隧道蓋挖法穿越大型無填充溶洞施工技術

摘要：文章以廣西大新縣境內巖溶區某高速公路隧道穿越大型無填充溶洞的處治實例，闡述了隧道蓋挖法穿越大型無填充溶洞的具體施工工藝，應用此工藝使施工安全與質量均能得到有效保障，為解決隧道工程中類似不良地質狀況提供了處治經驗。

關鍵詞：無填充；溶洞；蓋挖法

中圖分類號：U455.4A160523

0引言

隨著廣西公路建設規模與數量的增長，在喀斯特地貌區修建隧道的工程越來越多。當隧道穿越復雜的巖溶地區時，揭露出大型無填充溶洞較為常見，且大型溶洞極易引發施工安全與質量問題，而采用蓋挖法穿越大型無填充溶洞，工藝簡單、操作便捷、質量可控、安全有較大的保障。

在巖溶區修建隧道的處治方法研究方面：李治國［1］主要提出了巖溶處理的原則，探討了隧道中不同類型巖溶的處理方法；有學者針對巖溶空腔處理措施開展了研究［2-3］。在溶洞處治與隧道施工的相互影響研究方面：史世雍等［4］結合實際隧道工程，采用數值模擬方法研究了隧道頂部不同大小、不同距離的溶洞分布對隧道圍巖穩定性的影響；周雪銘等［5］采用數值模擬方法對巖溶隧道開挖對溶洞處治結構的影響進行了研究。針對無填充溶洞的研究方面：楊毅［6］采用數值模擬方法針對隧道上方大型無填充型溶洞護拱厚度進行研究，表明護拱厚度至少為2 m時才能保證初期支護拱部的安全。在巖溶隧道地基處理方面：主要以樁基礎加固處理方法為主［7-9］；余波［10］以近10 km長的深埋隧洞中遇到的巖溶地基問題為例，介紹幾類典型巖溶地基的地質概況、存在的工程地質問題及其地基處理方法。

1工程概況

某隧道右洞YK218+890～YK218+940段巖質為中-強風化白云質灰巖，原設計是Ⅳ級圍巖，采用XSD4a襯砌類型支護（間距1 m的14 cm×14 cm格柵拱架+噴射C25混凝土，二襯及仰拱40 cm厚素混凝土）。從小樁號往大樁號方向開挖至YK218+890時，在掌子面左側揭露出大型無充填物溶洞，溶洞輪廓參差不平，長度為45 m，溶腔最大寬度為38 m，最大高度為32 m。溶洞左側比洞室面干燥，溶洞右側雨季有少量點狀滴水，且洞壁多發育有白色鐘乳石，溶洞仍在緩慢發展中，溶腔形成時間較漫長，目前具備完全自穩能力。由于溶洞輪廓參差不平，局部有危巖體發育，經十多天的觀察、監測，溶洞內未發現有線狀流水，平時有基巖裂隙水滴落，判斷揭露溶腔上部無串珠狀溶洞。洞內平時一般并無坍塌、崩塌現象，具備完全自穩能力。經過鉆探揭露溶腔段左側沉積黏土厚約13 m，濕，可塑為主，局部硬塑；土質不均，軟硬互層，局部含碎石、塊石，底部揭露有細砂。

2溶洞處治方案

為保證YK218+890～YK218+940溶洞段落處治過程及后期運營安全，綜合考慮現場情況，采用蓋挖法“先形成保護層再進行隧道開挖施工、排堵結合、分段治理、動態施工”的總體治理方案。為確保不暴露在溶洞中施工，先利用機械臂分層泵送C20混凝土至拱頂以上2 m，形成保護殼層。將該段襯砌形式由XSD4a調整為XSD5a形式（見圖1）：10 cm預留變形量、50 cm厚C25噴射混凝土、I20b型鋼拱架，間距50 cm、8 mm鋼筋網20 cm×20 cm（雙層）、土工布。針對K218+890～K218+940段掌子面左下拱腳為黏土溶腔填充物段落采取108 mm鋼管樁+樁頂C30鋼筋混凝土承臺的方式對仰拱襯砌底部進行處治，并進行防排水加強，全斷面防水板布設，出水較大段落要在出水點增設引水管，同時加密環向排水管及橫向導水管（間距2 m/道），接入隧道排水系統。

3施工工藝流程

隧道右洞K218+890～K218+940段采用CD法開挖，先開挖左上導洞加固圍巖后，逐步揭露溶洞，形成施工通道及平臺；揭露溶洞后對溶洞進行排險，排險后對軟土基礎的溶洞低洼處回填大石塊或石籠，使整個溶洞基礎形成透水面且不形成積水；待透水層填筑完成后先澆筑一層混凝土，形成大范圍平面后，再分層泵送混凝土至拱頂以上2 m，完成保護殼施工；保護殼形成后采用松動弱爆破的方法逐榀開挖并支護，施作防排水及二襯襯砌（見圖1）。

施工順序：從左側揭露溶洞→溶洞排險→透水層施工→保護殼施工（人造圍巖）→CD法開挖及初支→鎖腳鋼管→鋼管樁+樁頂承臺→隧底防排水施工→仰拱施工→拱圈防排水施工→二襯施工→溶洞處治完成。

4施工要點

4.1溶洞段排險施工

結合現場溶洞發育情況分析，溶洞頂高度為8～32 m，溶洞內壁總體較穩定，洞壁多發育有白色鐘乳石，由于溶洞輪廓參差不平，局部有危巖體發育，對施工不利，不宜采用人工排險；施工護拱前，采用可伸縮、自帶振動破碎錘的高空作業設備進行排險，將溶洞洞壁表面的松散巖體排除，排險過程安排專人指揮，確保排險施工安全。排險過程主要以清除松動圍巖為主，不宜對溶洞洞壁進行過大擾動，避免增加溶洞段排險施工風險。

4.2透水層施工

溶洞排險完成后，從揭露通道處利用小型設備將大塊石在軟土基礎上填出一條可供機械通行的便道，然后根據溶洞實際情況在溶洞低洼處回填大石塊或石籠，形成透水層，使整個溶洞基礎不形成積水。回填前需清理底部雜物或積水，保證回填質量及密實度。溶洞揭露后加強監測及安全巡視，在監測數據和巡視無異常后才能進洞施工；在揭露通道處需設置應急通道，并設置足夠的照明設施，保證出現異常時人員能按照應急通道迅速撤離。

4.3混凝土保護殼施工

溶洞底部回填處理完成后，先泵送澆筑一層混凝土使溶洞整個基礎形成一個平面。泵送第一層混凝土時，根據設計圖紙，在第二層的回填邊界處預埋2.5 m高48 mm鋼管立柱，埋入混凝土層≥0.5 m，縱向間距為0.7 m，縱向1.4 m用鋼管支撐在立柱上部，形成三角撐形式，防止澆筑混凝土時模板漲模、爆模；然后用15 mm厚木板作為擋板形成上層回填邊界，使用地泵泵送C20混凝土至第二層模板頂面，澆筑順序從距離揭露口最遠處開始往回澆筑；每一層混凝土初凝后再安排下一次泵送確保結構安全，依次泵送至拱頂以上2 m，形成混凝土保護殼層。泵送前在試驗室做好混凝土配合比設計，保證混凝土的和易性、流動性等指標達到自密實的效果。預埋的排水管需提前安裝，地泵及泵管等準備工作做好之后才能進行混凝土施工，確保泵送混凝土的整體性，減少施工人員進入溶腔內施工的時間，降低安全風險。施工過程加密監控量測頻率，每天早、中、晚各監測一次，通過監控測量數據指導泵送混凝土施工。

施工過程做好各位置高程及平面位置測量的控制，回填邊界時上層與下層間隔1 m寬，保護殼每層高度為2 m，最后一層高度≤3 m。

混凝土填充保護殼時，在隧道初支外側用12 mm光圓鋼筋以間距20 cm×20 cm做成1.5 m寬的鋼筋網，按1 m一層沿隧道開挖輪廓放置。鋼筋網搭接應≥30 cm，以加強混凝土保護殼的整體性。

4.4鋼管樁及樁頂承臺施工

溶洞左下角為黏土溶腔填充物，擬采取108 mm鋼管樁+樁頂C30混凝土承臺的方式進行處治。當右洞下臺階護拱初期支護及鎖腳錨管施作完成，監控量測各項內容穩定無異常后才能進行鋼管樁施工。鋼管采用108 mm×6.0 mm熱軋無縫鋼管，橫向間距為60 cm，縱向排距為80 cm，矩形布設，樁底延伸至基巖面以下2 m。在鋼管上鉆注漿孔，孔徑為10 mm，孔間距為20 mm，呈梅花形布置，尾部留不鉆孔的止漿段200 cm，焊接需滿足規范要求。鋼管內放入由三根22 mm鋼筋制成的鋼筋籠，然后用M30水泥砂漿充填，以增強鋼管的強度和剛度。鋼管樁施工采用后壓漿成樁工藝：鋼花管外側填充碎石后注漿，注漿時應控制注漿壓力，使漿液均勻上冒，直至泛出樁頭。注漿起始壓力≥1MPa，終壓為2～2.5MPa，注漿材料采用超細水泥漿及M30水泥砂漿。超細水泥漿水灰比為1∶0.5，水泥砂漿砂灰比為1∶0.1，水灰比為1∶0.5，加入0.25%的減水劑。施工時先采用超細水泥進行注漿加固樁周巖土，超細水泥漿應具有良好的和易性，擴散半徑≥0.5 m，然后注入M30水泥砂漿填充鋼花管及碎石。實際注漿參數以現場試驗為準，并嚴格控制注漿質量，留存好各項驗收資料。

鋼管樁頂部采用C30混凝土基礎承臺，基礎厚度≥50 cm，鋼管樁頂部深入混凝土承臺≥40 cm。承臺底部放置 ?16 mm、25 cm×25 cm間距的鋼筋網。承臺施工前使用水準儀測量好高程，保證承臺與仰拱底部有50 cm距離；同時根據現場底部巖層情況，承臺與巖層搭接長度應≥1.0 m。承臺外側尺寸應不小于護拱最外邊。

5監控量測方案

針對溶洞處治段落，制定監測項目，包括圍巖和支護結構本身狀態、收斂變形、結構內力、地下水涌水量和水壓力等項目的觀察。在溶洞內設立永久監測和視頻觀測點，對溶洞的發展和變形進行長期監測。監控量測項目有：拱頂沉降和周邊位移觀測；圍巖與初期支護接觸壓力；鋼架內力；噴射混凝土和二次襯砌內力；初期支護與二次襯砌之間壓力；溶洞內布置永久用監控攝像頭；溶洞觀測等。

6施工效果

通過此方案對某隧道右洞YK218+890～YK218+940段大型無填充溶洞進行處治，取得了良好的效果，鋼管樁+承臺能簡單有效地解決隧道左側底部基礎軟弱問題，混凝土保護殼在隧道穿越溶洞的施工過程起到了有效的保護作用，隧道在開挖及初期支護過程中監控量測數據正常，隧道襯砌結構施工完成后穩定安全。

7結語

在本工程中采用蓋挖法施工技術在無填充巖溶隧道工程中取得了良好的效果，在施工過程中要重點注意以下幾點：

（1）及時跟進仰拱及二襯，保證安全步距。在整個處治過程中做好監控量測工作，加密布設監測點，增加監測頻率。在右洞K218+871掌子面處采用地質雷達+鉆孔的方式對掌子面前方圍巖進行探測，分段驗證后再進行開挖。

（2）施工過程中盡量避免作業人員無防護暴露在溶洞施工現場。

（3）右線溶洞段施工過程中，須避免左線隧道爆破施工。

（4）施工過程中，應定期對初支進行安全檢查，加強洞內及溶洞監控量測，及時反饋圍巖和支護結構的動態信息，采取動態設計、施工。

（5）進行鋼架施工時，應確保鋼架接頭處螺栓緊固，鎖腳錨桿與鋼架焊接牢固有效，鋼架腹、背部嚴禁回填片石等雜物，支座鋼板應位于穩定地基上，嚴禁出現鋼架懸空的情況。

（6）提前制定各種施工事故的安全預案，防患于未然。施工前應對施工緊急預案進行研究、完善、細化，確保預案能夠及時實施，最大限度保障施工人員安全。

參考文獻

［1］ 李治國.隧道巖溶處理技術［J］.鐵道工程學報，2002（4）：61-67.

［2］邸成，曾云川，黃華，等.鐵路隧道巨型巖溶空腔處理措施研究［J］.水利水電技術，2020，51（S1）：237-242.

［3］趙少忠，黃鑫，許振浩，等.齊岳山隧道巖溶發育特征與溶洞處治技術研究［J］.隧道建設（中英文），2022，42（7）：1 289-1 299.

［4］史世雍，梅世龍，楊志剛.隧道頂部溶洞對圍巖穩定性的影響分析［J］.地下空間與工程學報，2005（5）：698-702，716.

［5］周雪銘，劉輝，彭川，等.巖溶隧道開挖對溶洞處治結構影響的數值模擬分析［J］.巖土力學，2011，32（1）：269-275，303.

［6］楊毅.隧道上方大型無填充型溶洞護拱厚度的研究［J］.湖南交通科技，2017，43（4）：183-185.

［7］管澤英，楊朝帥.超前預注漿技術在高壓富水巖溶隧道中的優化應用［J］.隧道建設（中英文），2018，38（S1）：136-141.

［8］李衛平.巖溶隧道基底微型樁處理技術與監測［J］.國防交通工程與技術，2020，18（2）：78-80，77.

［9］馬乃富.鋼管樁法在大塘隧道底板軟基處理的應用［J］.西部交通科技，2018（10）：166-169.

［10］余波.深埋隧洞中的巖溶地基工程地質問題及地基處理［J］.巖石力學與工程學報，2001（3）：403-407.

作者簡介：唐振華（1991—），工程師，主要從事巖土與隧道工程技術研究、施工管理工作。