岩溶地区隧道施工方法探讨

岩溶地区隧道施工方法探讨黄智军谢文杰胡长春袁则士蔡伟摘要：伴随着我国基础设施的建设,在岩溶地区修建的隧道越来越多,岩溶涌水、突泥等地质灾害问题日显突出,对隧道施工安全极大。如何在岩溶隧道施工中规避此类灾害的发生,已成为岩溶隧道施工亟待解决的重要技术难题。本文在总结国内外隧道对岩溶防治经验的基础上,结合广西河池至都安高速公路1标段长隧道具体情况,对岩溶地段施工技术进行了研究。说明了岩溶地区地质预报的方法，介绍了突水、突泥地段的施工原则，对隧道通过溶洞的施工方案及处理措施进行了探讨。关键词：隧道岩溶施工工程概况：试验路段选取在广西河池至都安高速公路工程谢家峒隧道，该隧道为双向分离式隧道，洞高7.25米，洞宽11.7米，右线起止桩号为YK27+735—YK29+057，设计长度为1322米，最大埋深345米左右，左线起止桩号为ZK27+735—ZK29+002，设计长度为1267米，最大埋深330米左右；该隧道区属岩溶峰丛谷地，隧道穿越三座连体山峰，山峰间为洼地，地形呈锯齿状，局部呈瓶状，整体中部高，两侧低。隧道进出口前为谷地，高程在154～183m之间。穿越的主要地质构造为一褶皱及其伴生或次生断裂构造，区域内背向斜核部成山，两翼成谷，地质条件异常复杂，集中了岩溶高压水、大涌水、岩爆、大变形、高地温及偏压等不良地质。为了应对复杂多变的地质，对该隧道实行动态设计，即根据施工中探明的地质情况进行设计，及时指导施工。1、地质预报针对该隧道所处地区复杂的地质条件，采用多种方法进行地质预报，以便相互印证。1.1仪器预报利用地震波反射法（TSP202、TSP203）、水平声波剖面法（1ISP）、红外探水、地质雷达等方法，对施工掌子面前方10～40m范围内的山体进行探测，结合探测资料分析前方围岩、潜水、水源补给、水质、涌水量大小、突水和突泥压力等情况。1.2水文地质相似比拟法相似比拟法建立在岩层裂隙较均匀、比拟段的水文地质条件相似、涌水量与坑道体积成正比的基础上。本工程通过导坑开挖时的实测涌水量来推算正洞涌水量，用正洞已开挖地段实测涌水量来推断未开挖地段的涌水量，取得了较好效果。1.3超前水平钻孔探水分析法利用钻孔台车钻孔，探水孔直径一般为50～120cm，每次钻进10～20m，保留5m止浆盘岩，开始下一次探水。暂时封闭水量较小的探孔，留一个喷距最大出水孔，量测其中水的喷出距离。①喷距小于5m，流量小于100～400m³／h，为小型突水；②喷距9～12m，流量大于400m³／h，为中型突水；③喷距大于12m，为大型突水。2突水、突泥地段的施工原则施工中遇到突水、突泥10多次，根据实践制定突水、突泥地段施工原则：“以堵为主、限量排放、排堵结合、综合治理”。具体方法：采用超前导管、管棚、正面深孔压浆堵塞渗水通道，结合管道排水，将绝大部分地下水尽可能封堵在围岩外，少量水由隧道排放，避免洞内出现大量水而影响施工。对于间隙性涌水，采用泄水孔进行排水。配足抽水设备，以备施工段发生突水时使用。2.1突水处理施工中遇到岩溶裂隙出水，采用“围截注浆法”止水。在出水点周围适当范围内布孔注浆，以形成封闭式止水帷幕，浆液填充与大裂隙连通的小裂隙，这样由远至近、由外到里层层缩小包围圈，在注浆深度范围内使岩溶裂隙水成为管道型涌水，最后在集中出水口逆流注浆，这样浆液扩散更有方向性，沿大裂隙逆流而上到达更深远的部位，把水堵到更深层。对于其中几处岩溶管道涌水，一般在出水口附近钻一些分流孔，以减少流量和水压，分流孔的个数视具体情况而定，分流孔深度与溶隙交汇。在出水口及分流孔安设孔口管，并对孔口管与孔壁之间用堵水材料封堵，最后进行注浆止水。隧道掘进中遇到几次涌水的范围较大，及时采用超前深孔、长管棚、超前小导管等方法预注浆封堵。预注浆参数及适用条件见表1。注浆步骤：①用水泥-水玻璃双液注浆，封堵岩石裂隙，堵塞渗水通道；②用水泥单液注浆，进行围岩永久性堵水加固；③在开挖轮廓线外40cm范围内注入超细水泥浆，加强堵水效果。预注浆注意事项：①除水量很大的孔外，注浆前应进行压水试验，根据试验结果修正注浆参数；②每环注浆孔应留出2~3个注浆检查孔；③单孔注浆量注浆压力以达到设计值为准；④根据钻孔深度及成孔情况采用孔口一次性注浆或前进式注浆。表1预注浆参数项目方案一方案二注浆长度/m3030开挖长度/m2522止浆盘岩长度/m58单孔有效扩散半径/m2.52.5终孔间距/m2.753.75预注浆范围（隧道开挖轮廓线以外）/m58注浆终止压力2～3倍静水压2～3倍静水压注浆孔直径/mm9090注：方案一适用于一般高压水和小、中型突水地段；方案二适用于地层破碎地段、静水压较高的岩层接触带和断层带处及大型突水地段2.2突泥处理在YK28+325处出现一处突泥地段，根据围岩实际情况采用高压劈裂注浆固结围岩，使围岩形成强度较高的结石体。3溶洞处理隧道施工中共遇到10多个大小不等的溶洞，根据几何形状分为大厅式、管道式、蜂窝式3种。根据溶洞的分布范围、类型、规模、发育程度、填充物、相对隧道位置、地下水等情况采取了封堵、填充、支撑加固、跨越等处理方法。3.1小型溶洞的处理对跨度3m的小型溶洞，采用填充法处理，根据情况分别采取浆砌封闭、回填压实，隧底回填、拱顶防护，换填片石、加强衬砌，隧道底板梁处理及条形基础等措施。1）浆砌封闭、回填压实。有两处溶洞地下水涌量较小，隧道底采用C15片石砼回填，边墙部位1～1.5m范围内用浆砌片石回填，其余用弃碴、空隙吹砂填满，压注水泥浆胶结。隧底有5处出现突水溶槽，采用钢筋砼封填，铺设钢筋砼仰拱，预埋出水管，注浆封堵。2）隧底回填、拱顶防护。ZK28+300~380m处，隧道穿过垂直裂隙发育、无填充、干燥的溶洞，隧底用块石、碎石回填密实，距隧底1～1.5m范围内用7.5#浆砌片石回填。对于溶洞顶距拱顶高度小于5m的溶洞，在拱部填塞干砌片石，压浆挤满片石空隙；对于溶洞顶距拱顶高度超过5m的溶洞，在拱顶砌筑1m厚7.5#浆砌片石护拱，护拱上回填2～5m厚干码片石缓冲层，起缓冲作用，防止溶洞石块掉落砸坏衬砌。3）隧道通过裂隙发育的槽状溶洞，洞内有充填物，且岩溶水较发育时，分别采取以下处理方法：①支撑墙。对深度5m、填充物较少、可清理出坚硬基础的溶洞，采用支撑墙。清除填充物，用浆砌片石墙支撑加固溶洞顶板，底部水流通路处设置涵洞，排泄岩溶水。②支撑柱。深度为5～10m的溶洞，由于填充物较多，无法清理出坚硬基础，且岩溶水流量大，采用支撑柱减小顶板悬空跨度，回填空隙并压浆加固溶洞底。柱间距2～3m，根据顶板厚度、节理、溶缝发育情况，并考虑稳定性来确定。③支撑拱。溶洞顶板破碎、节理发育，洞内充填松散，无法采用柱、墙支顶，回填加固不牢靠时，在溶洞内隧道通过范围内修筑钢筋砼拱桥，拱桥与溶洞顶板间空隙用C15号砼或片石砼填塞。④挖孔桩。溶洞深度10m，支撑柱、墙稳定性无法达到要求时，在溶洞中设置挖孔桩，边墙底设置托梁，隧底设置地基梁。桩底嵌入稳定基岩内，桩顶钢筋伸入砼底板梁内，与底板联成一体共同形成钢筋砼板梁。⑤嵌补法。对溶洞顶板内小型溶穴，采用浆砌片石或干砌片石压浆填塞密实。3.2跨越法该工程中有几处溶洞采用跨越法处理。当隧道通过较大溶洞，填塞或加固施工困难，或溶洞虽小，但流水量大，不宜堵塞，或溶洞填充物松软，不宜建造基础时，采用跨越法通过。1）简支跨越。隧道衬砌采用拉杆拱、边墙梁结构，底部采用简支结构跨越通过。2）栈桥跨越。边墙基底一侧遇到岩溶时，可按一定间距设置支墩和悬臂横梁，悬臂横梁用锚杆锚固于基岩中，将隧道仰拱变为钢筋砼板梁，支承于支墩或悬臂横梁上，支承边墙。3）拱桥跨越。利用拱桥跨越溶洞，并承托道床及墙拱衬砌。4）边墙拱跨越。隧道一侧边墙穿过溶洞，溶洞填充物松软且深，不宜施工边墙基础或换填基础通过时，采用边墙拱跨越。5）整体浮放、支托跨越。溶洞断面下部收缩，溶洞堆积体较厚，且稳固可靠，具有相当承载能力。采用封闭式钢筋砼整体衬砌直接浮放于堆积体上，衬砌可分节整体浇筑，节间预留沉降缝。堆积体大孔洞用砼填充，并压浆加固，同时加大衬砌断面，净空加高50～100cm，加宽40cm。3.3大型充填式溶洞的处理对裂隙发育的岩溶地段、大型充填式溶洞，除采用预注浆堵水加固外，还按常规锚喷构筑法，即采用“管棚、小导管、超前锚杆、钢架支撑、挂钢筋网、喷射砼强支护”方法。1）长管棚。隧道通过大型填充溶洞时，在隧道开挖轮廓线以外打入超前长管棚，再压注双液浆。管棚一般支护于隧道拱部，钢管中心设置在隧道开挖轮廓线约60cm以外，管棚不许侵入隧道开挖线以内，以免开挖线与钢管相互干扰。钢管长度一般为10～30m，钢管终端必须穿越岩溶嵌入整体岩层内2m。岩溶地段长度大于30m时，两组纵向钢管间水平搭接长度不小于1.5m。钢管直径大于100mm时，在钢管内加设三角形钢筋笼，以提高钢管抗弯、抗剪性能。管棚的技术要求见表2。表2管棚的主要技术参数项目允许偏差钢管孔位/cm相邻钢管方向10竖向下垂30光管直径≤70钢管间距30～602）超前小导管、锚杆。采用小导管、锚杆超前注浆施工，一般采用中空注浆锚杆。该方法既单独应用于围岩破碎地段，也作为一种辅助手段用于长管棚施工完成后仍需加固的围岩段，可同时起到注浆加固、超前支护作用。小导管、锚杆的主要技术参数：导管直径40～60mm，锚杆直径22～28mm，长度2～6m，外插角8°～16°，环向间距20～40cm，搭接长度1～2m。对于单液浆：采用水玻璃单液浆，用硫酸调节胶凝时间，硫酸掺量为水玻璃的45%～55%，pH值E3.1～3.5。对于双液浆：采用水泥-水玻璃双液浆。4地表处理在坑口修筑截、排水沟和挡水坝，将能流入陷坑的地表水引远，防止地表水流入陷坑。采用垂直注浆对溶洞顶部的陷坑进行注浆加固，并用钢筋砼封闭陷坑口。隧道穿过陷坑部位时，采用长管棚劈裂配合超前小导管注浆，加固陷坑底部。5监控量测5.1洞内外观察洞内观察：每次开挖完成后进行洞内观察，主要观察岩层变化情况，喷射砼、锚杆及钢架工作状态。观察后及时绘制开挖工作面地质素描，填写地质状态记录表、围岩类别判定卡。发现围岩条件恶化时，应立即采取处理措施。洞外观察：观察洞口段、洞身埋藏较浅地段是否有地表开裂、地表沉陷以及边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况等。5.2净空变化、拱顶下沉、地表下沉监测测点位置必须在同一断面上，量测断面间距、测点数量根据围岩级别、隧道埋深、开挖方法而定。根据量测数据及时整理并绘制时态曲线，对初期的时态曲线进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度。数据异常时应根据情况采取相应措施。图1是典型拱顶沉降时程曲线。由图1可看出，拱顶沉降过程分为3个阶段：①0～40d为快速沉降阶段，沉降位移可达总沉降的80%左右；②40～70d沉降渐缓，但保持一定的沉降；③70d以后沉降不发生改变，说明围岩稳定。图1隧道拱顶沉降时段曲线5.3钢架受力、喷射砼受力、锚杆体应力观察共布设了15条测线来测量钢架受力、喷射砼受力、锚杆体的应力情况，其测点与必测项目设置在同一断面上，以便相互进行补充和验证。参考文献：［1］中华人民共和国交通部.交通建设行业管理人员安全培训教材［M］.北京：人民交通出版社，2005.［2］李晓红.隧道新奥法及其量测技术［M］.北京：科技出版社，2002.