尖山隧道無水溶腔穿越技術

王作舉

(中鐵二十局集團，陜西西安 710016)

1 工程概況

尖山隧道位于云貴高原侵蝕構造中低山區，海拔2 325 m。隧道穿越區域地層眾多，具構造剝蝕～溶蝕槽谷地貌特點。槽谷的發育多為斷層、大型節理等構造走向線一致，呈線狀分布，谷底有串珠狀分布的溶蝕洼地、落水洞、漏洞等巖溶地貌。地質構造復雜，圍巖種類較多，有玄武巖、石灰巖、白云巖，巖層破碎，泥夾石較多。

施工過程中，在掌子面多次遭遇松散充填性溶腔，以及空溶腔，溶腔內充填物多為泥夾石，溶蝕破碎，溶蝕較強烈，巖體呈碎塊狀，溶蝕裂隙充填黏土。

2 施工方案

由于溶腔為充填性的泥夾石等堆積物，比較松散，容易出現坍塌，有較大的施工安全隱患，為確保施工安全，施工中采用短進尺，弱爆破，強支護，早封閉，勤量測的原則，步步為營的方法。首先采用多種超前預測預報確定掌子面前方的圍巖情況，待確定溶腔后，短進尺揭示溶腔，進尺不超過60 cm。加強初期支護并對溶腔進行處理，待溶腔處理完成，圍巖穩定后，對溶腔進行回填處理。同時加強圍巖監控量測，確保施工時的安全。

3 施工方法

3.1 隧道溶腔的超前預測預報

預測方法有地質素描、TSP地質預測預報、超前地質水平鉆、地質雷達等。施工時，采用幾種方法綜合預測預報組合，確保預測的準確性。

3.1.1 TSP地質預報系統

在隧道兩側邊墻布置爆破鉆孔，每一次預報的炮眼數24個，依次進行微震爆破。利用三維地震波接收傳感器采集被反射返回的地震波數據，對采集的數據及時進行三維波場處理，提取反射界面。根據聲波軌跡、頻譜、速率和位移結果判斷隧道內巖溶情況。

3.1.2 超前鉆探預報法

采用超前水平鉆機在隧道掌子面鉆探1個～5個超前孔。探孔布置位置:中部1個，隧道斷面周邊均勻布設4個。除中部孔沿隧道軸線施鉆外，其余的超前鉆孔均向外施鉆，其孔底超出開挖輪廓線外5 m。根據鉆孔過程中鉆進速度、扭矩、推進力等相關參數，以此進行分析對比，判斷探測距離內圍巖性質、級別、巖溶、巖溶水等地質狀況。兩次超前水平鉆孔預測搭接長度不小于5 m。

3.1.3 地質雷達法

對掌子面進行平整處理，使雷達天線與掌子面能有較好的耦合，并使掌子面附近沒有其他的金屬物體。SIRIOB雷達測線在掌子面上呈“井”字形布置，測線長度根據天線長度決定，在有限的掌子面上盡可能的長。發射天線向隧道掌子面前方連續發射脈沖式高頻電磁波，當遇到有電性差異的界面或目標體(介電常數和電導率不同)時即發生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經電纜傳遞給主機，在主機顯示屏上形成實時的時間剖面。根據記錄到的反射波到達時間和求得的電磁波在介質中的傳播速度，確定界面或目標體的深度，根據反射波的形態、強弱及其變化等因素來判定目標體的性質。在時間剖面中應標出探測對象的反射波組，確定反射體的形態和規模并判斷巖溶位置、形態及充填情況。

3.2 溶腔的揭示及初期支護

3.2.1 充填性溶腔的處理

通過超前預測預報掌握溶腔情況后，在前方溶腔距離掌子面5 m范圍后，采用弱爆破，短進尺進行掌子面施工。施工中拱架采用Ⅰ22的工字鋼，超前支護采用雙層小導管，小導管采用φ42，L=4.5 m，間距為30 cm，超前小導管搭接長度不小于1.6 m。在施作超前小導管后，及時對小導管進行注漿，穩定掌子面前方溶腔的充填物。并加強拱架的鎖腳施作，從拱架基腳處每隔50 cm高度施作一排鎖腳，上斷面設置三排，下斷面設置兩排(見圖1)。

超前支護完成后，進行開挖施作下一個循環。到達松散充填物溶腔處，開挖進尺進一步縮短至50 cm。開挖后及時對掌子面進行封閉，并對開挖斷面范圍內進行初噴混凝土，防止掌子面松散充填物及拱頂上方的圍巖滑塌。在施作拱架時，采用鋼筋網加強拱架的整體性，并在拱部及邊墻處預留注漿孔，以及在邊墻處預留排水管。而后采用濕噴工藝進行噴射混凝土施工。初期支護完成后，沿預留注漿孔對隧道進行徑向注漿，進一步穩定溶腔范圍內的充填物。注漿壓力控制在不小于0.5 MPa。

圖1 充填性溶腔支護處理示意圖

完成后繼續下一個循環施工。同時加強對圍巖的監控量測。

3.2.2 半充填性溶腔處理

對于松散的充填性溶腔，開挖時有填充物滑落或本身是處于隧道范圍內的未完全填充的溶腔，稱之為半充填性溶腔。對于這種溶腔，開挖時，將溶腔內的松散充填物卸載，卸載后對掌子面進行封閉，而后進行初期支護。初期支護強度同充填性溶腔。并在初期支護頂部，左右兩側拱墻結合部預留注漿孔，同時在空溶腔處加強鋼筋網設置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隱患。并在空腔處設置混凝土泵送孔，在拱腳處預留泄水孔。初期支護完成后，再逐步向前施工，越過溶腔后，通過預留的注漿孔進行泵送混凝土及注漿，進而穩定溶腔(見圖2)。

圖2 半充填性溶腔支護處理示意圖

3.2.3 隧道頂部充填物脫空溶腔處理

對于頂部松散的充填物脫空的溶腔，開挖前先施作雙層小導管，小導管間距為30 cm，開挖一個循環為40 cm，對開挖范圍內用φ22鋼筋加工成鋼筋網加強拱架的整體性，同時也防止頂部上方有滑落體落下造成安全隱患。拱架采用Ⅰ22的工字鋼，超前支護采用雙層小導管，小導管采用φ42，L=4.5 m，間距為30 cm，超前小導管搭接長度不小于2.4 m。初期支護施作時，拱架基腳須支立在堅實的圍巖上或支立在穩定的鋼板上，確保拱架基底部脫空。同時加強拱架的鎖腳施作，從拱架基腳處每隔50 cm高度施作一排鎖腳，直至拱墻部位，鎖腳錨管注漿密實。

在初期支護頂部，左右兩側拱墻結合部預留注漿孔，直徑為45 mm，用于后期腔體內的注漿孔及在對腔體內泵送混凝土時的排氣孔。同時在空溶腔處加強鋼筋網設置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隱患。并在空腔處設置混凝土泵送孔，直徑為25 cm。在拱腳處預留泄水孔。噴漿工序施作完成后進入下一個循環(見圖3)。

圖3 隧道頂部充填物脫空溶腔支護處理示意圖

3.3 溶腔填充

3.3.1 充填性溶腔加固

初期支護混凝土達到設計強度后，沿預留注漿孔對隧道進行徑向注漿，進一步穩定溶腔范圍內的充填物。注漿壓力控制在不小于0.5 MPa。漿液采用1∶1的水泥漿。同時加強對圍巖的監控量測。

3.3.2 半充填性溶腔的填充加固

初期支護混凝土達到設計強度后，通過空腔部位預留的直徑為25 cm的預留孔，采用泵送混凝土對溶腔進行填充，混凝土標號為C20，混凝土填充密實。混凝土填充完成后，再通過預留的注漿孔對腔體進行注漿，進一步確保腔體的密實。在施作二襯混凝土時，在溶腔范圍內增加兩道環向盲溝，引排至隧道側溝。

3.3.3 隧道頂部充填物脫空的溶腔的填充加固

初期支護混凝土達到設計強度后，通過隧道頂部預留的泵送孔，對溶腔進行填充C20混凝土，混凝土填充密實?；炷撂畛渫瓿珊?，再通過預留的注漿孔對腔體進行注漿，進一步確保腔體的密實。在施作二襯混凝土時，在溶腔范圍內增加兩道環向盲溝，引排至隧道側溝。

3.4 溶腔處理過程中的監控量測

溶腔處理過程中松散的充填物可能被擾動，圍巖應力可能發生變化，所以必須加強圍巖的監控量測。對支護狀態及鄰近初期支護狀況觀察，判斷整個開挖面的穩定狀態，以便采取措施或變更設計。每個循環完成后，將圍巖監控量測結果記錄整理，作為信息反饋的內容之一，指導施工。改變支護結構。溶腔處理過程中，監控量測必測項目為:1)洞內觀察;2)拱頂下沉量測;3)洞身水平收斂。

3.4.1 洞內觀察

洞內觀察主要是看已完成初期支護是否有出現裂縫裂紋，如有則證明圍巖應力變化，初期支護達不到加固圍巖的要求，則需要進行變更，加強初期支護的強度。

3.4.2 洞內拱頂下沉監控量測

拱頂下沉測點，在溶腔前后10 m范圍內，按隧道中線縱向每3 m～5 m一個斷面，每個斷面1個測點，測點須采用鋼筋打入巖體內，不得焊接在拱架之上。必要時設拱底隆起量測，測點設在開挖斷面下沉和隆起變化最大的地方。

按設計位置及時埋設測點。拱頂下沉量測，采用精密水準儀和經校核的鋼尺進行測量。按期定時量測，以便了解施工過程中圍巖變化情況。開始5 d內，每天測量3次～4次，5 d～20 d內，每天測量2次，基本處于穩定后，每周測量不少于1次。按每個測點分別繪制拱頂下沉回歸曲線，將信息及時反饋。拱頂允許下沉值控制值為30 mm。

3.4.3 洞內周邊位移監控量測

溶腔范圍內的周邊位移收斂測點，按隧道縱向間距3 m～5 m一個斷面，并與拱頂下沉測點同在一個監控量測橫斷面上，按兩條測線布設測點。測點要在結構開挖噴錨時按設計位置及時埋設。

周邊位移收斂量測采用JSS30/15A收斂儀按時量測，以便了解施工過程中圍巖變化情況。按每條測線繪制水平收斂—時間曲線，分析初期支護穩定情況，推算最終位移值，以便確定二襯進行時間。水平收斂允許值控制同正常隧道施工。

3 m設一個量測斷面，每斷面設7個～11個點，所布測點盡量布置在不易被破壞的地方(見圖4)。

3.4.4 溶腔處格柵鋼架受力監控量測

圖4 測點詳細布設圖

監控量測每隔10榀鋼架設置1對測力計。各個測點布設具體位置，詳見圖4。格柵鋼架所用鋼筋計，采用電阻應變片式鋼筋計。它采用專門防潮措施，反應靈敏，長期穩定。引入計算機技術后，使得測試和數據處理會更精確和方便。

在格柵鋼架安裝完畢后，將電阻應變式鋼筋計，分別安裝在主筋的受拉、受壓部位，然后施噴混凝土。通過引線接至二次儀器，則電阻應變計將其感受到的格柵鋼架主筋的變形轉換成電壓信號輸出，通過預先標定的曲線，就可換算出所測定的受力值。

隧道格柵鋼架受力監控量測，采用預先安裝于主筋的電阻應變鋼筋計和電阻應變儀進行監控量測。

根據量測結果，若判定格柵鋼架屬不穩定狀態，應立即采取措施，加強格柵結構及布置，確保施工安全。

4 結語

本隧道在施工工程中遇到的不同類型的無水松散充填性溶腔及無水空溶腔，通過加強支護等多種方案安全的穿越了溶腔，經總結，有以下感想:1)對于這種地質的隧道，須通過多種超前預測預報準確的確定溶腔的充填情況、溶腔的形態，為穿越溶腔做好前提準備。2)施工中短進尺、弱爆破，及早的封閉支護，并及時的對溶腔進行填充，確保溶腔內的充填物的穩定性，及溶腔周圍圍巖的穩定性。3)超前支護要加強，特別是拱架的鎖腳錨桿及系統錨桿的施作要加強，確保拱架穩定。4)填充混凝土和注漿的配合使用是確保溶腔填充密實的重要手段。5)施工過程中，加強監控量測，確保及時進行二襯的施工。

［1］J 285-2004，鐵路隧道工程施工質量驗收標準［S］.

［2］尖山隧道施工圖［Z］.

［3］劉勝東，孟國基.某鐵路運營隧道溶洞強化治理設計及施工［J］.隧道建設，2010，31(2):82-83.

［4］姜德義，李文明，邱華富.監控量測技術在楓香椏隧道中的應用研究［J］.山西建筑，2010，36(10):294.