隧道溶洞施工方法（隧道穿越全填充型溶洞开挖及支护施工技术）

隧道溶洞施工方法（隧道穿越全填充型溶洞开挖及支护施工技术）(2)开挖断面大。隧道Ⅴ级围岩Ⅴc型复合式衬砌断面最大开挖跨度达14.45m，最大开挖高度达12.91 m，最大开挖面积为148.65m2，为超大断面隧道。(1)工程地质复杂。大用隧道穿越充填型溶洞，隧道周围充满软粘土溶腔，隧道底部具有大量串珠型空腔溶洞，对隧道开挖过程围岩稳定性有较大的影响，由于工期时间短，对隧道施工的处理方案有较高的要求。以上学者的研究，主要是通过数值模拟或者试验方法对岩溶隧道进行研究，很少有学者进行工法方面的研究，本文依托贵州大用隧道项目，进行填充型溶洞开挖及支护施工工法的研究，得出隧道穿越充填型溶洞的施工方案。通过地勘资料得知，DK38 363～DK38 265段隧道穿越全填充型溶洞，隧道洞周6～28m为灰、黄、黑色淤泥质黏土、腐殖土。隧顶以上20～26m为充填软黏土的溶洞，接近地表为空溶腔，空腔深度约25m;同时隧底发育串珠状溶洞，深度约50m。隧道左侧边墙外溶洞

李海涛中国建筑第八工程局有限公司

摘 要：岩溶地质是隧道施工常见的不良地质，施工中容易引起突水、突泥等问题。以安六铁路大用隧道为背景，研究了隧道穿越全填充型溶洞的开挖方式及支护技术，提出了隧道三台阶开挖“桩筏”结构设计方案，通过对其中旋喷桩、袖阀管、径向注浆等技术的研究，最大限度地保证了施工速度，为后续类似岩溶区隧道建设施工提供了经验。

关键词：隧道;岩溶地质;溶洞;隧道施工;桩筏结构;

0 引言

隧道是指在岩土体内开挖形成的用作地下通道的地下建筑结构物。岩溶(又称喀斯特)是地下水对可溶性岩石长期化学溶蚀形成的，将处于此类地质条件下的隧道称为岩溶隧道。

我国岩溶主要分布在西南地区，随着近年来我国经济的快速发展，在西南偏远地区的铁路、公路的建设规模越来越大，岩溶隧道的建设数量也越来越多，在众多岩溶地质中，由于填充型溶洞充填介质渗流失稳，引起岩溶隧道突水突泥等地质灾害，因此填充型溶洞是隧道最不利的地质之一。国内许多学者对溶洞进行研究，蒋良文等[1]依托圆梁山隧道项目，得出大型溶洞是由于岩溶地下水在褶曲内部的流动以及虹吸作用下先形成管道，后经长期冲刷形成的。阎长虹等[2]通过贵州普定区域大量的野外地勘数据，得出地下水在断层裂缝中便于岩溶的形成。李术才等[3]依据断裂力学理论，得出了岩体的安全厚度，建立由围岩扰动区与开挖破坏区组成的最小安全厚度分析方法。另外一些学者对于由溶洞引起的隧道稳定性问题进行分析，赵明阶等[4]通过数值模拟和模型试验相比较，分析得出由岩溶引起隧道周围岩体的变形主要发生在开挖瞬间。吴梦军、代永文、谭代明等[5 6 7]利用数值软件对岩溶位于隧道不同位置对隧道施工稳定性进行研究。金美海等[8]基于Mathematica编程模拟溶洞不同位置、不同岩溶水压对衬砌结构的受力进行分析。宋战平[9]对西南地区大量岩溶隧道的整理，建立了“空场”模型和“溶蚀”模型，研究溶洞对隧道衬砌稳定性。刘扬等[10]通过数值和回归分析相结合的方法对盾构隧道和下伏溶洞间的最小安全厚度进行研究。房忠栋等[11]利用COMSOL软件对隧道前方承压溶洞与隧道的隔水岩体厚度进行研究。

以上学者的研究，主要是通过数值模拟或者试验方法对岩溶隧道进行研究，很少有学者进行工法方面的研究，本文依托贵州大用隧道项目，进行填充型溶洞开挖及支护施工工法的研究，得出隧道穿越充填型溶洞的施工方案。

1 工程概况1.1 溶洞概况

通过地勘资料得知，DK38 363～DK38 265段隧道穿越全填充型溶洞，隧道洞周6～28m为灰、黄、黑色淤泥质黏土、腐殖土。隧顶以上20～26m为充填软黏土的溶洞，接近地表为空溶腔，空腔深度约25m;同时隧底发育串珠状溶洞，深度约50m。隧道左侧边墙外溶洞发育最宽26m，右侧边墙外溶洞发育最宽1238m。隧底补堪芯样的岩石强度大部分在35.9～63.7MPa之间，最高可达106.8MPa。洞身穿越溶洞段落地表有一尺寸大小约为25m(长)×15m(宽)×35m(深)的溶坑，溶坑位于隧道正线里程DK38 330～DK38 305段正上方，隧底以下溶洞充填物为黑色、褐黄色软塑状黏土。雨季洞内涌水量较大，补给水源为地表水。如图1所示。

图1 岩溶位置示意图 下载原图

1.2 施工重难点分析

(1)工程地质复杂。大用隧道穿越充填型溶洞，隧道周围充满软粘土溶腔，隧道底部具有大量串珠型空腔溶洞，对隧道开挖过程围岩稳定性有较大的影响，由于工期时间短，对隧道施工的处理方案有较高的要求。

(2)开挖断面大。隧道Ⅴ级围岩Ⅴc型复合式衬砌断面最大开挖跨度达14.45m，最大开挖高度达12.91 m，最大开挖面积为148.65m2，为超大断面隧道。

(3)施工难度高。在施工过程中多次发生突水突泥等地质灾害，掌子面开挖时多次坍塌，初期支护也发生开裂，影响隧道施工的安全。

2 充填型岩溶隧道施工技术2.1 岩溶段加固技术

大用隧道横穿六枝向斜核部，岩溶强烈发育，隧道DK38 345～DK38 270段穿越全填充型溶洞。由于溶洞形态具有不规则性，通过比较不同超前地质预报的优缺点，提出合理的地质预报方法来确定岩溶范围和富水情况。根据地勘结果，为了隧道岩溶段施工安全并保证工后的正常运营，提出隧道三台阶开挖“桩筏”结构设计方案，基于“桩筏”结构，合理确定筏板段长度和厚度、桩基间距和长度、旋喷桩尺寸等处治措施参数。由于采用综合处治的施工方案，隧道施工工序繁琐，提出一套合理的监测方案来确保施工处治措施(桩基、筏板、旋喷桩、锚索等)达到设计的要求，保证施工质量。岩溶加固处理如图2所示，施工流程如图3所示。

图2 岩溶处理加固示意图 下载原图

图3 施工流程 下载原图

2.2 施工中重点2.2.1 旋喷桩施工

大用隧道施工中在中台阶、下台阶采用旋喷桩进行支护，旋喷桩施工顺序为:钻机就位→钻孔及清孔→下注浆管→制浆→高压旋喷注浆→冲洗机器。旋喷桩参数如表1所示。

施工中应注意以下一些问题:

(1)旋喷注浆时应由下而上施工，在施工过程中严格控制注浆参数和钻杆参数。旋喷注浆时，应先在孔底喷射1min，当压力达到设计要求时，边旋喷边提升。若施工过程中发生机械问题，钻杆位置静止不动，立刻查找问题，解决后继续施工。

表1 旋喷参数 下载原图

(2)再旋喷桩施工过程中，应严控控制浆液溢出量，按设计要求，浆液溢出应低于注浆的20%，若超过或没有溢出应查出原因，同时采用应对的措施。

(3)考虑到旋喷工作以及机器位置所占用的施工区域，应采取间隔施工，前后施工的两根桩，距离应在2～4 m，前后施工间隔48h。

2.2.2 锚索施工

本隧道在DK38 330～DK38 285采用锚索施工，锚索施工顺序:测量放线→整平初支面→钻机就位调整角度→钻孔及清孔→安装垫板、锚索、锚具、注浆管及排气管→注浆→张拉锁定→封锚。施工参数如表2所示，锚索布置图如图4所示。

表2 锚索施工参数 下载原图

在锚索施工过程重点:

(1)钻孔是锚索施工中最重要的工序，为满足设计要求和工期要求，钻孔时采用风动转进，严禁水动钻进。在钻进时，按设计要求的长度将钻孔用的钻杆依次放置，钻杆耗尽，深度刚好达到设计要求，钻孔工作结束后用清水冲洗钻杆及钻机。钻孔后用高压风冲洗孔道。

图4 锚索布置示意图 下载原图

(2)锚索制作时，必须采用机械进行切割。钢绞线不能焊接，必须放置整齐，线与线不得交叉，不得拧在一起。有损伤的严禁使用，自由段钢绞线应套上PVC套管，装好套管后依次装入锚索孔，自由段套管两端1 m内用黄油填充，套管端头用胶布包裹。由于本隧道锚索水平设置，故排气管应从孔口往里伸入锚索孔1 m，安置在孔壁高端。锚索结构如图5所示。

2.2.3 袖阀管施工

袖阀管注浆采用探灌结合的方法施工，袖阀管参数见表3，施工顺序如图6所示。

图5 锚索结构细部示意图 下载原图

表3 袖阀管参数 下载原图

施工中应注意以下问题:

钻孔达到设计深度清孔后，自下而上灌注套壳料，套壳料采用膨润土水泥浆，膨润土∶水泥∶水=1.5∶2∶2。套壳料主要用于封闭袖阀管与孔壁的空隙，防止在注浆时导致浆液渗出。施工中应利用钢制袖阀桩钻孔进一步探明溶洞位置及其边界等，当与设计要求不同时，应立刻处理，确保施工安全，在注浆过程中发现注浆量超过设计但注浆压力没有提高时，应调整注浆工艺，间歇注浆，并及时报告相关单位，以便处理。具体施工要求如下:孔距1 m×1 m，梅花型布置，孔深已深入最下部串珠状溶洞底基岩不小于1 m，钻孔直径采用Φ130，套管采用Φ146。

图6 袖阀管注浆施工工艺流程图 下载原图

2.2.4 径向注浆施工

本隧道在DK38 345～DK38 290使用径向注浆，径向注浆施工顺序为:测量放点→打孔→清孔→装管→埋设监测片→注浆。径向注浆参数如表4所示。

表4 径向注浆参数 下载原图

施工时应注意以下几点:

注浆采用隔孔注浆，严禁紧邻注浆以防串浆。注浆顺序为从低到高，从下往上，先灌注拱脚、拱腰，最后注浆隧道拱顶。注浆采用水灰比0.8∶1的水泥浆液。注浆压力0.5～1MPa。注浆过程中若周边出现渗漏浆串浆，则停3～5min后接着注，直至注不进去为止。若一开始注浆便漏浆，则用水泥 水玻璃双液浆注3～5min堵住渗漏点后继续注，直至注浆压力达到设计压力。同时在注浆过程中应实时监测，若注浆时注浆孔附近出现突然的变形扩大或累计变形值超过隧道初支警戒值则需停止注浆，分析原因，解决处理并调整注浆参数后方可继续进行注浆作业。

3 结论

依托安六铁路大用隧道工程，探讨隧道穿越全充填型溶洞时的施工方法，通过现场的勘察资料，以及施工情况，最终采取隧道三台阶开挖“桩筏”结构设计方案，通过研究旋喷桩、袖阀管、径向注浆这三个施工重点，主要解决了隧道施工过程中的掌子面稳定性、初期支护开裂问题，使三台阶开挖“桩筏”结构设计方案，最大限度地保证施工速度，以及施工的安全性，也能提高企业的经济效益。

参考文献

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[3] 李术才，王康，李利平，等．岩溶隧道突水灾害形成机理及发展趋势[J]．力学学报，2017(1):22-30.

[4] 赵明阶，徐容，许锡宾．岩溶区全断面开挖隧道围岩变形特性模拟[J]．同济大学学报(自然科学版)，2004(6):710-715.

[5] 吴梦军，赵明阶，刘绪华，等．岩溶区公路隧道围岩稳定性模型试验研究:中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C]．西安:2002.

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[9] 宋战平．隐伏溶洞对隧道围岩-支护结构稳定性的影响研究[J]．岩石力学与工程学报，2006(6):1296.

[10] 刘扬，林国庆，苏秀婷，等．大直径盾构隧道与下伏溶洞安全距离[J]．科学技术与工程，2021(29):12727-12734.

[11] 房忠栋，杨为民，王旌，等．深埋隧道前方承压溶洞隔水岩体最小安全厚度研究[J]．中南大学学报(自然科学版)，2021(8):2805-2816.