姜家溝隧道大變形施工與巖溶處理技術

姜 凱

(中鐵十九局集團第六工程有限公司,江蘇 無錫 214000)

1 工程概況

姜家溝隧道起止里程為D1K277+725～D1K280+030，全長2 305 m，最大埋深184 m。隧道范圍內出露地層為：上覆第四系全新統坡洪積層(Q4dl+pl)及坡殘積層(Q4di+el)；下伏地層分別為：志留系奧陶系中上統(O2+3)，奧陶系下統湄潭組(O1m)，桐梓組、紅花園組(O1t+h)及寒武系婁山關群(∈2-3ls)。地質構造及地震隧區為單斜構造，巖層產狀：N5°～22°/12°～19°W，代表性節理產狀：N80°/78°W、N22°/75°E、N80°/90°。隧道D1K277+840～D1K277+880大變形段采用Ф42 mm小導管支護，環向間距0.4 m，每2.4 m一環，每環23根，每根長3.5 m，D1K277+880～D1K277+920采用Ф76 mm中管棚支護。隧道全環設工字鋼(I18)，間距0.8 m。隧道進口至D1K277+956.4段穿越灰巖底層，為中厚層至塊狀灰巖，巖溶強烈發育，地表發育有溶隙、溶蝕洼地，為隧道巖溶水提供了良好的補給通道，同時測區溝壑縱橫，為地表水匯集提供良好條件，為可溶巖區提供大量的地表水補給，巖溶水發育，水量豐富。D1K278+328至出口段為白云巖，中厚層狀，節理裂隙發育，巖溶水較發育，以巖溶泉形式出露于出口右側溝槽，水量2L/s，出露標高1 590 m，高于隧道出口標高。隧道雨季最大涌水量為9 150 m3/d。根據鉆探揭示D1K277+630～+730段發育有兩層溶洞，上層溶洞標高約1 550.07～1 539.2 m，溶洞高約4～10 m，下層溶洞標高約1 539.67～1 513.2 m，均充填軟塑狀黏土夾碎石。隧道D1K277+725～D1K277+925段、D1K279+080～D1K280+030段巖溶中等發育段，存在施工涌泥、涌水可能，施工風險高。

2 隧道大變形段施工方法

隧道進口大變形段為V級圍巖，采用臺階法施工，上臺階與中、下臺階開挖采取平行作業。在上臺階開挖后，及時封閉掌子面，初期支護及時成環。中、下臺階開挖施工嚴禁同時兩側對挖，左右邊墻必須交錯開挖[1-2]。仰拱開挖采取勤量測、快封閉、早支護、短開挖，開挖完后馬上進行鋼架支護施工，及早封閉。

2.1 超前支護

(1)Ф76 mm管棚施工。超前管棚采用Ф76 mm熱軋無縫鋼管，布置于隧道拱部，距離開挖線外圍30 cm分布，環向間距為40 cm。管棚外插角以1°～3°為宜。管棚施工段開挖時，先不開挖下臺階，把下臺階作為施工混凝土導向墻和管棚平臺，保證平臺兩側寬度大于1.5 m，施工平臺高度和寬度分別為2.0和2.5 m。

①施工導向墻。管棚設厚1 m的C20混凝土導向墻，導向墻設I18鋼架2榀。從管棚起始斷面往前3 m范圍開始，拱頂采取擴挖施工，拱頂150°范圍超挖40 cm，采用3榀I18鋼架制作導向架，對超挖部分噴射C25混凝土作為管棚施工導向墻[3-4]。環向支撐采用鋼拱架，管棚的導向管焊接固定在鋼拱架上。

②制作管棚。編號為單號的管棚采用Ф76 mm鋼管，管壁設間距18.8 cm、孔徑0.1～0.16 cm的梅花型孔，管尾止漿段長110 cm。編號為雙數的管棚不設孔，長度為6 m或9 m。

③鉆孔。由兩邊向中間、從上至下用方木根據孔位按“井”字形依次搭好鉆孔平臺。鉆機采用Ф89 mm液壓鉆機，為避免因平臺晃動造成鉆機出現不均勻下沉、傾斜、擺動而影響鉆孔質量，平臺方木用扒釘連接[5-7]。為避免因鉆機移位造成孔位偏差，鉆孔施工中用測斜儀對鉆桿偏斜度進行控制，發現鉆孔出現偏斜應及時糾正，保證鋼管環向、縱向間距誤差分別不超過10和20 cm。

④清孔、放鋼筋籠、下管。鉆孔檢測滿足要求后，在雙號與單號孔分別放入無孔與有孔鋼管，用鉆機旋轉把鋼管頂進孔內，鋼管用絲扣連接。為保證管棚受力，同一斷面鋼管接頭數不得超過鋼管數量的一半，并且相鄰鋼管接頭錯開距離不得超過1 m。雙號、單號孔第一節管棚分別采用6和9 m的鋼管，后續管棚均采用6 m的鋼管。

⑤注漿。漿液采用水泥漿，用型號為NZ-130A的注漿機全孔壓入。先通過注漿現場試驗確定外加劑摻量與注漿參數，注漿采取先稀后濃、由上而下進行。注漿完成后，為提高管棚的強度與剛度，用M7.5水泥漿充填密實。

2.2 超前小導管施工

隧道進口大變形段D1K277+840～D1K277+880設超前小導管。為防止漿液前沖，方便小導管插打，將其前端加工成錐形。在小導管中間部位鉆Ф10 mm的溢漿孔，為防止注漿出現死角，呈梅花狀布置，間距為20～30 cm[8]。為防止漏漿，小導管尾部1 m范圍內不設鉆孔。施工中為避免因小導管端部開裂影響小導管的連接，其末端焊Ф6 mm的環形箍筋。

(1)布置超前小導管。超前注漿小導管長3.5 m，2.4 m一環，環向間距0.4 m，外插角為5°～10°，縱向搭接長1.1 m，采用壁厚3.5 mm的Ф42 mm熱軋無縫鋼管制作。

(2)鉆孔。鉆孔采用鑿巖機，鉆孔方向垂直于開挖面，仰角5°～10°，用紅漆標出孔位。為保證鉆孔順直，鉆孔時應避免鉆桿出現擺動。為避免塌孔，鉆孔完后應用吹管吹出孔內碎渣。

(3)頂管。把超前小導管插入孔內，在管尾30 cm處將麻絲纏繞在管壁上形成紡錐狀，并用膠帶纏緊。開動鉆機，利用其沖擊力把小導管頂進孔內，導管入孔深度不得小于管長的90%。

(4)注漿。注漿水泥砂漿，注漿機型號為NZ-130A。注漿參數由注漿現場試驗確定，砂漿水灰比應控制在0.5∶1～1∶1，水泥強度等級應不小于42.5級，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。為避免跑漿，噴射5～10 cm厚砼作為止漿盤。

2.3 洞身開挖

大變形段根據圍巖地質情況、完整性和穩定性選擇三臺階法進行洞身開挖。開挖方式采用機械+人工方式或者弱爆破方式進行。(1)開挖上臺階。先施作拱部超前支護，在超前支護的保護下按照開挖輪廓線進行上臺階土體開挖，并用小推車將棄土運至下臺階，再通過運渣車運出洞外。上臺階開挖完成后，及時施作上臺階初期支護，并取得監控量測初始數據。(2)開挖中臺階或下臺階。先開挖中臺階左側圍巖土體，用小推車將棄土運至下臺階，再通過運渣車運出洞外。及時施作初期支護，并取得監控量測初始數據。按照同樣方法開挖中臺階右側土體。下臺階開挖按照中臺階開挖方法和步驟進行開挖。(3)開挖仰拱并施作仰拱和仰拱填充。仰拱土體采用機械+人工方式開挖，自卸汽車將棄土運出洞外。仰拱開挖合格后，施作仰拱初期支護，并及時施作仰拱和仰拱填充，以確保隧道開挖安全。

3 隧道巖溶處理技術

隧道巖溶處理采取“早預報、強支護、早襯砌、快封閉、先治水”的原則開展施工。施工前采取地震波反射法、超前水平地質鉆孔和加深炮孔、地質素描等方法對巖溶地段進行探測。

(1)巖溶水。堅持“宜疏不宜堵，以排為主”的原則處理巖溶水。先用超前鉆探測是否存在巖溶水，對探明的巖溶水采取排放處理。通過超前地質探測手段，查明水的流向，采取注漿的方法形成注漿加固圈，提高隧道的承載力，控制巖溶水排放量。根據水源流向與隧道位置情況，合理設置涵洞、暗管、泄水洞等對巖溶水進行宣泄和引排。D1K277+925～D1K279+080段二次襯砌拱部、邊墻及仰拱混凝土抗滲等級不低于P8，D1K277+725～D1K277+925、D1K279+080～D1K280+030段二次襯砌拱部、邊墻及仰拱混凝土抗滲等級不低于P10。襯砌背后環向設Ф50 mm雙壁打孔波紋管(外裹無紡布)，每10 m一環，邊墻腳縱向設Ф80 mm單壁打孔波紋管(外裹無紡布)。邊墻設PVC管泄水孔，間距不大于2 m，直接用縱向、環向盲管把泄水孔的水排入側溝，縱向盲管入側溝處的泄水管采用Ф80 mm管。泄水孔采取水溝施工前用打孔的方式施作。D1K277+725～D1K277+925、D1K279+080～D1K280+030段巖溶中等發育，取消襯砌背后環向盲管，襯砌背后地下水通過縱向盲管和凸殼式立體防排水板匯入邊墻泄水孔，再引入側溝。

(2)巖溶洞穴。①小型溶洞采用回填處理，處理方法如圖1所示。溶洞位于拱腰以上時，先清除充填物，再泵送C15混凝土回填。為防治回填砼對后續襯砌的影響，溶洞周邊施作錨桿。溶洞位于邊墻位置時，先回填干砌片石，再用M7.5漿砌片石封堵。在邊墻位置設間距2 m的Ф10 cm軟式透水管與排水溝連通。溶洞位于隧道底部位置時，先清除充填物，再采用C15片石混凝土回填。②大型溶洞處理方法如圖2所示。溶洞位于拱腰以上且無充填物或充填物能清除時，先泵送厚度不低于50 cm 的C25混凝土，再施作間距1.2 m × 1.2 m、入基巖深度大于1.5 m的錨桿。然后掛鋼筋網，噴射混凝土，設間距2 m的Ф10 cm軟式透水管與Ω型排水管連通。溶洞位于拱腰以上且充填物不能清除時，先施作間距30 cm，Φ42 mm × 4.0 mm超前小導管。預裂爆破后，施作間距50 cm的18工字鋼，設間距2 m的Ф10 cm軟式透水管與Ω型排水管連通。③隧道底部大型溶洞處理如圖3、圖4所示。隧道底部大型溶洞采用樁基或M7.5漿砌片石擴大基礎加C25鋼筋砼梁跨過，鋼筋砼梁厚0.5～1 m。

圖1 小型溶洞處理示意圖

圖2 拱腰以上大型溶洞處理示意圖

圖3 橋梁跨越處理溶洞示意圖

圖4 擴大基礎處理溶洞示意圖

4 結語

隧道大變形施工和巖溶處理一直是隧道施工中的重點和難點。采用上述方法，安全順利地完成了該隧道大變形和巖溶段施工，各項監測與質量檢測指標均滿足規定要求，表明采用的大變形和巖溶施工方法是成功的，為隧道大變形和巖溶處理積累了經驗。