隧道洞口溶洞處理技術研究

吳阿力坦巴雅爾

（中鐵二十局集團第二工程有限公司，北京 100000）

1 工程概況

聞江寺隧道出口處為149 m 高峭壁，洞內離洞口5 m 處有大溶洞。洞口原設計有36 根25 m 長大管棚，大管棚從洞外向洞內施作，套拱用C25 混凝土澆筑，中間設置3 榀I18 工字鋼支撐。隧道襯砌內輪廓采用半徑為5.55 m 的單心圓，內輪廓凈高7.05 m，凈寬11.1 m。該段圍巖的主要組成部分為第四系碎石土層厚0～1.0 m，出露及下伏巖層為三疊系下統羅樓組（T11）泥灰巖夾頁巖，薄至中厚層，節理裂隙發育，頁巖較破碎，強至中等風化，巖體完整性指數Kv=0.20，巖石部分為軟巖，單軸抗壓強度Rc=10～25 MPa，自穩能力較差，無支護時振動易產生大規模坍塌及掉塊。圍巖為V 級，圍巖襯砌形式為Va。超前支護采用直徑42 mm，壁厚4 mm 的注漿熱軋無縫鋼管，長度400 cm，間距240 cm×40 cm。初期支護形式采用350 cm 長φ25 mm 中空錨桿，26 cm 厚的C20噴射混凝土，60 cm 間距的Ib20 工字鋼。二次襯砌采用50 cm 厚的C25 鋼筋混凝土澆筑。本隧道所處地形起伏較大，地貌類型為低中山侵蝕、溶蝕、剝蝕地貌，隧道進口位于斜坡上。巖溶是該隧道區域內主要的不良地質狀況，隧道區地下水靠大氣降水及溪溝側向補給，大氣降雨時，雨水下滲后賦存于基巖風化裂隙、溶蝕孔洞中，其水量受氣候影響較大。雨水下滲后地下水沿基巖裂隙、溶蝕孔洞、巖層層面運移，地下水向地勢低洼處散流排泄。開挖至K3+374 時再次出現溶洞，大量填充泥水流下來。溶洞分布方向與線路垂直，位于隧道軸線的左側，整體發展為溶腔。隧道縱斷面及洞口溶洞位置示意圖見圖1。

圖1 隧道從斷面及溶洞位置示意圖

1.1 溶洞發育特征

在隧道K3+374 處掘進時遇到溶洞，該溶洞走向為東西方向，與隧道軸線呈90°相交，另一端一直延伸到K3+390 處，離暗洞出口巖面只有5 m 距離。溶洞內環境惡劣，能見度低，不斷有石塊夾泥掉落，采用激光測距的方式和地質雷達探測法測定溶洞的高度35 m、隧道橫向寬度8 m、隧道縱向長度16 m，溶洞的最大埋深是149 m，溶洞周圍巖石強風化，洞內填充大量泥水，呈灰黃色，薄至中厚層狀，節理裂隙發育，巖體破碎，巖石軟，厚2～5 m。

1.2 洞口情況分析

隧道出口巖面90°強風化峭壁，表面有風化危落石，內部有溶洞，從洞外施作大管棚，鉆孔時有振動巖面掉石塊或整體垮塌傷害施工人員的安全隱患，因此，考慮從洞內向洞外施作管棚。溶洞離隧道暗洞出口面只有5 m 距離，管棚施作后洞口處只有5 m 長度范圍有支撐力，其余段在溶腔內起不到加固作用，因此，需先處理溶洞。溶洞處理不當掘進過程中會引起洞內坍塌，洞口大面積垮塌。溶洞范圍之內有大量危落石，在施工爆破作業過程中，容易誘發溶洞側壁的坍塌，影響結構安全。為此，制訂施工方案時應綜合考慮溶洞和洞口巖體永久穩定性和安全性。從調查結果來看，該溶洞規模大，側壁分布有懸掛巖體，頂部部分布有危巖體，局部偶爾出現掉塊現象。溶洞內施工地質情況復雜，為了穩固溶洞和出口巖體可考慮采用回填溶洞法把整個溶洞用大管棚與山體連成一個整體[1]。

2 溶洞處理方案比選

請相關專家及建設單位、設計單位、監理單位相關人員到現場踏勘，召開處理溶洞及穩固洞口巖體專題研討會，制定處理溶洞、穩固洞口巖體的專項方案，并進行了經濟性比較。具體施工方案如下。

方案一：隧道出口（野梅崗端）溶洞范圍巖體從上往下分臺階放坡全部爆破外運，把此段暗洞變更為明洞，在坡面施作主動防護網做防護。費用見表1。

表1 方案一增加費用統計表

方案二：采用石渣回填再噴射C20 混凝土封閉掌子面，采用地泵泵送混凝土和砂漿回填溶洞，再把大管棚從洞外向洞內施作工藝變更為洞內向洞外施作，把洞口5 m 長巖體與溶洞和隧道主體連城一個整體，避免后期洞口5 m 巖體垮塌，然后按暗洞施工工藝有序施工。費用見表2。

表2 方案二增加費用統計表

方案一施工工期長，費用高，最終根據該溶洞的規模、發育特征、所處位置，同時考慮洞口施工安全，選用方案二，封閉掌子面，用混凝土、砂漿回填溶腔，再從洞內向洞外施作大管棚，把隧道洞口巖面、溶腔與山體連成整體，然后用吊具人工清理洞口危落石，再施工初期支護、二次襯砌、洞口等工程。

3 溶洞處理方案的實施

工藝流程：封閉掌子面→溶腔回填（溶腔底部3 m 范圍用C20 混凝土，其余部位用M10 水泥砂漿）→測量（定位洞內洞外套拱管棚位置）→施作洞內套拱→施作超前大管棚→沉降觀測→洞口危落石清理→施作洞口套拱→洞身開挖支護→二次襯砌。

3.1 封閉掌子面

隧道掌子面采用石渣回填注漿，回填過程中往溶腔內插入4 根泵送管，泵送管采用角鋼固定，再鋪設鋼筋網后噴射30 cm 厚C20 混凝土防護。為了減少回彈量和灰塵采用濕噴工藝，開始施工時向噴射機內注水通風，清除管道內雜物，并人工打設控制噴射混凝土厚度樁再清理濕噴面雜物。混凝土在拌和站集中拌和用罐車運至現場，混凝土配合比由試驗室結合現場確定，原材料必須符合規范要求。噴射作業從下而上分段分層進行，每層厚度10 cm。濕噴機噴頭垂直對準受噴面，離受噴面距離1.5 m 為宜。噴射作業要連續進行，噴射混凝土表面平整、密實、無孔洞。采用覆蓋灑水養護方法養護噴射混凝土7 d。混凝土強度達到設計要求后往石渣內注漿[2]。

3.2 溶腔回填

溶腔回填采用地泵從預留泵送管泵入3 m 厚C20 混凝土，再停歇24 h 后泵入其余部位M10 砂漿。混凝土配合比由實驗室通過試驗配制，坍落度要大一些。泵送混凝土前，先泵送1 m3水、再泵送1 m3與混凝土配比相同的水泥砂漿，清洗潤滑管道后即可開始泵送混凝土。開始泵送時，泵送速度宜放慢，觀察油壓變化應在允許范圍內，待各系統運轉順利時，才用正常速度進行泵送。泵送期間，混凝土的供應要滿足地泵連續工作要求，收料斗內要有足夠的混凝土，混凝土面離收料斗上沿距離10 cm，使混凝土泵送連續作業，當混凝土供應不及時，需降低泵送速度，泵送暫時中斷時，攪拌不應停止[3，4]。混凝土泵送完后要用清水泵送方法清洗收料斗及泵送管，清洗水不得排入河道等污染環境的地方。

3.3 施作洞內套拱

3.3.1 施工放樣

測量人員校核測量儀器、準確計算平縱面坐標，采用全站儀測設套拱兩側和中心點的軸線位置和高程，同時測設每根鋼拱架及導向管軸線位置及高程[5]。套拱模板、鋼拱架安裝完、導向管安設后再復測模板及導向管軸線位置及高程，控制好導向管縱坡，充分發揮導向管導向作用，確保洞口處管棚位置精準，以便施作洞口套拱[6]。

3.3.2 立鋼拱架、安裝導向管

套拱內埋設3 榀I18 型鋼拱架，I18 型鋼拱架采用φ25 mm 鋼筋縱向連接，環向間距0.5 m。I18 型鋼拱架加工前由技術人員仔細計算下料長度及彎曲半徑，然后下料并用彎曲機進行試彎，試彎成型后用模具進行校對，校對合格后沿著此鋼拱架輪廓用石筆畫出彎曲機轉軸的位置，作為加工此類型鋼拱架的轉軸定位標志[7]。每加工1 榀鋼拱架，為保證形狀及結構尺寸符合設計要求必須用模具逐一校核。鋼拱架與連接鋼板采用電弧焊連接，焊工要持證上崗，焊縫必須飽滿，無漏焊、無焊傷，并且保證鋼拱架軸線垂直鋼板中心線，確保構件連接成鋼架后整體的密貼度和穩固性，并要保證鋼架各構件段在同一個平面內。安裝拱架前測設定位安裝鋼架位置并于基座處平放鋼板墊塊，然后分段進行安裝，接頭用螺栓連接。導向管均采用φ127 mm×6 mm 熱軋無縫鋼管，導向管外插角1°～3°，與鋼拱架用鋼筋可靠連接固定，導向管共設36 根，每根長2 m。

3.3.3 內模安裝

套拱內鋼拱架、導向管安裝完成后，根據套拱結構尺寸搭設4 品I14 鋼拱架、間距0.7 m，套拱內模支撐在拱架上，采用φ20 mm 鋼筋環向固定，內模板安裝完成后清理模板上雜物，再搭設外模，外模采用鋼筋固定。套拱示意如圖2 和圖3 所示。

圖2 套拱正面示意圖(單位：m）

圖3 套拱側面示意圖(單位：m）

3.3.4 混凝土澆筑

混凝土用輸送泵澆筑，強度等級C25，木模板與鋼支架能夠承受所澆筑混凝土、作業人員和施工設備的重力，側壓力及在施工中所產生的其他各種荷載。拱圈混凝土要分層兩側對稱澆筑，兩側澆筑高度差宜控制在1 m 以內，混凝土連續澆筑振搗密實，應一次澆筑成型。

3.3.5 養護

拱圈混凝土澆筑完成后根據氣溫情況用土工布、塑料膜覆蓋灑水養護7d 以上。

3.4 施作大管棚

3.4.1 管棚設計參數

管棚鋼管為φ108 mm 型熱軋無縫鋼管、壁厚6 mm、長度25 m。管棚現場分節制作，每節長度分別為12 m 和13 m，相鄰兩個鋼管接頭錯開1 m，隧道橫向同一斷面處的接頭數不大于50%，鋼管接頭采用正反絲扣連接，絲扣有效長度不小于15 cm。管棚沿隧道橫斷面環向間距中心至中心為40 cm，鋼管外插角度為1°～3°，鋼管施工誤差徑向不大于15 cm。鋼花管示意如圖4 所示。

圖4 管棚鋼花管示意圖（單位cm）

3.4.2 管棚施工

鉆機軸線位置準確、固定牢靠，鉆孔應從下而上隔孔鉆進，為方便插入鋼管鉆孔孔徑比鋼管外徑大于20mm，鉆進中應經常采用測量儀量測鋼管鉆進的偏斜度，發現偏斜超過設計要求及時糾正。管棚的鋼管偶數孔采用無縫鋼管，奇數孔采用注漿鋼花管，鋼花管漿液滲濾孔布置如圖4 所示（鋼花管由無縫鋼管加工而成）。每個奇數孔成孔、清孔、驗孔合格后采用挖掘機配合鉆孔機的方式及時裝設鋼花管并壓注水泥漿，奇數水泥漿達到設計要求后開鉆偶數孔，成一個孔要及時安裝鋼管防止塌孔。偶數孔鋼管內注滿水泥漿提高鋼管強度。偶數孔的施工一方面可以檢查奇數孔注漿是否飽滿，另一方面若注漿量不足也可以進行補充注漿，提高注漿加固圍巖的效果。鉆孔、安裝鋼管、注漿等各道工序必須做好施工記錄，確保施工質量。

3.4.3 管棚注漿

奇數鋼花管管棚安裝后及時進行清孔注漿，再打設偶數管棚，漿液采用P·O42.5 水泥單液漿，注漿機采用液壓型注漿機。開始注漿前做水壓試驗，測定圍巖吸水性和圍巖滲透性，為選擇泵壓和注漿液配合比做參考。注漿壓力1.0～2.0 MPa，水泥漿水灰比0.5∶1～1∶1，注漿壓力達到設計值或注漿量達到設計量的95%時持續穩壓注漿10 min 后可以停止注漿，注漿量不足的應補注漿。壓漿要專人負責，隨時觀察壓漿壓力、漿液流動性及周圍情況確保壓漿效果。

3.5 沉降觀測

套拱拱頂、拱腰、拱腳處分別設置沉降觀測點，隨著掘進進度每隔5 m 再設置沉降觀測點，沉降水準測量精度為±1 mm，讀數取位至0.1 mm。每天進行定期觀測并詳細記錄觀測數據、繪制沉降時態曲線，整理數據，以實測數據指導施工，出現異常情況時加密監測。

3.6 洞口危落石清理

在山頂地質穩固處插打錨固安全樁，并驗證其安全性，每次作業前對安全樁進行檢查，如發現有松動應及時進行加固處理，或者重新插打安全樁。安全樁與吊籃可靠連接，吊籃必須由專業單位安裝，確保吊籃的運行可靠性，并且現場要有專職安全員盯控。清理工戴好安全帽、系好安全帶，坐在吊籃內慢下，采用鑿石撬杠等工具從上往下逐層清理。對風化松動巖石塊和有裂紋的巖面撬開清理，保證洞口施工作業期間無石塊松動塌落，避免高空墜落傷人。針對浮石浮土采取一看、二敲、三撬的作業方法，對可能隨時滾落的零小危石、活石用鐵鍬清理；對于危巖體采用機械鑿孔，鋼契擠壓的方法進行破碎處理。

3.7 初期支護及二次襯砌施工

清理完洞口危落石、施工完洞口套拱后，采用“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針法開挖支護，并根據變形觀測數據，初期支護穩定后及時模筑二次襯砌鋼楔混凝土成功處理了溶洞、安全通過了洞口。

4 結語

在貴定至野梅崗公路聞江寺隧道出口（野梅崗端）溶洞處理中采用封閉掌子面、溶洞回填、洞內向洞外施作大管棚方案安全處理了溶洞并順利貫通了隧道。施工過程中出現不少未知因素、遇到不少困難，但在相關單位鼎力支持和各級人員上下同心共同努力下克服了一切困難，保質保量完成了施工任務、節約了成本、控制了安全、確保了工期，這也充分說明了此方案的可靠性和可行性。