富水溶洞隧道安全穿越技術研究

張羽，李強，王傳飛

（中交路橋南方工程有限公司，北京 100000）

0 引言

隨著我國基礎交通不斷完善，越來越多隧道工程開工建設。在隧道的修建過程中，常遇到富水溶洞等特殊的地質情況，由此引起的隧道被淹、洞內塌方、圍巖變形過大、支護結構體變形等事故累見不鮮，對隧道工程的工程建設質量和進度產生了諸多不利影響，且給隧道安全施工帶來極大威脅。

龍南西隧道出口端位于斜坡地段，斜坡坡向約22°，自然坡度約20°～35°，該段圍巖為全風化泥灰巖，圍巖自穩性極差，根據暴露的坡面與巖層層面關系，屬于斜向坡，其結構層面與節理以誘發楔形體滑坡或崩塌問題，并且該段隧道左側為沖溝，存在較明顯的偏壓現象。

隧址區山高林密，相對高差較大，山體連續性好，溝谷切割較深，狹長，泄流條件好，不利地表水存留，在膜道進、出口溝谷中均有小溪流，流量約5～10t/h。左線隧道出口淺埋段前位于溝谷中，溝谷有溪流，地表水對隧道開挖影響較大。

建設區域內碳酸巖巖溶水賦存于中可溶巖泥灰巖極白云巖中，為承壓水或微承壓水，賦存于基巖的節理裂隙中，為區內最重要的含水層，其上部的第四系覆蓋層較薄，地表水下滲補給迅速；同時，建設區域內富存巖溶水、裂隙水和孔隙水，且裂隙水廣泛富存于裂隙破碎帶內。水位埋深相對較深，水位隨地形變化劇烈，易出現塌方問題，大幅度增加了隧道區域穿越施工的難度。

為降低富水溶洞地質對工程建設質量和施工安全的影響，降低富水溶洞地區發生塌方、涌水、圍巖大變形等病害發生的概率，鄭宗利等[1]、高樹全等[2]對富水溶洞隧道的預警體系進行了研究；羅秀松[3]、李代懷[4]對富水溶洞隧道的相關施工策略進行了研究；徐世軍[5]、殷懷連[6]深入研究了富水溶洞對隧道開挖的結構穩定性的影響；程巧建[7]、林憲廣[8]、馮海暴等[9]、任和祥[10]、李鳴沖[11]開展了富水溶洞地區隧道工程精細化施工技術研究。

分析表明，現有研究成果從富水溶洞隧道施工策略、工程技術等方面進行了系列研究，對提升富水溶洞隧道的施工質量和安全性具有積極作用，但研究大多側重于工程施工技術理論和施工裝置，對改善富水溶洞支護結構穩定性、降低現場施工安全防控難度、減小洞內工程事故發生概率等方面的研究尚存不足，相關系統研究尚滯后于工程實際需要。同時，針對富水溶洞隧道結構特點和病害誘因，在外側溶洞的整體性增強、隧道結構受力性能改善、隧道開挖施工工藝改善等方面尚存可提升之處。鑒于此，文章以龍南西隧道工程實際為研究對象，對富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越施工技術進行了系統研究研究。

1 工程技術問題及施工難點

1.1 外側溶洞的整體性弱

在富水溶洞取得進行隧道工程開挖施工時，通常先根據溶洞腔體的體積情況，對溶洞腔體預先進行填充密實，再進行隧道內土體的開挖施工方案，雖可滿足臨時穩定的要求，但對于存在穩定水源的活溶洞或溶洞周邊土體巖體整體性較差的情況，常常會出現結構變形大、洞體塌陷等工程問題。

1.2 隧道結構受力性能不易控制

富水溶洞隧道施工質量受混凝土灌注施工質量、填充密實體強度、截流地下水、圍巖結構破碎情況等諸多因素影響，溶洞區段隧道開挖土體的受力性能常難準確量化。相對于普通溶洞隧道施工工程，富水溶洞隧道具有穩定性較差，大幅增加了溶洞區段穿越施工的安全隱患和施工質量。

1.3 溶洞隧道的施工效率低

富水溶洞隧道施工過程中圍巖結構整體性差，現場施工時常需先采取系列工程措施，增強圍巖結構的整體性，再進行開挖施工，遇到溶洞填充施工質量不可靠的情況時，還需采取進一步的工程處理措施，大幅增加了工程造價，延長了施工工期。

2 富水溶洞段補強結構設計及其特點

2.1 富水溶洞段補強結構設計

基于龍南西隧道富水溶洞區域工程施工的難題，結合富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越施工的技術特點，提出了富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構。圖1 為富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構橫斷面。

圖1 富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構橫斷面

（1）在隧道開挖施工時，對存在外側溶洞區段，先自隧道已開挖的掌子面面向未開挖隧道土體內沿平行于隧道方向進行注漿，在靠近隧道內溶洞側形成上下貫通的水泥土固化撐墻；同步自開挖面向洞周土體引孔插設勁性導管，通過外部壓漿設備向勁性導管內壓漿，注漿為1MPa～1.5MPa，在勁性導管內部及外周形成勁芯填充體和溶洞漿固體，從而實現了對溶洞內部松散填充體補強和預支擋穩定的目的。

（2）待注漿形成的縱向的開挖撐墻形成強度后，先對開挖撐墻遠離溶洞側第一開挖區部位的土體，并在開挖撐墻的墻角處設置存水箱體；然后，采用鉆孔設備自開挖撐墻向溶洞土體方向引孔并分別插設溶洞排水管和組合錨桿，使溶洞排水管與存水箱體連通。富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構縱斷面如圖2 所示。

圖2 富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構縱斷面

（3）根據開挖穩定性控制要求，對開挖撐墻與溶洞土體之間的隧道土體進行分區，即劃分為第三開挖區和第二開挖區，先進行第三開挖區土體開挖，第二開挖區土體作為反壓土體，待初襯施工完成后再開挖。

2.2 特點

（1）富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構向外側溶洞內引孔插設了勁性導管，并通過注漿形成了勁芯填充體和溶洞漿固體，可在對溶洞加筋的同時，增強了溶洞內部填充物的整體穩定性。

（2）富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構在隧道內部預先通過注漿形成了開挖撐墻，可根據穩定性控制的要求，依次進行第一、第三、第二分區土體的開挖，實現了開挖過程中隧道穩定性的分區控制，減小了隧道臨空面。

（3）富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構可通過溶洞排水管及存水箱體快速排除并存儲溶洞內部的水體，避免了隧道內部突水問題的發生。

3 富水溶洞段補強結構施工技術

3.1 技術要點

根據富水溶洞段穩定性控制的要求，在富水溶洞區段預設開挖撐墻，先進行背離溶洞區域的隧道開挖，再開挖靠近富水溶洞區域的土體，支護施工順序為先進行初噴混凝土找平，再打設中空注漿錨桿或砂漿錨桿進行圍巖支護，然后進行掛網、架立鋼支撐和鎖腳錨桿（管）施工，最后根據設計厚度要求進行混凝土噴射。

（1）初噴混凝土施工。初噴混凝土主要用于開挖巖面找平、并封閉易風化巖土體的巖面，噴射厚度為4～5cm。

（2）注漿錨桿施工。注漿錨桿的長度為4m（小凈距為5m，Ⅴ級圍巖加寬段為4.5m），施工中按設計要求定出位置，孔位準確；將中空錨桿插入錨桿孔后，先使錨桿頭與注漿機出漿管進行連接，再進行中空錨桿壓漿施工，壓漿施工完成后，安裝錨桿專用墊板并擰緊螺帽。

（3）鋼筋網片安裝施工。鋼筋網采用專門的鋼筋網片焊接排機進行鋼筋網片的分片預制，運至現場后由人工進行現場鋪設，鋼筋網片搭接長度不小于20cm，相接的鋼筋網片之間采用焊接連接。鋼筋網片排焊機如圖3 所示，鋼筋網片安裝如圖4 所示。

圖3 鋼筋網片排焊機

圖4 鋼筋網片安裝

（4）鋼拱架施工。龍南西隧道初期支護鋼拱架安裝采用人工現場拼裝，工字鋼架在洞外按隧道拱圈形狀進行預制加工。工字鋼架安裝之前應先確保初噴混凝土形成強度，在工字鋼架安裝施工時，在隧道拱圈內部預設的定位系筋焊接連接；縱向相鄰的拱架之間通過環形間距為1m、直徑為22mm 的縱向連接筋進行連接。

（5）噴射混凝土施工。鋼拱架間的混凝土噴射包括初噴和復噴，初噴厚度為3～4cm，主要用于封閉圍巖和初步找平，并應實現圍巖的盡早快速封閉。完成立拱架、掛網、錨桿工序的作業后采用濕噴工藝進行混凝土復噴施工。噴錨施工順序如圖5 所示。

圖5 噴錨施工順序

3.2 施工質量控制措施

（1）施工工藝方面。根據隧道地質勘測資料，排查確定工程施工安全、質量隱患點，通過現場技術交流會、專家會等方式，對現場施工技術措施、人員調配、施工機械組織、病害防控措施等進行分析論證，研究確定合理的施工組織方案，并對現場作業人員進行技術交底，將施工技術落實到每一個工程參建人員。

（2）工程材料方面。富水溶洞施工過程中的材料可概況為：工程結構材料和工程應急材料，工程結構材料應滿足結構承載和性能要求，需根據設計和規范要求，對工程材料的性能、用量、參數進行確定；工程應急材料主要用于應對工程突發事故，在工程施工過程中由專人管理，做到隨用隨到。

（3）施工人員方面。現場施工作業人員應具有相應工種的實踐技能，在上崗之前應進行技術交底和安全交底，確保做到考核合格、持證上崗，并且在作業開始、結束時應做好工作日志。同時，在現場作業施工時，各工序的操作者均應掛牌作業。

（4）管理制度方面。整個施工過程中，應做到施工過程的程序化、標準化、規范化，并應建立完備的質量管理、安全管理、環境管理制度文件，確保整個施工過程中監督到位、檢查到位、管理到位。

4 結語

在山嶺區進行隧道工程施工，時常會遇到溶洞、斷層等特殊地質條件，嚴重影響工程進度、安全和建設質量。對此，文章基于依托工程實際情況，結合富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越施工的難點問題，進行了有針對性的技術研究，得到了以下結論。

（1）基于富水溶洞隧道結構的工程技術難點，提出了一種富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構，闡明了富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構在預防性支擋、隧道高效開挖等方面的優越性。

（2）結合研發的富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越結構，以及富水溶洞隧道施工技術情況，提出了一套較為完善的富水溶洞隧道組合預支擋安全穿越施工技術，闡明了改善施工技術的要點和質量控制措施。