新屋基隧道遇大型填充偏壓溶洞處理措施探索

劉瑞美

摘要： 新屋基隧道位于碳酸鹽巖分布區，巖溶強烈發育區。左線隧道ZK26+362～ZK26+381段從特大偏壓填充型溶洞中穿過，施工初期采取的常規溶洞處治措施未能達到目的。最終創造性地利用預應力錨索處治滑坡的思路，成功進行了本項目的大型偏壓填充型溶洞的處理，以期能給其它此類溶洞處理施工的技術人員一些啟示。

Abstract： Xinwuji Tunnel is located in the carbonate rock distribution area and the karst strong development area. ZK26+362 - ZK26+381 segment of the left-line tunnel passes through the extra-large eccentric filled bias cave. The conventional karst treatment measures used in the initial construction fail to achieve the goal. The method of using prestressed anchor cable to deal with the landslide successfully carried out the treatment of large eccentric filled cave to some enlightenment to the technical personnel of this kind of cave.

關鍵詞： 新屋基隧道；溶洞處理；填充偏壓型；預應力錨索

Key words： Xinwuji Tunnel；treatment of karst cave；filled bias type；prestress anchorage cable

中圖分類號：U455.49 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）12-0146-03

1 工程簡介

新屋基隧道是重慶沿江高速公路重慶至涪陵段的重要工程之一，隧道方向由西向東，最大埋深471m。為深埋特長隧道分離式隧道。

其中，左線起止樁號ZK25+545～ZK31+547.077，長6002.077m其中Ⅲ級圍巖2408m，Ⅳ級圍巖2617m，Ⅴ級圍巖957m。

隧道所經地區為構造侵蝕一溶蝕中低山地貌。山脈多呈波狀高低起伏，欲連似斷，以坡陡、脊薄為其特點，山上多為植被覆蓋，碳酸鹽巖分布較廣，在山間形成南北延伸的巖溶槽谷，密集分布著溶洞、洼地、落水洞、漏斗、溶溝、溶槽等。

2 遇溶洞后的處理方案及效果

2.1 揭示溶洞

左線隧道掘進至里程ZK26+362時揭示了填充型溶洞，掌子面揭示溶腔內填充物為軟塑狀黏土，含小石塊，結構松散，含水量稍高，有弱巖溶水活動跡象。超前地質探孔表明前方填充物的工程地質特征與掌子面所揭示相類似，發生突水、突泥等地質災害可能性很小。

地質鉆孔探明隧道下溶洞填充物厚度為6～7m，其工程地質特性也較好。

2.2 初期采取的施工處理措施

根據所掌握的溶洞發育特征及填充物工程地質情況，采取的超前支護措施為：超前帷幕預注漿+φ108大管棚。通過向溶腔內填充物注入漿體，形成在隧道邊緣線外，厚度為5m的加固圈。以增加周邊圍巖的強度，使圍巖形成自穩平衡拱。

采取短臺階法法開挖，初期噴射C25砼，厚度25cm，I16工字鋼拱架間距由1.0m加密至0.5m，拱腳處設置5m長的鎖腳錨管。

3.5m長的？準25中空錨桿作系統錨桿。

2.3 處理效果

當掘進至里程ZK26+369時，發現位于溶腔內的鋼拱架均出現變形，部分超限。等變形穩定后進行換拱，換拱時出現小面積坍塌。但過了4d后，又出現鋼拱架變形及部分超限，支初噴混開裂及脫落現象。鋼拱架變形、超限和初支噴混開裂脫落部位基本集中在隧道左側。

3 對溶腔進行了詳細的地質勘察及鋼拱架變形原因分析

3.1 詳細的地質勘察

經再次對隧道進行詳細的鉆探勘察，發現左側填充層厚11～16.5m，填充物中含有巨型孤石。右側厚3～7m。前方洞壁位于隧身里程ZK26+381處，無法確定其堆積高度。溶洞兩側洞壁基本為垂直發育的形態。

其中ZK26+368斷面的巖溶發育情況如圖1所示。

3.2 鋼拱架變形原因分析

根據鉆探勘察結果，對鋼拱架再次發生變形超限的原因進行了研究及分析，認為是如下原因。

①地質差，偏壓大。因溶腔內填充物松散，巖溶水的存在增大了流動性，自身不能形成自然平衡的普氏拱，且施工破壞了原來脆弱的平衡狀態，致使所有上方填充物的壓力均作用于隧道洞身上。

鋼拱架后變形侵限主要集中在隧道左側，且左上方填充物中含有巨型孤石，說明溶腔內填充物對隧道造成較大的左側偏壓，常規處治方法無法抵抗巨大偏壓力。為本次溶洞處理的關鍵技術難題。

②填充層厚。因左側填充層厚11～16.5m，右側厚3～7m。單根長5m鎖腳錨管無法起到固定作用。

③二臺階法不適合該溶腔。為了便于機械作業，溶腔段的隧道掘進采用二臺階法，但造成臨空面太大，不利于掌子面穩定。

④上臺階基腳軟弱。因洞身處于溶腔內，上臺階初支鋼架基腳落在承載能力差的軟弱填充物上，導致鋼拱架及拱頂下沉，易造成坍方。

4 本項目關鍵問題——偏壓的處理措施

鋼拱架變形超限后，邀請設計單位根據鋼拱架變形特征進行計算，并經現場測試，獲知左側隧道洞身每米承受的土體推力為350kN，右側為98kN。

本隧道溶洞處治的關鍵在于解決洞內填充物產生的巨大偏壓力，本項目借鑒了路基處理大體積體邊坡滑坡處理的經驗，將預應力錨索應用于本項目的溶洞處理。

使用的預應力錨索規格為3？準j15.2，隧道左側錨索設計如下。

4.1 錨索數量計算

本項目采用7根鋼絲組成的？準j15.2mm型鋼絞線，每根錨索由3根鋼絞線組成。每米隧道洞身需要錨索數量計算：n=（Fal×Pt）/（3×Pu）（1）

式中：Fal為本項目采用的安全系數，取2.0；Pt所承受的填充物推力（kN）；Pu為單根鋼絞線極限張拉荷載，取259kN；m為每根錨索的鋼絞線數量，本項目為3。

則：（2×350）/（3×259）=0.9。

本項目左側隧道洞身按每米設1根預應力錨索。

4.2 錨固長度計算

①按鋼絞線與水泥砂漿間的粘結強度計算錨索錨固長度Lsa=（Fs2×Pt）/（π×ds×τu）（2）

式中：Lsa為錨索的錨固長度（m）；Fs2為抗拔的安全系數，取2.5；ds為錨索外表直徑，取0.03m，τu為鋼絞線與水泥砂漿間的粘結強度，取2.95MPa。

則：（2.5×350）/（3.14×0.03×2950）=3.1m

②按鋼絞線與孔壁抗剪強度計算錨索錨固長度。

Lsa=（Fs2×Pt）/（π×dh×τ） （3）

式中：dh為錨孔的直徑，取0.1m；τ為錨孔壁與水泥砂漿的粘結強度，取2.0MPa。

則：（2.5×350）/（3.14×0.1×2000）=1.4m

③選定錨固長度。

結合上述計算結果，并考慮到洞壁圍巖的不完整性，取錨固長度為5.0m。

同理計算得隧道右側錨索為每3m設置1根即可。

5 針對初支變形原因采取的技術措施

采用預應力錨索抗偏壓力，并結合以往填充型溶洞的處理方法，經綜合比選，本項目溶洞處理所采取的綜合處理技術措施如圖2所示。

①采用微臺階留核心土法進行掘進。針對填充物夾石，易坍塌的情況，采用超前帷幕注漿+？準108大管棚。注漿管采用D42超前小導管。穿越溶洞段設置一環管棚，為外徑108mm，壁厚6mm，外插角2°，設置范圍為拱部120°內，注水泥漿，長度為30m。

②針對地質差，偏壓大等特點。采用預應力錨索加固初支。錨索總長按兩側填充物厚度+不少于5m的嵌巖深度。根據預應力錨索設計計算結果。在隧道左側拱腰中部及上下2m處各設置一排錨索，每根長22m，同排錨索間距為3m，排間錨索錯開設置；右側隧道在拱腰最大跨處設置一排，錨索間距為3m，每根長12m。施加的預應力為300kN。錨索采用水平角度施工，錨索緊扣鋼拱架。

③針對隧道承受的填充物偏壓力非常大，使鋼拱架產生較大的變形量。采用承載能力更強的大尺寸I22b工字鋼拱架代替原來的I16工字鋼拱架，按間距為50cm布設，拱腳處設置鎖腳錨管注漿。鋼架間采用間距為30cm的Φ20螺紋鋼焊接聯接。初支噴射C25混凝土。

④隧道拱部及墻身的系統錨桿為Φ25自進式中空錨桿，長5m，按間距為1.5m梅形布置。仰拱底部設置長3.5m的？準25中空注漿錨桿。

⑤對初支鋼架基腳進行注漿擠密處理，以確保上臺階鋼架基腳處牢固，有足夠承載能力。同時，沿隧道縱向在拱腳處采用[22槽鋼作為墊梁，降低鋼架基腳處土體承受的壓強。

6 處理措施施工時的關鍵技術

6.1 錨索施工

①編制了詳細的錨索施工方案報批，并對現場技術及作業人員進行交底。

②特別加強監控錨索鉆眼施工的角度問題。通常路基防護時錨索為傾斜向下鉆孔，但本項目需改為水平角施工，是為了避免鉆進角度向下時，錨索張拉后會給初支鋼架一個向下分力，導致初支下沉的情況發生。

③加強錨索張拉前后的圍巖變形監控量測工作，避免了安全事故的發生。

6.2 對松散填充層進行鎖腳錨管注漿

①錨管第一個注漿孔距管口（注漿口）2m。管壁每隔20cm交錯鉆眼，眼孔直徑6～8mm。②錨管注漿采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿終注壓力控制在0.2MPa。當圍巖土體出現明顯變形時亦停止注漿，不受終注壓力限制。

6.3 填充物夾石的超前帷幕注漿，

①針對填充物夾石，易坍塌的情況，采用超前帷幕注漿，注漿管采用D42超前小導管。小導管單根長13m，外插角不小于30°，注漿管環向間距控制在30cm，采用雙環布置，環間距30cm，兩環注漿管梅花間距錯開布置，漿液采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿壓力控制在0.2MPa。

②注漿時按從外向內，由低到高的順序，并做到同一圈孔間隔注漿，注漿壓力0.2MPa。

③注漿過程中對孔位、孔徑、孔深、漿液配比、注漿壓力、注漿量等做好施工記錄。

6.4 上臺階基腳軟弱

對拱架基腳進行注漿擠密處理。漿液采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿終注壓力控制在0.2MPa。當基腳土體出現明顯變形時亦停止注漿，不受終注壓力限制。

7 處理效果

圖3為ZK26+375斷面的隧道周邊收斂、拱頂下沉監控量測值的S-T曲線圖。從圖中可看出第15d以后周邊收斂、拱頂下沉的曲線趨于水平，表明第15d以后周邊收斂、拱頂下沉已趨于穩定。在第20d時隧道的周邊收斂總值為11.6mm，拱頂下沉總值為8.5mm。均小于設計及規范的規定。

表明采用預應力錨索成功解決了隧道洞身偏壓問題，而大管棚等作為拱頂及側壁支撐，再輔以大尺寸工字鋼拱架及帷幕注漿等措施，共同確保了隧道穿越溶腔的安全施工及質量目標。

8 結束語

在新屋基隧道穿越特大偏壓填充型溶洞時采取了增設錨索、增設鎖腳錨管并注漿、超前帷幕注漿、使用大尺寸工字鋼拱架等綜合處理措施。確保了隧道順利穿越大型偏壓溶洞的安全施工。

在本項目中創造性地使用了預應力錨索進行溶洞填充物偏壓的處理，對成功處理溶洞起到了關鍵作用。預應力錨索可以使錨固地層產生壓應力區并對加固地層起到加筋作用，可以增強地層的強度，改善地層的力學性能。同時預應力錨索使結構與巖石地層聯結在一起，形成共同工作的復合體，使隧道洞身承受的偏壓力傳遞至穩定整體圍巖上，確保隧道洞身的結構穩定及施工安全。

通過此次施工，我們創造并總結了一種高效優質完成大型填充偏壓型溶洞處治的方法，積累了施工經驗，為今后類似隧道施工打下了堅實的基礎。

參考文獻：

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