探讨高速公路工程岩溶隧道施工技术

岩溶隧道施工技术探讨【内容提要】溶洞为岩溶洞穴，又称喀斯特，主要是指地表水和地下水对溶性岩层经过长期化学作用和机械破坏作用而形成的地下溶蚀现象。在岩溶作用过程中，经常伴随地表侵蚀、地下侵蚀、冲蚀以及崩塌与滑动，和化学与物理的风化、搬运、堆积与沉积等作用。因而产生沟槽、裂隙和空洞以及由于空洞的顶部塌落使地表产生陷穴、洼地等现象。岩溶对隧道的影响主要表现为是结构物部分及全部悬空，降低隧道使用的可靠度；岩溶作为一种不良地质病害，给隧道的施工和运营造成了严重的威胁。其中季节性的岩溶洞穴涌水，给隧道施工和体系带来不安全和不稳定因素。因此，制定合理、科学、有效的溶洞处理方案对隧道顺利穿越岩溶地段极为重要。论文介绍了常见几种溶洞的处理方法，长期对溶洞处理的设计与施工有一定借鉴意义。【关键词】隧道溶洞施工探讨1.前言我国幅员辽阔，有70%的国土面积为山区，地质条件十分复杂，是世界上岩溶分布面积最广的国家之一。我国境内可溶岩分布面积达3400000km2,约占我国国土面积的1/3。其中，裸露于地表的碳酸盐岩面积为910000km2,接近我国国土面积的1/10。如此广阔的岩溶面积，严重影响着我国交通基础设施的建设和发展。岩溶不良地质条件给隧道的施工和运营造成了严重的威胁，带来了一定的困难和工程风险。高速公路设计标准较高，受线路纵坡、曲线半径限制，不可避免地出现长大、深埋型岩溶隧道。由于隧道工程深埋于地下，工程地质条件和水文地质条件千差万别，加上人们的认识水平和勘察技术手段、勘察周期的限制，设计单位要在勘察阶段详细查明隧道的工程地质条件是不可能的，要做出完全符合实际的设计也是困难的，在隧道建设过程中遭遇不同形态体量、不同危害的岩溶概率极高，从而给施工带来困难。因此，岩溶隧道施工如何规避施工风险，保证施工及运营安全极为重要。2.岩溶隧道施工应做好下列几点（1）隧道施工前，对隧道选址附近进行调查，发现地表有下列现象，可初判存在溶洞、暗河。①四周汇水的洼地内，发现有落水洞、漏斗或开然竖井存在。②落水洞、漏斗呈带状分布地段。③地面坍陷和草木丛生以及冬季胃气等地段。④地表水消失或附近有出水点（泉眼）的地段。（2）采取综合超前地质预报（TSP为主，地质雷达、红外探水仪等为辅）措施查明隧道施工前方溶洞和水的情况。除了熟悉设计提供的隧道地质报告中岩溶资料、地下水、溶洞里程、规模以及类型外，还需加强隧道施工中的地质调绘，通过开挖揭露或超前探测中逐渐掌握隧道岩溶位置、大小、填充、发育、地下水规律及补给等。（3）在掘进时，当凿岩机钻进速度变快时，可能已达到溶洞边缘，应注意观察地下水变化情况及裂隙溶蚀程度，当有所加剧时应加强支护及排水工作，放缓掘进速度，采用超前探孔的方法，探明前方地质和地下水情况，防止涌水、涌泥事故发生。（4）当隧道掘进施工为下坡地段，可能遇到溶洞时，要准备足够的排水设备。（5）当掘进达到溶洞边缘时，各工序要紧密衔接，同时设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工治理方案及安全措施。3.岩溶分类岩溶发育千奇百怪、复杂多变，无规律性，但也有其内在的类型特征。溶缝、溶槽、溶洞等，有沿线路方向的，有与线路正交或斜交的，当隧道施工穿过可溶性岩层时，常遇见大小不等，形状各异，部位不同，充填物及充填程度和含水量不等的溶缝、溶槽、溶洞及暗河通道等。根据其不同的类型特征，采取分类方式，“对症下药”，制定出“规模对策”、“充填性对策”、“充填物对策”和“水对策”，实现岩溶“标准化”治理。按照溶洞的形态及规模大小不同，可将溶洞分为洞穴型溶洞、裂隙型溶洞、管道型溶洞和大型溶洞；按照溶洞的充填特征不同，可将溶洞分为充填型溶洞、半充填型溶洞和无充填型溶洞（又称“干溶洞”）；其中充填型和半充填型溶洞又可分为充填粘土型、充填淤泥型、充填粉细砂型、充填块石土型和充水型溶洞。发生突水、突泥灾害一般是由充填型、半充填型溶洞引起；干溶洞虽然不会引发突水、突泥灾害，但是当隧道穿越其影响范围时，常会引起隧道结构的失稳变形，易造成围岩中应力的过度集中，隧道周边变形量增加，并可能引起隧道开挖中局部围岩的坍塌、掉块，影响隧道施工进度，直接危及施工人员和机械设备的安全。一旦施工措施不当，常会使隧道建成后运营环境恶劣，地表环境恶化，给人们的生产和生活造成重大损失。3.1按有无地下水分（1）溶缝、溶槽、溶洞暗河支岔通道有季节性流水。（2）常年流水。（3）洞内无水，其中有充填物或干燥无充填物。其规模有大有小，大的有几十米。3.2按其揭露在隧道洞身部位分（1）位于隧道顶部或顶部的一侧。（2）位于隧道的墙部或墙部的一侧。（3）位于隧道的底部或底部的一侧。（4）洞身全部在溶洞或溶洞充填物内穿过。4.岩溶治理隧道施工中遇到溶洞地段时，应依据设计文件结合现场情况核查溶洞的分布范围、类型、规模、充填物和地下水情况等，分别采取截、引、堵、越、绕等措施进行治理和施工。4.1拦截地表水地表为自然沟床、汇水洼地有溶穴、落水洞、漏斗、竖井等为隧道地下水补给来源，补给量随季节变化。则采用截水沟、泄水暗管拦截地表水，如为自然沟槽，采用在溶穴、落水洞、漏斗、地表陷穴四周施作浆砌片石排水沟。如地表为一溶蚀封闭洼地，则可采用截水沟，泄水暗管，泄水暗管将水引到隧道渗泄区以外。4.2引排地下水（1）掘进遇到溶洞有流水时，宜排不宜堵，查明水源，涌水量，流向及与隧道位置的关系，采取截引结合，以排为主的措施，常年流量大的采用开凿泄水将水排出洞外，流量小的可采用拦截引排将水引入隧道排水沟内，排出洞外。（2）常年流量大的岩溶地下水，即隧道排水沟无法正常完全排走的水，采取开凿落水洞或增设平行导坑，将地下水排出隧道洞身范围。（3）一般涌水即利用隧道排水沟能正常排走的水，以排为主。治理方法：涌水在隧道顶上部出露时，采用衬砌范用以外，拱部设渡槽、竖向暗沟、预留排水沟，将水引致墙角外侧，再衬砌边墙脚留一暗沟或埋设钢管将水引人隧道排水沟，当涌水出露在边墙部位，在边墙衬砌以外可设竖向盲沟或暗沟，将水引至边墙脚外侧，在边墙衬砌时候，墙脚留一暗洞或埋管将水引入隧道排水沟排出洞外。4.3堵填采用堵填方法治理溶洞时，不得阻断过水通道。应首先选择连通方案，不改变地下水总的流动趋势；各类新建的排水暗管应有一定的坡度，以预防泥沙淤积。跨径较小、已停止发育、无水的溶洞，根据其与隧道相交的位置及其充填情况，可采用混凝土，浆砌片石或干砌片石予以回填封闭，同时根据地质情况决定是否加深边墙基础。拱部以上干、空溶洞，可采用喷锚支护加固、注浆、加设护拱及拱顶回填的方法进行治理。底板下溶洞，宜采用浆砌片石回填，但不得阻断过水通道。4.4根据溶洞揭露在隧道洞身不同部位进行分类治理4.4.1溶洞位于隧道拱腰以上（1）溶洞在拱腰以上发育规模较小，无水(少水)的空腔，原则上采用回填法处理：加强该段衬砌支护，初期支护外采用泵送C20混凝土全部回填封堵。为避免回填混凝土对复合衬砌局部产生过大压力，根据溶洞大小，要求在其四周施作长2.0米，纵横间距约1.2*1.2米间距的Φ22砂浆锚杆，锚杆深入围岩不小于1.0米。回填施工完后再施作喷射混凝土和钢筋网初期支护等。在集中出水点处预埋φ11cmHDPE双壁波纹排水管，数量根据现场岩溶水量大小确定，排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。本处理方案主要针对隧道开挖面外(拱腰以上)的溶洞发育深度小于2.0米的地段。如图1所示：图1拱腰以上小溶洞（一）（2）溶洞在拱腰以上发育规模较小或溶洞尽管向上发育较高但宽度很窄，采用护拱法处理：加强该段衬砌支护，初期支护外采用泵送2.0米厚模筑C25混凝土，形成护拱，为避免回填混凝土对复合衬砌局部产生过大压力，根据溶洞大小，要求在其四周施作长2.0米，纵横间距约1.2*1.2米间距的Φ22砂浆锚杆，锚杆深入围岩不小于1.0米。回填施工完后再施作喷射混凝土和钢筋网初期支护等。在集中出水点处预埋φ11cmHDPE双壁波纹排水管，数量根据现场岩溶水量大小确定，排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。本处理方案主要针对隧道开挖面外(拱腰以上)的溶洞发育深度小于2.0米的地段。如图2所示：图2拱腰以上小溶洞（二）（3）溶洞在拱腰以上纵、横向发育范围均较小，溶洞顶板稳定性较好，原则上采用挂网锚喷防护。（4）溶洞在拱腰以上且溶洞内无填充物有水，纵、横向发育范围均较广，溶洞顶板发育在隧道拱顶10米以上，顶板整体稳定性较好，仅存在小块落石的可能，且清除危石难度较大，原则上采用拱罩防护：加强该段衬砌支护，初期支护外采用泵送C25钢筋混凝土浇筑，保证最薄厚度不小于80cm,要求两侧嵌入岩石内不小于50cm，双层Φ22钢筋网，网格间距为20*20cm，形成护拱，并在其四周施作长2.5米，纵横间距约1.2*1.2米间距的Φ22砂浆锚杆，锚杆深入围岩不小于1.5米。如果溶洞拱顶以上发育较高，在C25混凝土护拱顶部施作50cm厚M10砂浆或细砂缓冲层，以防溶腔塌落，砸坏砌衬。以上施工完后再施作喷射混凝土和钢筋网等加强的初期支护（增加工字钢、工字钢间距、二衬钢筋，增设仰拱等方面加强）。如果岩溶水比较发育，需对此处隧道进行扩挖，埋设φ30cmHDPE双壁波纹管连通原溶洞水路，间距2.0米一处；如果岩溶水不发育，埋设φ11cmHDPE双壁波纹管连通原溶洞水路，间距2米一处；排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。本处理方案主要针对拱腰以上隧道开挖面外溶洞发育深度大于2.0米，溶洞宽度小于隧道开挖面的溶洞处理方案。如图3、图4所示：图3拱腰以上大溶洞（无填充物有水）图4拱腰以上大溶洞（无填充物）（5）溶洞在拱腰以上且溶洞内有填充物，纵、横向发育范围均较广，整体稳定性较好，原则上采用超前支护法：先施作超前小导管，超前小导管采用外径42mm、壁厚3.5mm热轧无缝钢管，钢管前端呈尖锥状，尾部焊上φ6加劲箍，管壁四周钻6mm压浆孔，但尾部有1m不设压浆孔。超前小导管施工时，钢管与衬砌中线平行以6～10°仰角打入拱部围岩。钢管环向间距30cm。每打完一排钢管注浆后，开挖拱部及第一次喷射混凝土、架设钢架，初期支护完成后，隔2.0米再打另一排钢管，超前小导管保持1.0米以上的搭接长度。超前小导管注浆采用水泥浆液（添加水泥重量5%的水玻璃），注浆参数如下：（1）水泥浆水灰比：1：1，（2）水玻璃浓度：35波美度；模数：2.4，（3）注浆压力：0.5～1.0Mpa，超前小导管可从型钢钢拱架腹部穿过。开挖采用预裂爆破，施作18工字钢，间距50cm，注意钢架基脚处适当扩挖，保证基础牢靠。施作锁脚锚杆，铺钢筋网，26cm厚C20喷射混凝土，二次衬砌可根据溶洞发育情况，考虑采用钢筋混凝土结构。施工时注意预埋φ11cmHDPE透水管连通原溶洞水路并加密此地段环向排水管。φ11cmHDPE透水管间距2米一处，排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。本处理方案主要针对拱腰以上隧道开挖面外溶洞发育深度大于2.0米，溶洞宽度小于隧道开挖面的溶洞处理方案。如图5所示：图5拱腰以上大溶洞（有填充物）4.4.2溶洞位于隧道边墙处（1）溶洞在边墙处发育，采用护墙防护法：加强该段衬砌支护，初期支护外采用模筑C20混凝土回填，厚度不小于1.5米，1.5米以外可采用干砌片石回填。每隔2m设置一处11cmHDPE双壁波纹管与主洞侧水沟相连，回填外侧纵向设一道1.0*1.0集水井，排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。该处喷射混凝土和钢筋网初期支护可取消。本处理方案主要针对在边墙处发育的小溶洞，溶洞宽度小于隧道开挖面的溶洞处理方案。如图6所示：图6边墙处小溶洞（2）边墙溶洞发育范围较宽广，溶洞侵入边墙隧底范围较大，采用护墙支顶法：加强该段衬砌支护，初期支护外采用2.0米厚模筑C20混凝土回填，2.0米以外采片干砌片石回填。在隧底边墙悬空部位设工字钢托梁或钢筋混凝土盖板。做竖向暗沟、盲沟和预埋排水管，排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。4.4.3溶洞位于隧道基础及路面以下（1）溶洞在基础及路面下发育的小溶洞，原则上采用回填法：浆砌片石或C20混凝土回填，如有充填物，必须挖除。每隔2.0米预埋一处φ11cmHDPE双壁波纹管与主洞侧水沟相连。排水系统与岩溶原过水通道相连或者引入隧道排水沟。本处理方案主要针对隧道开挖面外（基础及路面下）的溶洞发育深度小于2.0米的地段。如图7所示：图7基础及路面下小溶洞（2）基底以下大溶洞：采用架设C25钢筋混凝土桥板通过，厚度不小于80cm,应保证桥板两端架设与稳固基础上，基地承载力大于1200kPa，否则应进行处治。施工前可先对梁端基底地质进行物探或钻孔探测。本处理方案主要针对基地溶洞发育深度大于5.0米，溶洞宽度小于隧道开挖面的溶洞处理方案。如图8所示：图8基础以下大溶洞（3）基础及路面下大型溶洞，溶洞在某一方向宽度较窄，采用跨越处理方案：采用钢筋混凝土梁跨越，梁高50～100cm，要求两侧嵌入岩石内不小于50cm，基础及路面下采用M7.5号浆砌片石回填。每隔2.0米预埋一处φ30cmHDPE双壁波纹管与岩溶原过水通道相连。施工时注意Φ30cmHDPE双壁波纹管外裹一层无纺布，防止双壁波纹管孔眼被堵。本处理方案主要针对基础及路面下大型溶洞。如图9所示：图9基础及路面下大型溶洞（一）（4）基础及路面下大型溶洞，溶洞发育相对较宽，采用跨越处理方案：采用设扩大基础或桩基，桩径1.0米，要求桩基嵌岩深度不小于50cm。并设80cm厚C25钢筋混凝土梁跨越。施工前必须采用潜孔钻或地质钻机等设备进行溶洞加深钻探，探明溶洞底板以下范围内地质情况，并提供相应勘察资料，方可进行下道工序。施工时注意预埋Φ11cmHDPE双壁波纹管。本处理方案主要针对基础及路面下大型溶洞。如图10所示：图10基础及路面下大型溶洞（二）5.结语溶洞的存在使隧道的稳定性变得复杂，溶洞的大小，存在位置及其组合，地下水的影响等，具有复杂性、模糊性、不确定性。对隧道的设计与施工过程进行超前地质预报和仿真模拟是十分必要的，再同时根据类比可以为设计和施工提供定性或定量的参考依据。主要结论如下：（1）岩溶隧道加固工法有很多种，每一种都可找到相应的应用实例，一般情况下，对其施工效果主要以现场量测为主，数值分析为辅。（2）监控量测是关键，不论是采用哪一种施工方法，都应加强监控量测的信息反馈，及时修正支护参数。（3）对岩溶隧道的处治遇到过水或者充填型溶洞时“以疏为主、堵排结合、因地制宜”，对干溶腔等采用绕、跨、支顶和封堵等办法。为确定施工方案，需要加强现场情况的掌握，不断进行方法对比，同时施工管理要严格，采用经济、合理、安全的施工技术，才能确保施工安全。（4）溶洞的分布位置和组合对速递到围岩的影响有显著差异。溶洞在边墙角处的影响大于溶洞在拱腰处的影响。溶洞的形成使其周围岩体强度降低，应力释放松弛的同时也造成围岩局部应力集中。（5）对溶洞及隧道间的围岩进行加固处理，改善因溶洞产生的软弱围岩强度，对隧道衬砌结构的受力有积极的作用。同时对近接溶洞处应加大衬砌的强度，以提高其局部的承载能力。对边墙角处的溶洞处治可极好的改善隧道衬砌的弯矩受力，减小仰拱处的偏心受压。（6）水是影响围岩稳定性的主要因素之一，溶洞中水的存在将造成围岩强度降低，且隧道的开挖改变了溶洞周围岩体的水文地质条件，在溶洞与隧道间形成渗流场，因此