隧道穿越全填充型溶洞開挖及支護施工技術(shù)

李海濤

(中國建筑第八工程局有限公司 上海市 200112)

0 引言

隧道是指在巖土體內(nèi)開挖形成的用作地下通道的地下建筑結(jié)構(gòu)物。巖溶(又稱喀斯特)是地下水對可溶性巖石長期化學(xué)溶蝕形成的，將處于此類地質(zhì)條件下的隧道稱為巖溶隧道。

我國巖溶主要分布在西南地區(qū)，隨著近年來我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，在西南偏遠地區(qū)的鐵路、公路的建設(shè)規(guī)模越來越大，巖溶隧道的建設(shè)數(shù)量也越來越多，在眾多巖溶地質(zhì)中，由于填充型溶洞充填介質(zhì)滲流失穩(wěn)，引起巖溶隧道突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，因此填充型溶洞是隧道最不利的地質(zhì)之一。國內(nèi)許多學(xué)者對溶洞進行研究，蔣良文等[1]依托圓梁山隧道項目，得出大型溶洞是由于巖溶地下水在褶曲內(nèi)部的流動以及虹吸作用下先形成管道，后經(jīng)長期沖刷形成的。閻長虹等[2]通過貴州普定區(qū)域大量的野外地勘數(shù)據(jù)，得出地下水在斷層裂縫中便于巖溶的形成。李術(shù)才等[3]依據(jù)斷裂力學(xué)理論，得出了巖體的安全厚度，建立由圍巖擾動區(qū)與開挖破壞區(qū)組成的最小安全厚度分析方法。另外一些學(xué)者對于由溶洞引起的隧道穩(wěn)定性問題進行分析，趙明階等[4]通過數(shù)值模擬和模型試驗相比較，分析得出由巖溶引起隧道周圍巖體的變形主要發(fā)生在開挖瞬間。吳夢軍、代永文、譚代明等[5-7]利用數(shù)值軟件對巖溶位于隧道不同位置對隧道施工穩(wěn)定性進行研究。金美海等[8]基于Mathematica編程模擬溶洞不同位置、不同巖溶水壓對襯砌結(jié)構(gòu)的受力進行分析。宋戰(zhàn)平[9]對西南地區(qū)大量巖溶隧道的整理，建立了“空場”模型和“溶蝕”模型，研究溶洞對隧道襯砌穩(wěn)定性。劉揚等[10]通過數(shù)值和回歸分析相結(jié)合的方法對盾構(gòu)隧道和下伏溶洞間的最小安全厚度進行研究。房忠棟等[11]利用COMSOL軟件對隧道前方承壓溶洞與隧道的隔水巖體厚度進行研究。

以上學(xué)者的研究，主要是通過數(shù)值模擬或者試驗方法對巖溶隧道進行研究，很少有學(xué)者進行工法方面的研究，本文依托貴州大用隧道項目，進行填充型溶洞開挖及支護施工工法的研究，得出隧道穿越充填型溶洞的施工方案。

1 工程概況

1.1 溶洞概況

通過地勘資料得知，DK38+363～DK38+265段隧道穿越全填充型溶洞，隧道洞周6～28m為灰、黃、黑色淤泥質(zhì)黏土、腐殖土。隧頂以上20～26m為充填軟黏土的溶洞，接近地表為空溶腔，空腔深度約25m；同時隧底發(fā)育串珠狀溶洞，深度約50m。隧道左側(cè)邊墻外溶洞發(fā)育最寬26m，右側(cè)邊墻外溶洞發(fā)育最寬1238m。隧底補堪芯樣的巖石強度大部分在35.9～63.7MPa之間，最高可達106.8MPa。洞身穿越溶洞段落地表有一尺寸大小約為25m(長)×15m(寬)×35m(深)的溶坑，溶坑位于隧道正線里程DK38+330～DK38+305段正上方，隧底以下溶洞充填物為黑色、褐黃色軟塑狀黏土。雨季洞內(nèi)涌水量較大，補給水源為地表水。如圖1所示。

圖1 巖溶位置示意圖

1.2 施工重難點分析

(1)工程地質(zhì)復(fù)雜。大用隧道穿越充填型溶洞，隧道周圍充滿軟粘土溶腔，隧道底部具有大量串珠型空腔溶洞，對隧道開挖過程圍巖穩(wěn)定性有較大的影響，由于工期時間短，對隧道施工的處理方案有較高的要求。

(2)開挖斷面大。隧道Ⅴ級圍巖Ⅴc型復(fù)合式襯砌斷面最大開挖跨度達14.45m，最大開挖高度達12.91 m，最大開挖面積為148.65m2，為超大斷面隧道。

(3)施工難度高。在施工過程中多次發(fā)生突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，掌子面開挖時多次坍塌，初期支護也發(fā)生開裂，影響隧道施工的安全。

2 充填型巖溶隧道施工技術(shù)

2.1 巖溶段加固技術(shù)

大用隧道橫穿六枝向斜核部，巖溶強烈發(fā)育，隧道DK38+345～DK38+270段穿越全填充型溶洞。由于溶洞形態(tài)具有不規(guī)則性，通過比較不同超前地質(zhì)預(yù)報的優(yōu)缺點，提出合理的地質(zhì)預(yù)報方法來確定巖溶范圍和富水情況。根據(jù)地勘結(jié)果，為了隧道巖溶段施工安全并保證工后的正常運營，提出隧道三臺階開挖“樁筏”結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，基于“樁筏”結(jié)構(gòu)，合理確定筏板段長度和厚度、樁基間距和長度、旋噴樁尺寸等處治措施參數(shù)。由于采用綜合處治的施工方案，隧道施工工序繁瑣，提出一套合理的監(jiān)測方案來確保施工處治措施(樁基、筏板、旋噴樁、錨索等)達到設(shè)計的要求，保證施工質(zhì)量。巖溶加固處理如圖2所示，施工流程如圖3所示。

圖2 巖溶處理加固示意圖

圖3 施工流程

2.2 施工中重點

2.2.1旋噴樁施工

大用隧道施工中在中臺階、下臺階采用旋噴樁進行支護，旋噴樁施工順序為：鉆機就位→鉆孔及清孔→下注漿管→制漿→高壓旋噴注漿→沖洗機器。旋噴樁參數(shù)如表1所示。

施工中應(yīng)注意以下一些問題：

(1)旋噴注漿時應(yīng)由下而上施工，在施工過程中嚴格控制注漿參數(shù)和鉆桿參數(shù)。旋噴注漿時，應(yīng)先在孔底噴射1min，當(dāng)壓力達到設(shè)計要求時，邊旋噴邊提升。若施工過程中發(fā)生機械問題，鉆桿位置靜止不動，立刻查找問題，解決后繼續(xù)施工。

表1 旋噴參數(shù)

(2)再旋噴樁施工過程中，應(yīng)嚴控控制漿液溢出量，按設(shè)計要求，漿液溢出應(yīng)低于注漿的20%，若超過或沒有溢出應(yīng)查出原因，同時采用應(yīng)對的措施。

(3)考慮到旋噴工作以及機器位置所占用的施工區(qū)域，應(yīng)采取間隔施工，前后施工的兩根樁，距離應(yīng)在2～4 m，前后施工間隔48h。

2.2.2錨索施工

本隧道在DK38+330～DK38+285采用錨索施工，錨索施工順序：測量放線→整平初支面→鉆機就位調(diào)整角度→鉆孔及清孔→安裝墊板、錨索、錨具、注漿管及排氣管→注漿→張拉鎖定→封錨。施工參數(shù)如表2所示，錨索布置圖如圖4所示。

表2 錨索施工參數(shù)

在錨索施工過程重點：

(1)鉆孔是錨索施工中最重要的工序，為滿足設(shè)計要求和工期要求，鉆孔時采用風(fēng)動轉(zhuǎn)進，嚴禁水動鉆進。在鉆進時，按設(shè)計要求的長度將鉆孔用的鉆桿依次放置，鉆桿耗盡，深度剛好達到設(shè)計要求，鉆孔工作結(jié)束后用清水沖洗鉆桿及鉆機。鉆孔后用高壓風(fēng)沖洗孔道。

圖4 錨索布置示意圖

(2)錨索制作時，必須采用機械進行切割。鋼絞線不能焊接，必須放置整齊，線與線不得交叉，不得擰在一起。有損傷的嚴禁使用，自由段鋼絞線應(yīng)套上PVC套管，裝好套管后依次裝入錨索孔，自由段套管兩端1 m內(nèi)用黃油填充，套管端頭用膠布包裹。由于本隧道錨索水平設(shè)置，故排氣管應(yīng)從孔口往里伸入錨索孔1 m，安置在孔壁高端。錨索結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.3袖閥管施工

袖閥管注漿采用探灌結(jié)合的方法施工，袖閥管參數(shù)見表3，施工順序如圖6所示。

圖5 錨索結(jié)構(gòu)細部示意圖

表3 袖閥管參數(shù)

圖6 袖閥管注漿施工工藝流程圖

施工中應(yīng)注意以下問題：

鉆孔達到設(shè)計深度清孔后，自下而上灌注套殼料，套殼料采用膨潤土水泥漿，膨潤土∶水泥∶水=1.5∶2∶2。套殼料主要用于封閉袖閥管與孔壁的空隙，防止在注漿時導(dǎo)致漿液滲出。施工中應(yīng)利用鋼制袖閥樁鉆孔進一步探明溶洞位置及其邊界等，當(dāng)與設(shè)計要求不同時，應(yīng)立刻處理，確保施工安全，在注漿過程中發(fā)現(xiàn)注漿量超過設(shè)計但注漿壓力沒有提高時，應(yīng)調(diào)整注漿工藝，間歇注漿，并及時報告相關(guān)單位，以便處理。具體施工要求如下：孔距1 m×1 m，梅花型布置，孔深已深入最下部串珠狀溶洞底基巖不小于1 m，鉆孔直徑采用Φ130，套管采用Φ146。

2.2.4徑向注漿施工

本隧道在DK38+345～DK38+290使用徑向注漿，徑向注漿施工順序為：測量放點→打孔→清孔→裝管→埋設(shè)監(jiān)測片→注漿。徑向注漿參數(shù)如表4所示。

表4 徑向注漿參數(shù)

施工時應(yīng)注意以下幾點：

注漿采用隔孔注漿，嚴禁緊鄰注漿以防串漿。注漿順序為從低到高，從下往上，先灌注拱腳、拱腰，最后注漿隧道拱頂。注漿采用水灰比0.8∶1的水泥漿液。注漿壓力0.5～1MPa。注漿過程中若周邊出現(xiàn)滲漏漿串漿，則停3～5min后接著注，直至注不進去為止。若一開始注漿便漏漿，則用水泥+水玻璃雙液漿注3～5min堵住滲漏點后繼續(xù)注，直至注漿壓力達到設(shè)計壓力。同時在注漿過程中應(yīng)實時監(jiān)測，若注漿時注漿孔附近出現(xiàn)突然的變形擴大或累計變形值超過隧道初支警戒值則需停止注漿，分析原因，解決處理并調(diào)整注漿參數(shù)后方可繼續(xù)進行注漿作業(yè)。

3 結(jié)論

依托安六鐵路大用隧道工程，探討隧道穿越全充填型溶洞時的施工方法，通過現(xiàn)場的勘察資料，以及施工情況，最終采取隧道三臺階開挖“樁筏”結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過研究旋噴樁、袖閥管、徑向注漿這三個施工重點，主要解決了隧道施工過程中的掌子面穩(wěn)定性、初期支護開裂問題，使三臺階開挖“樁筏”結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，最大限度地保證施工速度，以及施工的安全性，也能提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。