填充型岩溶隧道施工处治措施探讨

孟庆锋，周腾飞

（中交三公局第一工程有限公司，北京 100000）

1 岩溶简介

1.1 地质水文情况

项目位于桂林市，双向四车道隧道，属于典型的喀斯特灰岩强岩溶发育区，构造侵蚀、溶蚀峰丛谷地地貌区；该区域雨量充沛，年平均降雨150～204 d，多年平均降雨量1 804.2 mm，雨季时间长，该隧道地下水主要为碳酸盐岩岩溶裂隙水，季节性变化较明显。

1.2 岩溶发育情况

经开挖揭露该岩溶区多以溶蚀裂隙、溶槽等填充型溶洞为主，软塑状黏土、粉砂质黏土夹孤石填充，呈串珠式溶腔发育，分布在拱顶、拱腰、拱底等部位，拱顶多以漏斗状为主，易发生突泥、坍塌等不良地质灾害，时有大块孤石滑落，下砸拱架和作业台车，开挖界线外泥质填充溶腔强发育，拱锁脚持力层较差，雨季时溶槽发育区水量较大，有明水或流状水出现，局部可能出现承压水。

2 隧道岩溶探测

2.1 岩溶区综合超前预报

施工中需采用综合超前探测预报方法，结合多种探测手段的优缺点进行综合研判，遵循“能测则测，应测尽测，多手段多层次”的原则，尽可能查明掌子面及周边岩溶发育情况，提高预报的准确性，为岩溶处治提供真实、有效的数据支撑，避免因处治不当，造成塌方、换拱等危险和时间、成本上的损失[1]。

2.2 超前地质探孔

由于岩溶的不规则性、多样性和复杂性，导致常规物探手段无法准确探明地质情况和岩溶大小，对探测异常区和探测盲区需进一步采用钻探手段，以探明和验证开挖工作面前方地质和水文条件，基于物探先行的数据分析，结合钻探设备的特点，确定钻孔的位置、个数、倾角及长度。

项目选用多功能液压潜孔钻探设备和加深炮孔的方法进行钻探，物探异常区采用常规布孔规则进行验证，物探盲区特别拱顶范围布设3个潜孔钻钻孔，沿隧道开挖轮廓线外宜按20°～45°外插角打入，根据钻进速度、声音、岩粉、塌孔情况、冲洗液颜色和流量等对前方地质做出判定，对于危险性较大的复杂地质采用取芯钻头进行取样验证。

3 处治措施

3.1 处治措施存在的问题

原相关设计单位根据岩溶大小和部位制定了岩溶处治措施，但是岩溶处治措施基本都是事后处治，没有涉及预防突泥、坍塌、拱架变形等可行的措施，对于处治溶腔填充物方面没有建议性的措施。

3.2 施工发现问题

1）隧道岩溶处治过程中填充物为黏土夹孤石填充，传统的超前支护和注浆效果不明显，黏土滑落后，有大块孤石掉落，下砸型钢骨架和超前导管，导致超前支护和型钢支护体系失效；

2）由于开挖轮廓线外泥质填充或串珠式溶腔发育，传统锁脚无法限制拱架变形；

3）半填充型或塌方溶腔泵送混凝土回填至拱顶后空腔内部填充物受雨季影响处于不稳定状态，导致初支偏压或下砸开裂侵线；

4）溶腔处治后堵塞排水通道，导致初支表面渗漏水，局部流水状；

5）岩溶处治中拱顶局部位置应力集中，导致拱部初支断裂侵线60～80 cm。

3.3 处治措施细化

3.3.1 保围岩

1）开挖方式：岩溶区域在掌子面不稳定或溶腔较大的情况下采用三台阶七步开挖法或微台阶法替代传统的两台阶和预留核心土开挖方法，开挖过程中尽快施作中下导坑和仰拱，使初支尽早闭合，缩短仰拱到掌子面的距离；若遇突泥、塌方处治或整体围岩无自稳能力时，宜加大预留沉降值，必要时以双层初支厚度进行开挖，根据监控量测数据为后续增加衬砌厚度或支立第二层工字钢预留空间，预防因预留沉降量过小，导致初期支护侵线换拱[2]。

2）超前支护：填充型溶腔在拱顶时，为预防突泥、坍塌，将φ42 mm×4 mm超前小导管由原来单层超前改为双层超前，原来双层超前改为每榀施作超前，为增强超前支护的刚度和抗剪能力，将φ42 mm导管改为φ42 mm/89 mm导管，打设过程中若遇孤石，则超前导管内增设HRB400钢筋或钢筋笼，防止孤石滑落，根据溶腔大小选择超前支护的长度和开挖进尺，确保超前支护搭接长度是开挖进尺的3倍以上。

3.3.2 稳基脚

1）为增强拱架受力和限制拱架下沉，拱脚位置锁脚锚管的直径、根数和长度进行调整，将原来每侧2根φ42 mm锁脚锚管变为4根，长度由4 m改为6 m，周边地质有串珠式溶洞时，每侧增设2根φ89 mm锁脚锚管；

2）若掌子面和周边地质不良，围岩稳定性较差时，则每个台阶的拱脚1 m处增设2根I12/14工字钢进行纵向连接，纵向连接工字钢底部增设锁脚锚管；

3）若开挖中下导坑对初支扰动较大、拱脚底部易脱空和拱顶有较大填充体时，拱脚底部宜增设纵向临时垫梁，扩大拱脚的受力面积，另外加工拱脚连接板的保护装置，采用预制块对拱脚进行支垫；

4）锁脚周边地质软弱无持力层时，上台阶增设临时仰拱，及时闭合初支受力，防止拱顶下沉速率过快或中下台阶开挖时防止因拱脚脱空，导致拱架下沉初支侵线。

3.3.3 固侧壁

1）为增强开挖后周边围岩的自稳能力，避免支护剪切破坏的产生，将原设计药卷系统锚杆改为中空注浆系统锚杆，将中空注浆系统锚杆变为φ42 mm注浆系统锚管，系统锚管间距和长度根据周边围岩的特点进行适当调整，环向间距一般为0.6～1.2 m，长度一般为4～6 m，过程中及时验证注浆加固效果，必要时做受力分析；

2）对于填充型溶腔，要对填充物进行预处理，特别对拱部90°范围内的腔体，需强化填充物的稳定性，对于漏斗状的溶腔一般采用φ89 mm导管，倾角30°左右，长度以打穿腔体为标准，可根据实际情况确定打设层数和根数[3]。

3.3.4 重防排

1）溶腔内部有排水通道的，采取保护措施，保障排水通道的畅通；若为裂隙发育则空腔内增设排水管，将水引流至隧道排水系统，安装时注意不要因淤积等原因导致排水管堵塞；

2）初支完成后，在溶腔部位特别空腔部位打设不少于3根φ42 mm钢花管引流，防止空腔内形成承压水，对隧道受力造成影响；调整环向排水管的间距，在岩溶区进行加密，一般4～6 m一道；

3）防水板搭接时采用三缝爬焊机代替双缝爬焊机，对搭接宽度和焊缝的气密性严格控制，对预留洞室处的防水重点关注，衬砌施工缝或沉降缝要避开防水板搭接或预留洞室1 m以外。

3.3.5 勤量测

1）岩溶区监控量测点间距由原设计的5～10 m调整为3～5m，地质较差时每循环增设监控量测点，另外，根据开挖方式的改变，相应增加环向监测点；

2）监测时间除常规监测外，根据工艺时间增加监控次数，例如开挖中下台阶和仰拱、岩体爆破等，以便分析工艺对处治措施的影响；

3）根据天气情况增加监控量测的次数，暴雨、大雨时每天增加3～5次，中雨、小雨时每天增加2～3次；

4）完善预警反馈和处治机制，各参建方对预警段落要有高度的敏感性和危机感，及时对预警进行管控。

4 工程实例

4.1 岩溶情况简介

承建的双向四车道高速公路隧道位于喀斯特地貌区，隧道全长820 m，穿越岩溶区占比46%，为强岩溶发育区，岩溶类型全为填充型溶腔或溶槽。其中，在ZK98+605处出现软塑状黏土夹孤石填充型溶腔，沿隧道纵向长约8 m，拱底溶槽宽约3 m，拱顶呈漏斗状，拱顶溶腔宽约5 m，易产生突泥和塌方危险，右侧开挖界线外岩溶发育，围岩呈中风化灰岩，中～薄层构造，稳定性一般，横断面溶洞与隧道典型关系如图1所示。

图1 横断面溶洞与隧道关系示意图

4.2 岩溶处治措施

采用三台阶开挖法，每循环进尺1～2榀拱架间距，预留沉降量30 cm，拱顶溶腔采用φ89 mm钢管打穿腔体对填充物进行支护和注浆加固，间距40 cm，长度12 m+衬砌结构为φ50 mm×5 mm超前注浆导管，每榀做超前支护，每两榀管内增加φ32 mm螺纹钢抗剪防止孤石滑落，导管长4.5 m+I20a工字钢间距50 cm进行支护+双层φ8 mm钢筋网片+D25 mm中空注浆锚杆（左侧长3.5 m，右侧长4～5 m加固溶槽）+50 cm厚钢筋混凝土衬砌带仰拱+右侧上台阶拱脚处增加2根φ89 mm锁脚锚管长度6 m和增设纵向垫梁+拱底溶槽位置设置6 m宽60 cm厚的C40钢筋混凝土盖板作支撑。

施工过程中若遇少量掉块和黏土滑落，及时补打或加密超前导管或采用喷射混凝土挂网锚喷回填，沿开挖轮廓面增设直径φ10 cm排水管纵向间距2 m，初支面打设φ42 mm排水钢花管长度4 m，间距2 m×2 m梅花形布置，环向排水管间距调整为5 m一道。

4.3 监控量测结果

经对初期支护拱顶沉降观测和周边收敛监测数据分析，拱顶累计沉降+182 mm，周边收敛累计+12 mm后处于稳定状态，均在预留沉降值范围内，经分析拱顶沉降主要在开挖中下导坑和仰拱时，由于爆破振动和拱脚临时脱空导致。另外，时逢雨季施工，填充物受下雨影响，增加自重导致应力集中产生，通过及时对锁脚进行加固，增加拱脚处纵向连接筋等措施，消除预警，过程中未发生突泥、坍塌、初支明显开裂侵线等问题，此次岩溶处治历时8 d完成，表明处治方案可行。

5 结语

处治措施要以预防为主，结合地形地貌、地质情况、施工水平和经验、设备配备和材料储备等情况进行综合制定，要具备可操作性、经济性、便捷性、适用性的特点，才能减少突泥、坍塌、初支变形开裂等灾害的发生，由于隧道岩溶区地质千差万别，填充型岩溶处治措施多种多样，各有所长，不是一成不变的，随着地质勘测技术和施工工艺的进步和发展，后续更精准地掌握和判定隧道不良地质情况，处治措施将会更合理、更完善、更具针对性，处治过程将会更安全、更高效。