基底下方發(fā)育充填溶洞，呈橢球形已透鏡體展布，充填物為軟塑～硬塑狀黏土。

從溶洞處理的經(jīng)濟性考慮，對DK419+553～+566段基底溶洞采用樁基托梁進行跨越處理：于DK419+560、DK419+564右側邊墻墻底設置1#、2#支頂樁，支頂樁基礎嵌入基巖深度不小于1 m，并與樁心里程處設置縱向托梁及1#、2#橫梁，沿線路前進方向，橫梁右端與托梁搭接，左端至于基巖上，如圖8所示。［8］

3.3.2 董那孟2#隧道DK420+728～+734段仰拱溶洞處理

2013年10月2日，董那孟2#隧道掌子面（DK420+728）左側揭示一非填充型溶洞，向下延伸約30 m，向上延伸至地表，高度約10 m，開挖輪廓線外寬7 m，在洞身范圍內寬約2 m，溶腔壁較光滑，無積水，如圖9所示。

圖8 DK419+553～+566段基底溶洞處理典型斷面Fig.8 Typical Section of DK419+553～+566 Basement Cave Treatment

圖9 董那孟2#隧道DK420+728溶洞Fig.9 DK420+728 Karst Cave of Dongnameng 2#Tunnel

此次揭示的溶洞口徑范圍不大，溶洞垂直發(fā)展較深，溶洞處理直接采用混凝土回填方式：對距離仰拱底往下2 m以下范圍采用C15片石混凝土回填，2 m范圍內采用C20混凝土回填。［9］

3.4 洞身穿過大型溶洞處理

廣南1#隧道DK422+130～+080段洞身穿過一填充溶洞，如圖10所示。此溶洞橫向截面遠大于隧道斷面，隧道基底以下最深達20 m，不同于其他溶腔內的黏土狀充填物，此溶腔內充填物已基本進化成巖，呈硬塑狀，本身具有一定的硬度，如圖11所示。

圖10 DK422+130～+080段縱斷面示意圖Fig.10 Profile Diagram of DK422+130～+080

此溶洞的特點是整個洞身初期支護須較長時間地置于溶洞充填物上，在仰拱基底得以充分處理前隧道變形較大，嚴重影響隧道安全。所以，初支沉降的控制是溶洞處理成敗的關鍵。

圖11 掌子面揭示的溶洞充填物情況Fig.11 Cave Flling Revealed by the Face

3.4.1 初期支護

DK422+130～+080段初支采用I20型鋼鋼架加強支護，鋼架設置50 cm預留沉降量，拱部φ60中管棚超前支護，三臺階七步作業(yè)法施工。

為了抑制初支沉降的發(fā)展，在初支內設置套拱，套拱內嵌入I18型鋼鋼架，套拱鋼架與初支鋼架一一對應。

拱墻初支及套拱施作完成后，及時施作仰拱、封閉成環(huán)，進一步控制沉降的發(fā)展。

3.4.2 旋噴樁加固基底

溶洞段仰拱施作完成后，以填充面作為旋噴樁施作平臺于隧底下方施作旋噴樁加固工程，如圖12所示，旋噴樁間距1 m×1 m，梅花形布置，樁徑d=60 cm，旋噴樁按進入基巖0.5 m控制。［10］

圖12 旋噴樁加固仰拱基底典型斷面Fig.12 Typical Section of Invert Base Strengthened by Jet Grouting Pile

4 結語

⑴ 以上所列的巖溶處理案例為具有代表意義的溶洞類型，實際操作中揭示小型、微型溶洞時可靈活處理，并不都需要采取特殊的處理措施，簡單清理后將溶洞回填密實即可。

⑵ 在對溶洞空腔回填混凝土過程中，須采取必要手段查看混凝土回填高度及流向情況，防止混凝土流入未探明的裂隙溶槽中，造成混凝土大量浪費。拱部溶洞回填可采用在拱部指定高度預埋鋼管，通過鋼管有無混凝土流出判定混凝土回填高度；仰拱下溶洞回填可通過拋石聽音、測繩及拋輕飄物看流向的方式判斷。

⑶當隧道洞身穿越溶洞段落距離進洞洞口較近時，在正式處理溶洞前，須確定二襯臺車進場計劃并及時進場拼裝，保證洞口段的二襯按時施作、縮短步距。如二襯臺車進場滯后，將會使現(xiàn)場的初支變形控制陷于被動，也會對溶洞處理效果及整個隧道的進度產(chǎn)生不可估量的影響。