巖溶地區(qū)隧道施工方法探討

1、巖溶地區(qū)隧道施工方法探討黃智軍 謝文杰 胡長春 袁則士 蔡偉 摘要：伴隨著我國基礎設施的建設,在巖溶地區(qū)修建的隧道越來越多,巖溶涌水、突泥等地質(zhì)災害問題日顯突出,對隧道施工安全極大。如何在巖溶隧道施工中規(guī)避此類災害的發(fā)生,已成為巖溶隧道施工亟待解決的重要技術難題。 本文在總結(jié)國內(nèi)外隧道對巖溶防治經(jīng)驗的基礎上,結(jié)合廣西河池至都安高速公路1標段長隧道具體情況,對巖溶地段施工技術進行了研究。說明了巖溶地區(qū)地質(zhì)預報的方法，介紹了突水、突泥地段的施工原則，對隧道通過溶洞的施工方案及處理措施進行了探討。關鍵詞：隧道 巖溶 施工工程概況： 試驗路段選取在廣西河池至都安高速公路工程謝家峒隧道，該隧道為雙向分離

2、式隧道，洞高7.25米，洞寬11.7米，右線起止樁號為YK27+735YK29+057，設計長度為1322米，最大埋深345米左右，左線起止樁號為ZK27+735ZK29+002，設計長度為1267米，最大埋深330米左右； 該隧道區(qū)屬巖溶峰叢谷地，隧道穿越三座連體山峰，山峰間為洼地，地形呈鋸齒狀，局部呈瓶狀，整體中部高，兩側(cè)低。隧道進出口前為谷地，高程在154183m之間。穿越的主要地質(zhì)構造為一褶皺及其伴生或次生斷裂構造，區(qū)域內(nèi)背向斜核部成山，兩翼成谷，地質(zhì)條件異常復雜，集中了巖溶高壓水、大涌水、巖爆、大變形、高地溫及偏壓等不良地質(zhì)。為了應對復雜多變的地質(zhì)，對該隧道實行動態(tài)設計，即根據(jù)施工中

3、探明的地質(zhì)情況進行設計，及時指導施工。1、地質(zhì)預報針對該隧道所處地區(qū)復雜的地質(zhì)條件，采用多種方法進行地質(zhì)預報，以便相互印證。1.1 儀器預報利用地震波反射法（TSP202、TSP203）、水平聲波剖面法（1ISP）、紅外探水、地質(zhì)雷達等方法，對施工掌子面前方1040m范圍內(nèi)的山體進行探測，結(jié)合探測資料分析前方圍巖、潛水、水源補給、水質(zhì)、涌水量大小、突水和突泥壓力等情況。1.2 水文地質(zhì)相似比擬法相似比擬法建立在巖層裂隙較均勻、比擬段的水文地質(zhì)條件相似、涌水量與坑道體積成正比的基礎上。本工程通過導坑開挖時的實測涌水量來推算正洞涌水量，用正洞已開挖地段實測涌水量來推斷未開挖地段的涌水量，取得了較好

4、效果。1.3 超前水平鉆孔探水分析法利用鉆孔臺車鉆孔，探水孔直徑一般為50120cm，每次鉆進1020m，保留5m止?jié){盤巖，開始下一次探水。暫時封閉水量較小的探孔，留一個噴距最大出水孔，量測其中水的噴出距離。 噴距小于5m，流量小于100400m³h，為小型突水； 噴距912m，流量大于400m³h，為中型突水； 噴距大于12m，為大型突水。2 突水、突泥地段的施工原則施工中遇到突水、突泥10多次，根據(jù)實踐制定突水、突泥地段施工原則：“以堵為主、限量排放、排堵結(jié)合、綜合治理”。具體方法：采用超前導管、管棚、正面深孔壓漿堵塞滲水通道，結(jié)合管道排水，將絕大部分地下水盡可能封堵在

5、圍巖外，少量水由隧道排放，避免洞內(nèi)出現(xiàn)大量水而影響施工。對于間隙性涌水，采用泄水孔進行排水。配足抽水設備，以備施工段發(fā)生突水時使用。2.1 突水處理施工中遇到巖溶裂隙出水，采用“圍截注漿法”止水。在出水點周圍適當范圍內(nèi)布孔注漿，以形成封閉式止水帷幕，漿液填充與大裂隙連通的小裂隙，這樣由遠至近、由外到里層層縮小包圍圈，在注漿深度范圍內(nèi)使巖溶裂隙水成為管道型涌水，最后在集中出水口逆流注漿，這樣漿液擴散更有方向性，沿大裂隙逆流而上到達更深遠的部位，把水堵到更深層。對于其中幾處巖溶管道涌水，一般在出水口附近鉆一些分流孔，以減少流量和水壓，分流孔的個數(shù)視具體情況而定，分流孔深度與溶隙交匯。在出水口及分流

6、孔安設孔口管，并對孔口管與孔壁之間用堵水材料封堵，最后進行注漿止水。隧道掘進中遇到幾次涌水的范圍較大，及時采用超前深孔、長管棚、超前小導管等方法預注漿封堵。預注漿參數(shù)及適用條件見表1。注漿步驟： 用水泥-水玻璃雙液注漿，封堵巖石裂隙，堵塞滲水通道； 用水泥單液注漿，進行圍巖永久性堵水加固； 在開挖輪廓線外40cm范圍內(nèi)注入超細水泥漿，加強堵水效果。預注漿注意事項： 除水量很大的孔外，注漿前應進行壓水試驗，根據(jù)試驗結(jié)果修正注漿參數(shù)；每環(huán)注漿孔應留出23個注漿檢查孔； 單孔注漿量注漿壓力以達到設計值為準； 根據(jù)鉆孔深度及成孔情況采用孔口一次性注漿或前進式注漿。表1 預注漿參數(shù)項目方案一方案二注漿長

7、度/m3030開挖長度/m2522止?jié){盤巖長度/m58單孔有效擴散半徑/m2.52.5終孔間距/m2.753.75預注漿范圍（隧道開挖輪廓線以外）/m58注漿終止壓力23倍靜水壓23倍靜水壓注漿孔直徑/mm>90>90注：方案一適用于一般高壓水和小、中型突水地段；方案二適用于地層破碎地段、靜水壓較高的巖層接觸帶和斷層帶處及大型突水地段2.2 突泥處理在YK28+325處出現(xiàn)一處突泥地段，根據(jù)圍巖實際情況采用高壓劈裂注漿固結(jié)圍巖，使圍巖形成強度較高的結(jié)石體。3 溶洞處理隧道施工中共遇到10多個大小不等的溶洞，根據(jù)幾何形狀分為大廳式、管道式、蜂窩式3種。根據(jù)溶洞的分布范圍、類型、規(guī)模、

8、發(fā)育程度、填充物、相對隧道位置、地下水等情況采取了封堵、填充、支撐加固、跨越等處理方法。3.1 小型溶洞的處理對跨度<3m的小型溶洞，采用填充法處理，根據(jù)情況分別采取漿砌封閉、回填壓實，隧底回填、拱頂防護，換填片石、加強襯砌，隧道底板梁處理及條形基礎等措施。1）漿砌封閉、回填壓實。有兩處溶洞地下水涌量較小，隧道底采用C15片石砼回填，邊墻部位11.5m范圍內(nèi)用漿砌片石回填，其余用棄碴、空隙吹砂填滿，壓注水泥漿膠結(jié)。隧底有5處出現(xiàn)突水溶槽，采用鋼筋砼封填，鋪設鋼筋砼仰拱，預埋出水管，注漿封堵。2）隧底回填、拱頂防護。ZK28+300380m處，隧道穿過垂直裂隙發(fā)育、無填充、干燥的溶洞，隧底

9、用塊石、碎石回填密實，距隧底11.5m范圍內(nèi)用7.5#漿砌片石回填。對于溶洞頂距拱頂高度小于5m的溶洞，在拱部填塞干砌片石，壓漿擠滿片石空隙；對于溶洞頂距拱頂高度超過5m的溶洞，在拱頂砌筑1m厚7.5#漿砌片石護拱，護拱上回填25m厚干碼片石緩沖層，起緩沖作用，防止溶洞石塊掉落砸壞襯砌。3）隧道通過裂隙發(fā)育的槽狀溶洞，洞內(nèi)有充填物，且?guī)r溶水較發(fā)育時，分別采取以下處理方法：支撐墻。對深度<5m、填充物較少、可清理出堅硬基礎的溶洞，采用支撐墻。清除填充物，用漿砌片石墻支撐加固溶洞頂板，底部水流通路處設置涵洞，排泄巖溶水。 支撐柱。深度為510m的溶洞，由于填充物較多，無法清理出堅硬基礎，且?guī)r

10、溶水流量大，采用支撐柱減小頂板懸空跨度，回填空隙并壓漿加固溶洞底。柱間距23m，根據(jù)頂板厚度、節(jié)理、溶縫發(fā)育情況，并考慮穩(wěn)定性來確定。 支撐拱。溶洞頂板破碎、節(jié)理發(fā)育，洞內(nèi)充填松散，無法采用柱、墻支頂，回填加固不牢靠時，在溶洞內(nèi)隧道通過范圍內(nèi)修筑鋼筋砼拱橋，拱橋與溶洞頂板間空隙用C15號砼或片石砼填塞。 挖孔樁。溶洞深度>10m，支撐柱、墻穩(wěn)定性無法達到要求時，在溶洞中設置挖孔樁，邊墻底設置托梁，隧底設置地基梁。樁底嵌入穩(wěn)定基巖內(nèi)，樁頂鋼筋伸入砼底板梁內(nèi)，與底板聯(lián)成一體共同形成鋼筋砼板梁。 嵌補法。對溶洞頂板內(nèi)小型溶穴，采用漿砌片石或干砌片石壓漿填塞密實。3.2 跨越法該工程中有幾處溶洞

11、采用跨越法處理。當隧道通過較大溶洞，填塞或加固施工困難，或溶洞雖小，但流水量大，不宜堵塞，或溶洞填充物松軟，不宜建造基礎時，采用跨越法通過。1）簡支跨越。隧道襯砌采用拉桿拱、邊墻梁結(jié)構，底部采用簡支結(jié)構跨越通過。2）棧橋跨越。邊墻基底一側(cè)遇到巖溶時，可按一定間距設置支墩和懸臂橫梁，懸臂橫梁用錨桿錨固于基巖中，將隧道仰拱變?yōu)殇摻铐虐辶?，支承于支墩或懸臂橫梁上，支承邊墻。3）拱橋跨越。利用拱橋跨越溶洞，并承托道床及墻拱襯砌。4）邊墻拱跨越。隧道一側(cè)邊墻穿過溶洞，溶洞填充物松軟且深，不宜施工邊墻基礎或換填基礎通過時，采用邊墻拱跨越。5）整體浮放、支托跨越。溶洞斷面下部收縮，溶洞堆積體較厚，且穩(wěn)固可靠

12、，具有相當承載能力。采用封閉式鋼筋砼整體襯砌直接浮放于堆積體上，襯砌可分節(jié)整體澆筑，節(jié)間預留沉降縫。堆積體大孔洞用砼填充，并壓漿加固，同時加大襯砌斷面，凈空加高50100cm，加寬40cm。3.3 大型充填式溶洞的處理對裂隙發(fā)育的巖溶地段、大型充填式溶洞，除采用預注漿堵水加固外，還按常規(guī)錨噴構筑法，即采用 “管棚、小導管、超前錨桿、鋼架支撐、掛鋼筋網(wǎng)、噴射砼強支護”方法。1） 長管棚。隧道通過大型填充溶洞時，在隧道開挖輪廓線以外打入超前長管棚，再壓注雙液漿。管棚一般支護于隧道拱部，鋼管中心設置在隧道開挖輪廓線約60cm以外，管棚不許侵入隧道開挖線以內(nèi)，以免開挖線與鋼管相互干擾。鋼管長度一般為1

13、030m，鋼管終端必須穿越巖溶嵌入整體巖層內(nèi)2m。巖溶地段長度大于30m時，兩組縱向鋼管間水平搭接長度不小于1.5m。鋼管直徑大于100mm時，在鋼管內(nèi)加設三角形鋼筋籠，以提高鋼管抗彎、抗剪性能。管棚的技術要求見表2。表2 管棚的主要技術參數(shù)項目允許偏差鋼管孔位/cm相鄰鋼管方向<10豎向下垂<30光管直徑70鋼管間距30602）超前小導管、錨桿。采用小導管、錨桿超前注漿施工，一般采用中空注漿錨桿。該方法既單獨應用于圍巖破碎地段，也作為一種輔助手段用于長管棚施工完成后仍需加固的圍巖段，可同時起到注漿加固、超前支護作用。小導管、錨桿的主要技術參數(shù)：導管直徑4060mm，錨桿直徑222

14、8mm，長度26m，外插角8°16°，環(huán)向間距2040cm，搭接長度12m。對于單液漿：采用水玻璃單液漿，用硫酸調(diào)節(jié)膠凝時間，硫酸摻量為水玻璃的45%55%，pH值E3.13.5。對于雙液漿：采用水泥-水玻璃雙液漿。4 地表處理在坑口修筑截、排水溝和擋水壩，將能流入陷坑的地表水引遠，防止地表水流入陷坑。采用垂直注漿對溶洞頂部的陷坑進行注漿加固，并用鋼筋砼封閉陷坑口。隧道穿過陷坑部位時，采用長管棚劈裂配合超前小導管注漿，加固陷坑底部。5 監(jiān)控量測5.1 洞內(nèi)外觀察洞內(nèi)觀察：每次開挖完成后進行洞內(nèi)觀察，主要觀察巖層變化情況，噴射砼、錨桿及鋼架工作狀態(tài)。觀察后及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描，填寫地質(zhì)狀態(tài)記錄表、圍巖類別判定卡。發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化時，應立即采取處理措施。洞外觀察：觀察洞口段、洞身埋藏較淺地段是否有地表開裂、地表沉陷以及邊坡及仰坡穩(wěn)定狀態(tài)、地表水滲透情況等。5.2 凈空變化、拱頂下沉、地表下沉監(jiān)測測點位置必須在同一斷面上，量測斷面間距、測點數(shù)量根據(jù)圍巖級別、隧道埋深、開挖方法而定。根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時整理并繪制時態(tài)曲線，對初期的時態(tài)曲線進行回歸分析，預測可能出現(xiàn)的最大值和變化速度。數(shù)據(jù)異常時應根據(jù)情況采取相應措施。圖1是典型拱頂沉降時程曲線。由圖1可看出，拱頂沉降過程分為3個階段：040d為快速沉降階段，沉