填充型巖溶隧道施工處治措施探討

孟慶鋒，周騰飛

（中交三公局第一工程有限公司，北京 100000）

1 巖溶簡介

1.1 地質水文情況

項目位于桂林市，雙向四車道隧道，屬于典型的喀斯特灰巖強巖溶發育區，構造侵蝕、溶蝕峰叢谷地地貌區；該區域雨量充沛，年平均降雨150～204 d，多年平均降雨量1 804.2 mm，雨季時間長，該隧道地下水主要為碳酸鹽巖巖溶裂隙水，季節性變化較明顯。

1.2 巖溶發育情況

經開挖揭露該巖溶區多以溶蝕裂隙、溶槽等填充型溶洞為主，軟塑狀黏土、粉砂質黏土夾孤石填充，呈串珠式溶腔發育，分布在拱頂、拱腰、拱底等部位，拱頂多以漏斗狀為主，易發生突泥、坍塌等不良地質災害，時有大塊孤石滑落，下砸拱架和作業臺車，開挖界線外泥質填充溶腔強發育，拱鎖腳持力層較差，雨季時溶槽發育區水量較大，有明水或流狀水出現，局部可能出現承壓水。

2 隧道巖溶探測

2.1 巖溶區綜合超前預報

施工中需采用綜合超前探測預報方法，結合多種探測手段的優缺點進行綜合研判，遵循“能測則測，應測盡測，多手段多層次”的原則，盡可能查明掌子面及周邊巖溶發育情況，提高預報的準確性，為巖溶處治提供真實、有效的數據支撐，避免因處治不當，造成塌方、換拱等危險和時間、成本上的損失[1]。

2.2 超前地質探孔

由于巖溶的不規則性、多樣性和復雜性，導致常規物探手段無法準確探明地質情況和巖溶大小，對探測異常區和探測盲區需進一步采用鉆探手段，以探明和驗證開挖工作面前方地質和水文條件，基于物探先行的數據分析，結合鉆探設備的特點，確定鉆孔的位置、個數、傾角及長度。

項目選用多功能液壓潛孔鉆探設備和加深炮孔的方法進行鉆探，物探異常區采用常規布孔規則進行驗證，物探盲區特別拱頂范圍布設3個潛孔鉆鉆孔，沿隧道開挖輪廓線外宜按20°～45°外插角打入，根據鉆進速度、聲音、巖粉、塌孔情況、沖洗液顏色和流量等對前方地質做出判定，對于危險性較大的復雜地質采用取芯鉆頭進行取樣驗證。

3 處治措施

3.1 處治措施存在的問題

原相關設計單位根據巖溶大小和部位制定了巖溶處治措施，但是巖溶處治措施基本都是事后處治，沒有涉及預防突泥、坍塌、拱架變形等可行的措施，對于處治溶腔填充物方面沒有建議性的措施。

3.2 施工發現問題

1）隧道巖溶處治過程中填充物為黏土夾孤石填充，傳統的超前支護和注漿效果不明顯，黏土滑落后，有大塊孤石掉落，下砸型鋼骨架和超前導管，導致超前支護和型鋼支護體系失效；

2）由于開挖輪廓線外泥質填充或串珠式溶腔發育，傳統鎖腳無法限制拱架變形；

3）半填充型或塌方溶腔泵送混凝土回填至拱頂后空腔內部填充物受雨季影響處于不穩定狀態，導致初支偏壓或下砸開裂侵線；

4）溶腔處治后堵塞排水通道，導致初支表面滲漏水，局部流水狀；

5）巖溶處治中拱頂局部位置應力集中，導致拱部初支斷裂侵線60～80 cm。

3.3 處治措施細化

3.3.1 保圍巖

1）開挖方式：巖溶區域在掌子面不穩定或溶腔較大的情況下采用三臺階七步開挖法或微臺階法替代傳統的兩臺階和預留核心土開挖方法，開挖過程中盡快施作中下導坑和仰拱，使初支盡早閉合，縮短仰拱到掌子面的距離；若遇突泥、塌方處治或整體圍巖無自穩能力時，宜加大預留沉降值，必要時以雙層初支厚度進行開挖，根據監控量測數據為后續增加襯砌厚度或支立第二層工字鋼預留空間，預防因預留沉降量過小，導致初期支護侵線換拱[2]。

2）超前支護：填充型溶腔在拱頂時，為預防突泥、坍塌，將φ42 mm×4 mm超前小導管由原來單層超前改為雙層超前，原來雙層超前改為每榀施作超前，為增強超前支護的剛度和抗剪能力，將φ42 mm導管改為φ42 mm/89 mm導管，打設過程中若遇孤石，則超前導管內增設HRB400鋼筋或鋼筋籠，防止孤石滑落，根據溶腔大小選擇超前支護的長度和開挖進尺，確保超前支護搭接長度是開挖進尺的3倍以上。

3.3.2 穩基腳

1）為增強拱架受力和限制拱架下沉，拱腳位置鎖腳錨管的直徑、根數和長度進行調整，將原來每側2根φ42 mm鎖腳錨管變為4根，長度由4 m改為6 m，周邊地質有串珠式溶洞時，每側增設2根φ89 mm鎖腳錨管；

2）若掌子面和周邊地質不良，圍巖穩定性較差時，則每個臺階的拱腳1 m處增設2根I12/14工字鋼進行縱向連接，縱向連接工字鋼底部增設鎖腳錨管；

3）若開挖中下導坑對初支擾動較大、拱腳底部易脫空和拱頂有較大填充體時，拱腳底部宜增設縱向臨時墊梁，擴大拱腳的受力面積，另外加工拱腳連接板的保護裝置，采用預制塊對拱腳進行支墊；

4）鎖腳周邊地質軟弱無持力層時，上臺階增設臨時仰拱，及時閉合初支受力，防止拱頂下沉速率過快或中下臺階開挖時防止因拱腳脫空，導致拱架下沉初支侵線。

3.3.3 固側壁

1）為增強開挖后周邊圍巖的自穩能力，避免支護剪切破壞的產生，將原設計藥卷系統錨桿改為中空注漿系統錨桿，將中空注漿系統錨桿變為φ42 mm注漿系統錨管，系統錨管間距和長度根據周邊圍巖的特點進行適當調整，環向間距一般為0.6～1.2 m，長度一般為4～6 m，過程中及時驗證注漿加固效果，必要時做受力分析；

2）對于填充型溶腔，要對填充物進行預處理，特別對拱部90°范圍內的腔體，需強化填充物的穩定性，對于漏斗狀的溶腔一般采用φ89 mm導管，傾角30°左右，長度以打穿腔體為標準，可根據實際情況確定打設層數和根數[3]。

3.3.4 重防排

1）溶腔內部有排水通道的，采取保護措施，保障排水通道的暢通；若為裂隙發育則空腔內增設排水管，將水引流至隧道排水系統，安裝時注意不要因淤積等原因導致排水管堵塞；

2）初支完成后，在溶腔部位特別空腔部位打設不少于3根φ42 mm鋼花管引流，防止空腔內形成承壓水，對隧道受力造成影響；調整環向排水管的間距，在巖溶區進行加密，一般4～6 m一道；

3）防水板搭接時采用三縫爬焊機代替雙縫爬焊機，對搭接寬度和焊縫的氣密性嚴格控制，對預留洞室處的防水重點關注，襯砌施工縫或沉降縫要避開防水板搭接或預留洞室1 m以外。

3.3.5 勤量測

1）巖溶區監控量測點間距由原設計的5～10 m調整為3～5m，地質較差時每循環增設監控量測點，另外，根據開挖方式的改變，相應增加環向監測點；

2）監測時間除常規監測外，根據工藝時間增加監控次數，例如開挖中下臺階和仰拱、巖體爆破等，以便分析工藝對處治措施的影響；

3）根據天氣情況增加監控量測的次數，暴雨、大雨時每天增加3～5次，中雨、小雨時每天增加2～3次；

4）完善預警反饋和處治機制，各參建方對預警段落要有高度的敏感性和危機感，及時對預警進行管控。

4 工程實例

4.1 巖溶情況簡介

承建的雙向四車道高速公路隧道位于喀斯特地貌區，隧道全長820 m，穿越巖溶區占比46%，為強巖溶發育區，巖溶類型全為填充型溶腔或溶槽。其中，在ZK98+605處出現軟塑狀黏土夾孤石填充型溶腔，沿隧道縱向長約8 m，拱底溶槽寬約3 m，拱頂呈漏斗狀，拱頂溶腔寬約5 m，易產生突泥和塌方危險，右側開挖界線外巖溶發育，圍巖呈中風化灰巖，中～薄層構造，穩定性一般，橫斷面溶洞與隧道典型關系如圖1所示。

圖1 橫斷面溶洞與隧道關系示意圖

4.2 巖溶處治措施

采用三臺階開挖法，每循環進尺1～2榀拱架間距，預留沉降量30 cm，拱頂溶腔采用φ89 mm鋼管打穿腔體對填充物進行支護和注漿加固，間距40 cm，長度12 m+襯砌結構為φ50 mm×5 mm超前注漿導管，每榀做超前支護，每兩榀管內增加φ32 mm螺紋鋼抗剪防止孤石滑落，導管長4.5 m+I20a工字鋼間距50 cm進行支護+雙層φ8 mm鋼筋網片+D25 mm中空注漿錨桿（左側長3.5 m，右側長4～5 m加固溶槽）+50 cm厚鋼筋混凝土襯砌帶仰拱+右側上臺階拱腳處增加2根φ89 mm鎖腳錨管長度6 m和增設縱向墊梁+拱底溶槽位置設置6 m寬60 cm厚的C40鋼筋混凝土蓋板作支撐。

施工過程中若遇少量掉塊和黏土滑落，及時補打或加密超前導管或采用噴射混凝土掛網錨噴回填，沿開挖輪廓面增設直徑φ10 cm排水管縱向間距2 m，初支面打設φ42 mm排水鋼花管長度4 m，間距2 m×2 m梅花形布置，環向排水管間距調整為5 m一道。

4.3 監控量測結果

經對初期支護拱頂沉降觀測和周邊收斂監測數據分析，拱頂累計沉降+182 mm，周邊收斂累計+12 mm后處于穩定狀態，均在預留沉降值范圍內，經分析拱頂沉降主要在開挖中下導坑和仰拱時，由于爆破振動和拱腳臨時脫空導致。另外，時逢雨季施工，填充物受下雨影響，增加自重導致應力集中產生，通過及時對鎖腳進行加固，增加拱腳處縱向連接筋等措施，消除預警，過程中未發生突泥、坍塌、初支明顯開裂侵線等問題，此次巖溶處治歷時8 d完成，表明處治方案可行。

5 結語

處治措施要以預防為主，結合地形地貌、地質情況、施工水平和經驗、設備配備和材料儲備等情況進行綜合制定，要具備可操作性、經濟性、便捷性、適用性的特點，才能減少突泥、坍塌、初支變形開裂等災害的發生，由于隧道巖溶區地質千差萬別，填充型巖溶處治措施多種多樣，各有所長，不是一成不變的，隨著地質勘測技術和施工工藝的進步和發展，后續更精準地掌握和判定隧道不良地質情況，處治措施將會更合理、更完善、更具針對性，處治過程將會更安全、更高效。