隧道施工中特大型溶洞處治技術(shù)研究

張全峰，王松青，徐 穎，楊 明，汪海波，楊謝生，張 藝

(1. 中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司城市交通建設(shè)分公司，安徽 合肥 230000；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

我國巖溶地區(qū)分布面積十分廣闊，且主要集中在西南部云、貴、桂和川、鄂、湘部分地區(qū)[1]。巖溶作為一種特殊的地質(zhì)，給地下工程施工帶來諸多難題，尤其是特大型溶洞更甚。隨著巖溶地區(qū)地鐵大規(guī)模的興建，區(qū)間隧道施工過程中遇到特大型溶洞機(jī)率會(huì)越來越大。而在特大型溶洞區(qū)域施工隧道，極易遭遇突水突泥災(zāi)害，甚至還會(huì)發(fā)生坍塌事故；加之溶洞自身的復(fù)雜性、差異性以及高風(fēng)險(xiǎn)性，致使在巖溶區(qū)域隧道施工時(shí)將面臨著特大型溶洞的復(fù)雜處治問題[2-3]748。

溶洞大小、空間分布與充填狀態(tài)既影響隧道施工安全與工后穩(wěn)定，又在一定程度上限制了處治方法的選擇；同時(shí)隧道用途、施工方法及埋深和所處環(huán)境也在一定程度上影響溶洞處治方法的選擇。目前，諸多專家、學(xué)者及工程技術(shù)人員對隧道大型及特大型溶洞處治做了大量的研究工作，也取得了很多成果。文獻(xiàn)[4]采用洞內(nèi)超前注漿和大管棚超前支護(hù)對公路隧道大型溶洞進(jìn)行處治；文獻(xiàn)[5]利用地面注漿和自進(jìn)式錨桿及小導(dǎo)管超前支護(hù)對公路隧道大型充填溶洞進(jìn)行處治；文獻(xiàn)[6]采用旋噴樁加固對公路隧道大型充填溶洞進(jìn)行處治；文獻(xiàn)[7-8]采用大管棚超前支護(hù)、小導(dǎo)管徑向注漿以及鋼管樁支撐拱墻和旋噴樁加固對公路隧道深埋大型充填型溶洞進(jìn)行綜合處治；文獻(xiàn)[9]采用洞渣、級配碎石和片石混凝土對公路隧道底部大型溶洞進(jìn)行回填處治；文獻(xiàn)[10-11]分別采用樁基托梁方式跨越鐵路和公路隧道大型溶洞；文獻(xiàn)[12-13]采用橋梁方式跨越公路隧道大型溶洞；文獻(xiàn)[14]采用橋、托梁和襯砌共同跨越公路隧道大型溶洞；文獻(xiàn)[3]750-751和文獻(xiàn)[15]采用洞渣回填和樁基托梁、混凝土擋墻以及拱形防護(hù)對公路隧道特大型溶洞進(jìn)行綜合處治；文獻(xiàn)[16]采用大體積空心混凝土回填處理鐵路隧道特大型溶洞；文獻(xiàn)[17-19]在宜萬鐵路修建中，采用迂回繞行、洞渣回填、樁基承臺(tái)跨越及立柱支頂防護(hù)等綜合方法對所遇大型溶洞進(jìn)行處治?，F(xiàn)有的研究主要針對公路和鐵路隧道大型或特大型溶洞，而對地鐵隧道相關(guān)研究甚少。因巖溶地質(zhì)地域性較強(qiáng)，所以國內(nèi)對于巖溶處理技術(shù)總結(jié)也多基于各地區(qū)具體地質(zhì)條件，且地鐵隧道又不同于公路或鐵路隧道，其多沿城市道路修建，遇見大型溶洞基本不能迂回繞行。目前，雖有對武漢地鐵隧道溶洞處治方面的研究[20]，但主要針對中小型溶洞，且處治方案過于粗略，現(xiàn)場可操作性不強(qiáng)。因此，迫切需要開展武漢地鐵礦山法隧道大型或特大型溶洞處治技術(shù)研究。

本文以武漢地鐵27號線礦山法隧道特大型溶洞為研究對象，綜合考慮溶洞空腔輪廓與隧道穿越溶洞的位置，采用地面注漿和洞內(nèi)大管棚、小導(dǎo)管超前支護(hù)以及工作面超前注漿加固對特大型溶洞進(jìn)行綜合處治，以保證地鐵隧道施工的安全性。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢地鐵27號線礦山法隧道主要包括紙-地區(qū)間和出入場線區(qū)間暗挖段，隧道全長7 179.4m(含雙線)，其中紙-地區(qū)間全長5 313.6m，出入場線區(qū)間暗挖段全長1 865.8m。隧道埋深5.7～119.6m，掘進(jìn)斷面37.4～152.3m2，其中單洞單線最大斷面(寬×高)為7.074m×7.962m，單洞雙線最大斷面(寬×高)為16.5m×11.459m。礦山法區(qū)間隧道位于沌口江夏石灰?guī)r條帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育；根據(jù)地勘資料，隧道主要穿越中風(fēng)化灰?guī)r地層段，局部位于紅黏土之中，巖溶較為發(fā)育。巖溶對區(qū)間隧道工程影響很大，在采用礦山法施工時(shí)易發(fā)生頂板冒落、地基塌陷以及突水、突泥等災(zāi)害事故，嚴(yán)重影響隧道施工和運(yùn)營安全。

出入場線區(qū)間和紙-地區(qū)間均自紙坊大街站南端向南敷設(shè)，其中出入場線區(qū)間位于紙-地區(qū)間左、右線之間，與左、右線凈間距(凈巖柱)為1.4m。特大型溶洞位于文化大道與紙坊大街道路交叉口，而文化大道、紙坊大街均為市區(qū)主干道，交通繁忙，且溶洞南部附近為高層建筑和幼兒園。顯然，若對該特大型溶洞未進(jìn)行處理或處理不當(dāng)，不但會(huì)影響施工及車輛運(yùn)行和周圍建筑物的安全，而且還將為后期列車運(yùn)行埋下安全隱患。

紙坊大街站南端頭礦山法隧道及周圍建(構(gòu))物位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 特大型溶洞發(fā)育情況

初步詳勘資料顯示紙坊大街站南端頭附近存在大型溶洞，隧道施工前對其進(jìn)行補(bǔ)勘，隨后又進(jìn)行施工鉆孔驗(yàn)證，綜合資料最終確認(rèn)該溶洞為特大型溶洞。根據(jù)初詳勘資料、補(bǔ)勘鉆探及施工驗(yàn)證鉆孔揭露情況，該特大型溶洞位于紙坊大街站南端頭10m，在平面上呈近東西向展布，縱長約33.9m，橫寬2.0～34.6m，溶洞鉛直高度0.80～17.75m，總方量約1 380m3。出入場線區(qū)間隧道和紙-地區(qū)間右線隧道均穿越該特大型溶洞，其中出入場線部分隧道及其右下側(cè)墻體位于溶洞內(nèi)，紙-地區(qū)間右線部分隧道及左側(cè)墻體和底板均位于溶洞內(nèi)，溶洞底板距右線隧道底板11.3m，溶洞右邊界距右線隧道右邊墻19.1m。溶洞部分頂板為紅黏土，其充填物以全充填軟塑狀黏性土夾少量碎石、角礫為主；由于施工驗(yàn)證鉆孔施工影響，造成ZD-BK4揭露的中部溶洞為半充填；且施工驗(yàn)證鉆孔揭露的溶洞充填物描述與補(bǔ)勘鉆孔揭露溶洞充填情況差異較大。溶洞與隧道位置關(guān)系如圖2所示。

(a)溶洞與隧道位置關(guān)系平面圖

(b)溶洞與隧道位置關(guān)系剖面圖圖2 溶洞空腔與隧道位置關(guān)系示意圖

2 工程特點(diǎn)及存在的技術(shù)難題

2.1 隧道穿越溶洞的特點(diǎn)

隧道所穿越的特大型溶洞具有以下特點(diǎn)：1)該溶洞為軟塑狀黏性土全充填型溶洞，溶洞空腔沿隧道軸向分布較廣、橫向分布不均且縱向高差懸殊大，整體偏向出入場線隧道結(jié)構(gòu)右下部和紙-地區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)下部及右下部；2)溶洞頂?shù)装搴瓦厜喞尸F(xiàn)不規(guī)則分布，其斷面主要侵入出入場線隧道和隧道紙-地區(qū)間右線隧道，尤其是紙-地區(qū)間右線隧道，其中下部均位于溶洞之內(nèi)，部分?jǐn)嗝嫒芏吹装宓陀谒淼赖装?～11m；3)隧道頂板為紅黏土且周邊圍巖裂隙發(fā)育且局部風(fēng)化，施工過程中可能存在掉塊和整體坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；4)溶洞內(nèi)及其上方軟-可塑性紅黏土在巖溶地下水升降潛蝕、吸蝕作用或人為因素作用下，形成土洞的可能性較大，不排除產(chǎn)生地面塌陷的可能性。

2.2 隧道穿越溶洞存在的技術(shù)難題

礦山法隧道穿越特大型溶洞是該工程處治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因溶洞為全充填型溶洞，且空腔分布范圍廣、局部較深，實(shí)際處治時(shí)將面臨溶洞空腔處治難點(diǎn)大、施工作業(yè)空間受限、處治方法選擇受限等技術(shù)難題，具體有：1)隧道覆巖由紅黏土和紅黏土夾碎石組成，穩(wěn)定性較差，加之隧道采用礦山法施工，因此爆破時(shí)巖體易發(fā)生松動(dòng)甚至在自重作用下向下塌落，給隧道施工、乃至后期運(yùn)行埋下安全隱患；2)溶洞為全充填型溶洞，其頂板位于隧道中下部，且下部溶腔較深，造成一定高度范圍內(nèi)大型施工機(jī)械無法進(jìn)場，使得采用橋梁跨越方式處治溶洞存在極大困難；3)隧道穿越溶洞溶腔面積太大且部分區(qū)域下部溶腔較深，因此不宜采用挖除回填的方式對溶洞空腔進(jìn)行處治；同時(shí)溶洞橫向斷面較大，僅靠隧洞內(nèi)超前注漿加固處理溶洞，處理難度大且處理范圍有限；4)出入場線隧道及紙-地區(qū)間右線隧道周邊臨空范圍大小不一，即便是同一隧道軸線上臨空范圍也不盡相同，所以存在偏壓現(xiàn)象，致使隧洞爆破時(shí)易受偏壓影響，將會(huì)對其圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)；5)出入場線隧道斷面較大，且出入場線隧道與紙-地區(qū)間左、右線隧道距離很近，隧洞爆破開挖將會(huì)對附近隧道結(jié)構(gòu)和溶洞洞壁造成影響，同時(shí)溶洞上方為城市主干道，車流量較大，也對其產(chǎn)生一定的影響，因此若溶洞未進(jìn)行預(yù)先處治或處治不到位，可能引起隧洞和溶洞的坍塌。

3 溶洞處治技術(shù)

3.1 溶洞處治原則

礦山法區(qū)間隧道巖溶處理應(yīng)遵循“先預(yù)報(bào)、再驗(yàn)證處治、后施工”的總體處治原則，對影響施工安全和影響后期運(yùn)營的溶洞必須處治?，F(xiàn)場巖溶處治應(yīng)充分考慮地面處治和隧道洞內(nèi)處治相結(jié)合的措施，同時(shí)在洞內(nèi)預(yù)留處治措施作為后期輔助處治的手段，防止隧道施工過程中發(fā)生突水突泥、地表沉降異常甚至坍塌等安全事故，并滿足運(yùn)營安全要求。

3.2 溶洞處治范圍

參考國內(nèi)特別是武漢地鐵既有線路已實(shí)施類似工程巖溶處治經(jīng)驗(yàn)，并經(jīng)專家論證，按照地鐵隧道結(jié)構(gòu)底板以下完整基巖厚度不小于6m、地鐵結(jié)構(gòu)輪廓線外5m范圍確定為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)隧道周圍巖溶地質(zhì)條件對工程施工和后期運(yùn)營影響程度，以及隧道穿越區(qū)域巖溶地下水流動(dòng)情況，對高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的溶洞進(jìn)行處治，對高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的物探異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證并處治。綜合以上各因素，確定本次溶洞的處治范圍：平面為已探明的溶洞平面位置至紙-地區(qū)間右線隧道邊線外6m，深度至溶洞底部不小于0.5m，溶洞上方整個(gè)軟-可塑紅黏土(13-2b)地層。

3.3 溶洞處治方案

1)總體處治思路?？紤]到該特大型溶洞上部地面較為平坦、無地表建筑物，因此溶洞處治時(shí)以地面處治為主；同時(shí)地面鉆孔數(shù)量有限，探測范圍難以包絡(luò)溶洞所有發(fā)育區(qū)，所以必要時(shí)輔以洞內(nèi)處治。因溶洞以全充填軟塑黏性土夾少量碎石、角礫為主，結(jié)合武漢地鐵既有線路已施工類似特大型溶洞處治經(jīng)驗(yàn)，洞外采用地面鉆孔劈裂注漿方法，對溶洞頂部的紅黏土(13-2b)及溶洞內(nèi)的全充填物進(jìn)行劈裂、擠壓注漿；洞內(nèi)采用大管棚、小導(dǎo)管超前支護(hù)并配合超前注漿加固措施。

2)地面處治方案。在對特大型溶洞注漿加固前，應(yīng)采用鉆孔方法對溶洞邊界和深度進(jìn)行詳細(xì)探測。以發(fā)現(xiàn)溶洞鉆孔為基準(zhǔn)，向四周進(jìn)行加密鉆孔布置。加密鉆孔采用梅花形布設(shè)，間距為2.0m×2.0m，同時(shí)加密鉆孔兼作后期注漿孔。現(xiàn)場具體實(shí)施時(shí)，首先采用φ110mm鉆頭一次鉆進(jìn)至溶洞處理區(qū)底部以下不小于1.0m。接著下放注漿管，注漿管采用φ50mm、壁厚4mm的PVC套管，套管進(jìn)入溶洞底部以下部分應(yīng)不小于0.5m，注漿段管壁上鉆有φ10mm@200mm花眼作為出漿孔；注漿管與周圍巖體采用壁外注漿加固，漿液可選用42.5水泥漿液，也可根據(jù)現(xiàn)場情況選用水泥+水玻璃雙液漿，但套管安裝完成后的耐壓力應(yīng)不小于最大注漿壓力的1.5倍。然后對溶洞進(jìn)行注漿加固，注漿時(shí)先周邊注漿，再內(nèi)部注漿；漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，注漿壓力按2.5～3.0MPa，注漿前應(yīng)進(jìn)行注漿試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況修訂注漿參數(shù)。最后進(jìn)行注漿孔的封堵，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓或注漿量已達(dá)到計(jì)算值的80%以上，則說明單孔注漿結(jié)束，即可進(jìn)行封孔；當(dāng)所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件、且無漏漿，則整個(gè)地面注漿結(jié)束。

整個(gè)地面注漿結(jié)束后采用物探高密度電法結(jié)合地質(zhì)鉆孔對注漿區(qū)域進(jìn)行檢測，鑒定注漿加固效果。經(jīng)檢測注漿加固效果滿足設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行洞內(nèi)溶洞處治和隧道施工。地面溶洞處治注漿管布置如圖3所示。

圖3 地面溶洞處治鉆孔布置示意圖(單位：m)

3)洞內(nèi)處治方案。因溶洞上方為紅黏土，穩(wěn)定性較差，所以礦山法隧道穿越該溶洞區(qū)域均采用大管棚和小導(dǎo)管超前支護(hù)；隧道開挖前對掌子面和邊墻進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，必要時(shí)對敏感區(qū)域進(jìn)行超前鉆孔或徑向鉆孔驗(yàn)證，若需要須對其進(jìn)行超前注漿加固；同時(shí)對隧道穿越溶洞區(qū)域進(jìn)行鋼格柵加密支護(hù)?，F(xiàn)場可按以下步驟進(jìn)行處治。

①若超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測出前方溶洞處治不徹底或水壓較大、圍巖較為破碎時(shí)，先對掌子面進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿施作止水墻，后進(jìn)行全斷面帷幕注漿加固，確保工作面穩(wěn)定。

②考慮到溶洞影響兩隧道斷面形狀，分別在出入場線和紙-地區(qū)間隧道拱部150°、120°范圍內(nèi)施作超前大管棚和小導(dǎo)管，大管棚采用φ108mm熱軋鋼管，壁厚6mm，長度為15m，環(huán)向間距為0.4m，縱向間距為10m，外扎角度為2°；超前小導(dǎo)管采用φ42mm熱軋無縫鋼花管，壁厚為3.5mm，長度為3.5m，環(huán)向間距為0.4m，縱向間距為2.5m，外扎角度為7°。大管棚和小導(dǎo)管交錯(cuò)布設(shè)，與型鋼拱架一起組成“棚架”超前支護(hù)體系。

③根據(jù)需要對工作面前方溶洞待處理區(qū)域進(jìn)行超前注漿加固，現(xiàn)場實(shí)施時(shí)利用已施作的超前小導(dǎo)管或另增注漿錨管，加固范圍視溶洞充填體裂隙發(fā)育情況而定，注漿順序?yàn)橄戎苓叀⒃賰?nèi)部，漿液采用水泥+水玻璃雙液漿。此外，對于邊墻部位的需處理溶洞區(qū)域，待隧道二襯完成后，采用預(yù)埋注漿管徑向注漿加固處治。

④對溶洞處治區(qū)域及其前后5m內(nèi)隧道進(jìn)行鋼格柵加密支護(hù)，鋼格柵間距由原1.2m/榀加密至0.5m/榀；同時(shí)待隧道初支完成后施作邊墻φ25mm中空注漿錨桿，壁厚3mm，長度3.5m，環(huán)向間距為1.0m，縱向間距為0.5m，采用交錯(cuò)布置。洞內(nèi)溶洞處治示意圖如圖4所示。

圖4 洞內(nèi)溶洞處治示意圖(單位：mm)

4 溶洞處治效果

為確保溶洞處治質(zhì)量，地面及洞內(nèi)溶洞處治結(jié)束后，首先進(jìn)行鉆孔取芯檢測，若發(fā)現(xiàn)溶洞處治不符合設(shè)計(jì)要求立即進(jìn)行補(bǔ)處理。當(dāng)溶洞處治完畢后，對溶洞注漿區(qū)域按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鉆芯取樣，鉆孔取芯后做抗壓試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，注漿固結(jié)體28d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均≥0.2MPa，如表1所示；注漿處理后的巖溶發(fā)育區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)掃描分辨率較高，受干擾小，未發(fā)現(xiàn)有明顯成規(guī)模的巖溶體，亦未發(fā)現(xiàn)其他明顯的地質(zhì)異常體。開挖后的掌子面無明顯滴水、滲水，由于漿液與圍巖固結(jié)，使得圍巖的穩(wěn)定性得到明顯改善。

表1 巖芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果

溶洞最終處治效果符合設(shè)計(jì)要求，取芯檢測結(jié)果全部合格。此外，經(jīng)過地面及洞內(nèi)綜合處治后，礦山法隧道順利通過該特大型溶洞，且長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道圍巖穩(wěn)定，溶洞影響區(qū)域隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)無明顯的滲水問題，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文對武漢地鐵礦山法隧道特大型溶洞進(jìn)行了處治研究，主要結(jié)論如下：

(1)礦山法地鐵隧道所遇特大型全充填溶洞具有溶腔大、軸向分布廣、橫向分布不均、縱向高差懸殊大、輪廓線分布不規(guī)則等特點(diǎn)，給隧道施工和后期運(yùn)營帶來了很大困難，是該工程處治的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

(2)針對該特大型溶洞特點(diǎn)和相關(guān)處治難點(diǎn)情況，確立了“地面注漿和洞內(nèi)大管棚、小導(dǎo)管超前支護(hù)，以及工作面超前注漿加固和加密鋼格柵支護(hù)” 的綜合處治方案，成功的解決了隧道穿越區(qū)域溶洞處治問題，為今后類似工程提供有效參考。

(3)對于地鐵隧道特大型全充填溶洞，不宜采用橋梁跨越、挖除回填和迂回繞行等處治方案，應(yīng)采用地面注漿并輔以洞內(nèi)超前支護(hù)和注漿加固綜合處治方案。

(4)溶洞處治前應(yīng)加強(qiáng)溶洞探測，精準(zhǔn)掌握溶洞發(fā)育情況；溶洞處理后，應(yīng)進(jìn)行鉆孔取芯等綜合檢測，確保溶洞處治效果；隧道施工時(shí)，加強(qiáng)隧道洞內(nèi)、外的監(jiān)測，確保隧道變形和地面沉降可控。