深埋富水充填性溶洞施工技術探討

朱文民

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

1 工程概況

某隧道全長11 068 m，是該鐵路線最長的單線電化鐵路隧道。隧道主要穿越向斜核部、背斜核部淺埋段。在背斜和向斜分布了5個深埋充填型溶洞，其形態各異，充填介質不同，有粉細砂、粉質粘性土和粘土等多種。施工中受高壓、富水、巖溶等因素的影響，突發了很多次大規模的突水、突泥等工程災害，給工程的安全、順利施工造成了非常嚴重的影響。其中2號溶洞為高壓富水深埋充填粉細砂層溶洞，施工難度極大。經多次專家會議論證，該隧道被譽為“國內外隧道設計與施工禁區工程”。隧道縱斷面示意圖見圖1。

圖1 隧道縱斷面示意圖

2 工程地質及水文情況

根據各種超前地質預測預報結果，結合地勘資料，可以判定2號溶洞段為一粉細砂層充填性大型溶洞，地質情況如圖2所示，地層含高壓水且水量較大。由工程地質資料圖計算出溶洞段埋深為563 m，按鉆機的鉆桿被推出現象估算當時突涌水時涌水壓力為 3.6 MPa。

圖2 溶洞區工程地質及水文地質圖

3 施工理念

對于深埋富水粉細砂層充填性溶洞，在整個地下工程界也是少有的，施工難度很大。因此施工主要面臨以下兩個問題:

1)高靜水壓、動水壓，水源豐富，水力聯系通道錯綜復雜。2)粉細砂層自穩能力差，極易在動水情況下形成流砂，且地層的改良性差。

要保證安全、順利地通過該段，必須解決以上面臨的兩大問題，即“堵水、固砂”，針對這些特殊情況，必須在開挖范圍周圍建立很強的、完整的、封閉的超前加固體系，如圖3所示。該加固體系主要包括以下兩方面:

1)根據設計原則及現場施工經驗，將水力聯系通道封堵在開挖輪廓線外8 m，地層在開挖輪廓線外8 m范圍內均勻加固。2)在開挖范圍周圍建立超前剛性支護體系，保證砂體的穩定性。為了減少水壓對地層和剛性支護體的影響，采取一定的卸壓措施。采用全斷面超前預注漿封堵水力通道及加固地層;超前大管棚與管棚注漿體實現超前剛性支護體系;設置泄水通道，減小水壓對整個體系作用。

圖3 通過溶洞區設計思路圖

4 施工方案

1)總體施工方案。為了加快施工進度，在正向與反向同時施作，最終形成了40 m溶洞施工區。根據探測的地質及水文情況對正、反向的施工重點做了不同的布置，以正向為主，反向補強。施工現場的重點在頂部，而施工難度最大的卻在底部，因此反向施工方案主要考慮在頂部及底部。為了正、反向施工的不干擾，正向的上部與反向的底部同時進行施工，然后再施工各自余下部。

2)超前預注漿方案。由于該施工斷面太大，考慮分上、下兩部分施工，先上后下。設計圖見圖4。

3)大管棚方案。超前大管棚是整個方案關鍵的環節，關系此施工方案的成敗，為了能夠在溶洞區建立超前剛性支護體系，超前大管棚要一次性穿越溶洞區，管棚分正、反雙向施作，通過雙向搭接保證一次性穿越溶洞區。以正向為主，反向補強，并結合地質情況，但管棚施工必須在相應位置的超前預注漿完成后，方可施工。

正向施工方案:正向管棚施工，主要是建立封閉的超前剛性支護體系，因此整體施作管棚，管棚布置如圖5所示。

圖4 正、反向注漿設計圖

圖5 全斷面管棚設計圖

4)泄水洞方案。泄水洞施工方案的確定，主要根據前期探測的地質及水文情況并結合注漿和管棚施工過程中所遇情況，布置圖見圖6。

圖6 泄水洞位置設計圖

5 施工情況及效果評定

隧道溶洞段施工，自開始至結束，歷經172 d。此施工主要分為三個階段，具體如下:1)前期主要通過注漿封堵出水點，形成一個封閉體，便于后期注漿工作大面展開。2)中期主要是全面注漿，對地層進行加固，加強對水力通道的封堵。3)后期主要是管棚施工，對地層的檢查及局部補強，同時進行泄水洞的施工。地層經全斷面超前“長短結合復合式”注漿后，掌子面出水點均被封堵，無明顯滲漏現象，后期檢孔均無涌水涌砂情況，堵水效果很明顯;正、反向管棚順利搭接并且經過高壓注漿后形成了超前剛性支護體系;泄水洞成功地將大部分封堵后的水流排出，達到了卸水降壓。開挖過程中仍遇到局部范圍突水涌砂現象，其主要原因有以下兩點:1)粉細砂層的改良性差，在砂層中堵水，很難將全部水力通道完全封住。2)注漿中全部采用顆粒性材料，因此注漿機理以劈裂、擠壓為主，無法達到以滲透為主，以致注漿難以形成完整、連續、致密的注漿體。由于建立了超前剛性支護體系，泄水洞成功泄水降壓，沒有較大的涌水涌砂，未造成垮塌，該溶洞段得以順利通過。

6 施工技術探討

6.1 施工技術問題

在高壓富水充填性粉細砂層溶洞施工過程中遇到以下幾個主要問題:1)高壓富水充填性溶洞的堵、排水結合問題。2)高壓富水充填性溶洞的封堵，穿越。3)富水粉細砂層注漿材料，注漿體強度，注漿加固體的均勻性。

6.2 問題探討

通過此次溶洞段注漿施工及以往成功經驗，就以上問題筆者認為有以下幾點應引起重視:

1)眾所周知，發育的溶洞是隧道施工中的難點，特別是溶洞處于高壓富水區。施工不僅面臨高壓水的威脅，同時還伴隨涌出的充填物及其涌出后所形成的較大空洞和松散區域，這對施工存在極大的危害。但是強堵會改變原來的水流體系，造成水流對薄弱環節突擊水壓，繼而極有可能發生大的突水涌泥，并且強堵對施工來說難度很大。首先是溶洞探測，無論是什么樣的施工方案，它必須要有針對性，因此溶洞探測是首要問題。在探明地質情況的前提下，其次是對溶洞進行有目的、有限制的泄放，究其原因有兩點:a.充填型溶洞是在地殼運動下經過長期水力搬運作用形成的，溶洞積蓄了長期以來的地應力，因此對這長期積蓄的地應力應讓其釋放，減小危害。b.通過溶洞的泄放，對涌水、涌出物的判斷分析可進一步了解水文情況和填充物情況，這對后續施工方案提供了必要的依據。然后對溶洞進行封堵，若存在較高的靜水壓，在封堵的同時可進行適量排放，以減小水壓的危害。總之，“探測→泄放→封堵→排放”對高壓富水充填性溶洞是一種較穩妥的辦法。

2)對高壓富水充填性溶洞的封堵，無論是什么樣的方案，都盡可能保證一次性、全斷面施工處理。目前對溶洞的封堵最常用的就是超前預注漿，注漿施工一般情況下都是全斷面，一次性處理，在本例施工處理中，為了達到注漿施工的一次性完成，采用了正、反兩向夾擊。在高壓富水充填性溶洞中的注漿施工，根據注漿段長，將其分成幾段，注漿工作與開挖工作交替進行是不可取的，由于注漿未能一次性貫穿溶洞，溶洞內的充填物質未完全均勻加固，水力通道未封住，在開挖中非常危險，極可能出現突水涌泥現象。在注漿封堵施工中常結合大管棚。在對溶洞的施工處理中，大管棚剛性超前支護已是一項較成熟的施工技術，在溶洞及破碎圍巖中廣泛使用。無論是在溶洞還是在破碎圍巖中，超前大管棚都必須一次性穿越施工段，在本例施工處理中，為了保證大管棚一次性穿越施工段，在正、反兩向同時施作大管棚，通過管棚搭接來實現。

3)富含水粉細砂層注漿施工一直是一個很棘手的問題，尤其注漿材料、注漿體強度、注漿均勻性。本例注漿中，采用顆粒性注漿材料，注漿材料決定了漿液在粉細砂層中只能以劈裂、擠壓的形式來改良地層，因此地層中主要還是以粉細砂為主，注漿體只是少量摻雜在其中。由于漿液凝固后的均勻性不高，砂體擠壓后，雖有一定的自穩性，但強度極低，因此漿砂固結體的強度很低。注漿中漿液的推進方式是由弱及強，由于砂層的分層性及同層均勻性，漿液首先是將注漿孔填滿，然后再向地層中劈裂、擠壓，極易在砂層分層交接面形成劈裂面，往往劈裂開一、兩條注漿

7 結語

由于本人的理論水平和現場施工經驗有限，觀點可能有不妥之處，請諒解。