摘要：黔张常铁路地形地貌特殊，地质复杂，岩溶强烈发育，在山岭隧道施工中遇到溶洞、管道流、落水洞、溶槽、漏斗、溶隙等不良地质下施工中所面临的技术难题和安全风险，如何采用最佳最优的处置技术，在岩溶发育区施工确保安全顺利通过，保证成本、工期、安全质量不受制约，最后达到岩溶处理的最佳效果，并对以后类似工程具有较高的借鉴价值。
关键词：铁路；隧道；陡坡；浅埋；短隧道；岩溶处理；施工技术
bstract：Guizhou-Zhangzhou-Changzhou Railway has special topography and geomorphology，complex geology and strong karst development.During the construction of mountain tunnels，technical difficulties and safety risks are encountered in the construction of karst caves，pipeline flows，falling water caves，karst troughs，funnels and karst fissures.How to adopt the best disposal technology to ensure the safe and smooth passage of construction in karst development areas，and ensure the cost and construction cost? The period and safety quality are not restricted，and finally the best effect of karst treatment is achieved，which has a high reference value for similar projects in the future.
Key words：railway，tunnel，steep slope，shallow burial，short tunnel，karst treatment，construction technology
引言
武陵山二号隧道在隧道开挖过程中掌子面周边和仰拱基底遇溶洞、管道流、落水洞、溶槽、漏斗、溶隙等不良地质下分别采用综合超前预报手段和地质钻孔法探明岩溶发育情况，根据探查情况掌子面周边采用超前管棚+结构加强+周边超长锚管注浆+回填混凝土的综合处置技术，仰拱基底采用钢管桩+中管棚注浆+回填混凝土+混凝土垫层的综合处置技术，解决了隧道不良地质下各种岩溶发育的加固处理问题，确保施工安全顺利通过岩溶区，安全顺利地完成了隧道的修建，并为今后安全运营打下了坚实的基础。
1 依托工程概况
武陵山二号隧道起讫里程为DK248+250～DK248+495，全长245m，进口段洞门长14m，接长明洞6m，出口段接长明洞8m，暗挖段长217m。隧道最大埋深约35m，为单洞双线隧道，整条隧道位于直线上，单面坡，洞身纵坡-6‰，进口位于文童溪右侧一冲沟内，出口位于文童溪，交通较为不便。整条隧道属于岩溶强烈发育区。
水文地质情况：隧址岩层为寒武系上统中组灰岩，岩层为薄～中厚层状，隐晶质结构，岩质坚硬，局部夹泥质条带，岩层层面发育有溶槽，溶隙。该区域地表水属沅江水系，地下水类型主要为岩溶裂隙水，水质较好，对圬工不具侵蚀性。
2 隧道遇岩溶处理方法
武陵山二号隧道埋深较浅，隧址岩层为寒武系上统中组灰岩，隧道埋深较浅，实际揭示岩层为薄层状，岩层走向呈水平状，隐晶质结构，岩质坚硬，局部夹泥质条带，整体隧道发育有管道流、落水洞、溶洞、溶槽、溶隙等强烈岩溶区。由于该隧道地质结构的复杂性，在隧道开挖前项目严格进行超前地质预报，开挖过程中严格按照设计工法进行施工，隧道开挖从开始至结束共遇较大岩溶8处，通过总结主要介绍3种岩溶治理方法及措施。
2.1基底遇溶洞施工
2.1.1现场施工情况
武陵山二号隧道暗洞从出口方向开始掘进，开挖工法为三台阶临时仰拱法，在隧道进洞掌子面掘进10m，中台阶左侧掘进1.8m，中台阶右侧掘进4.8m时，地质素描发现中台阶右侧存在小型溶腔，且溶腔内为粉质粘土填充，溶腔沿洞轴方向延伸至拱脚处，根据施工图与现场实际开挖岩层判断，该区域至明洞洞口DK248+495基底可能存在溶洞，且溶洞靠洞口处埋深较浅。
2.1.2施工方法
（1）确定溶洞形态
①现场停止开挖作业，对基底及掌子面附近进行地质雷达检测，根据检测结果初步推断处溶洞位置，为进一步精准探明掌子面及基底溶洞范围，现场在中台阶掌子面打设超前水平钻，基底采用潜孔钻对基底岩溶钻探，钻探参考地质雷达检测结果，边墙两侧处基底钻探外倾15~20°，探测隧道开挖面以外是否存在溶洞，其他段落采用竖向钻孔，钻探过程中对遇到溶洞探孔时，加深钻孔长度，将探孔钻至溶洞以下5m，周边加密探孔数量，确认溶洞范围。纵向探孔探明溶洞纵向长度，采用两端 “夹击”方式，逐步精确推测出溶洞的纵向范围。现场基底探测钻孔探测完成后，及时上报地质专业钻探记录。
②根据超前地质预报各种手段综合分析基底溶洞发育情况为：溶洞竖向呈长条状，横向呈葫芦形，较为不规则，为全充填溶洞，填充物为较为松散黄褐色粉质粘土夹碎石。其中DK248+480~+484段溶洞位于轨底下0.5~1m处，溶洞高约2~3m，宽约6~9m；DK248+484~+490段溶洞位于轨底下1~6m，溶洞高约4~13m，宽约5~9m；DK248+490~+495段溶洞位于轨底下12m~16m处，溶洞高约2~6m，宽约1~3m。
图1 基底溶洞平面、纵断面示意图
（2）处理方法
根据溶洞的布置形态及大小，溶洞具体处理方法为：
a.DK248+480～+484段隧底岩溶发育深度小于3m，采用C20混凝土换填；
b.DK248+484～+490段仰拱以下岩盘厚度小或无岩盘，岩溶发育深度3～15m，全填充，承载力小于80kPa，采用φ194钢管桩注水泥浆加固方案，加固范围为隧底溶洞范围；钢管桩间距0.6×0.6m，梅花型布置，管内压注水泥浆；注浆完成后钢管内采用M10水泥砂浆灌满；桩深入基岩不小于1m；施作仰拱前，桩顶设不小于50cm厚C20混凝土垫层，内设钢筋网片；
c.DK248+490～+495段采用Φ89钢花管注浆，间距150X150cm，深入基岩不小于1m。
（3）施工注意事项
①受地质条件影响，φ194钢管桩钻孔钻头选取型号要大于钢管桩外径40~50mm，钻孔前先采用水平尺对钻机水平及钻头调节平直，防止钻头倾斜，钻孔偏移。
②当钻孔过程中若发现岩壁有空隙，且基底未发现空洞或填充物时，应及时采用M10水泥砂浆充填密实，后采用水泥浆复注，待强度达到设计75%以上方能继续开钻。
③填充型溶洞注浆采用水泥单液浆，必要时可使用双液浆，注浆压力控制在2.0MPa以内，注浆速度不得大于10L/min，注浆应按照“先两边、后中间”的原则进行，注浆时严格进行跳孔施工，严禁相邻孔注浆。
④加强周围初支段落围岩监控量测，确保监测数据可控。
图2 钢管桩平面布置图 图3 钢管桩横断面图
（4）注浆效果检验
①采用地质雷达进行注浆效果检查，有无注浆盲区存在，若存在盲区，应重新打孔补注浆。
②DK248+484～+490段现场进行基地承载力测试，要求基地承载力大于300Kpa，若基地承载力小于300Kpa，应进行补充注浆。
③DK248+484～+495段线路纵向每3m设置一排检查孔，每排间距3m设置一个孔钻芯取样，施工中根据溶洞位置布置检查孔，钻孔深入基岩不小于1m，检查溶洞填充是否密实—钻芯的密实度不应小于90%，否则进行补充注浆。
2.2掌子面遇充填型溶洞施工
2.2.1现场施工情况
武陵山二号隧道进口DK248+289~+309段埋深约6~10m，掌子面施工至DK248+289，揭示为寒武系上统中组黄褐色-青灰色灰岩，中~薄层状，岩层扭曲倾角较缓，节理裂隙较发育且较破碎，构造面一般溶蚀严重，有泥质填充。掌子面上台阶拱部揭示出一溶洞，因溶洞大量充填潮湿~饱和的粉质粘土夹粉砂土，溶洞揭示后充填物坍塌，在地表形成直径4m，深约1.8m的塌坑。根据进一步超前地质预报资料综合分析，武陵山二号隧道DK248+289～DK248+305段仍存在明显的岩溶特征，其最大宽度约13m，长度约16m，横向上呈“V”字型，竖直方向呈马鞍状，填充物为粉质黏土与细砂混合，遇水及扰动后易呈流塑状塌落。
图4 掌子面拱顶充填溶洞垮塌及地表塌陷照片
图5 溶洞纵断面分布示意图
图6 溶洞平面分布示意图
2.2.2施工方法
（1）施工顺序
施工准备→地表临时处理→掌子面溶洞口封闭→已施做初支段临时加固（含边墙小导管注浆）→超前支护（管棚打设采用无工作室法）→初支背后空洞处理→地表回填处理→拆除已施作初支段临时支撑（根据洞内监控量测数据判定）→掌子面开挖及支护（锁脚锚管根据地质情况采用φ89加强）→周边径向注浆处理→初支密实度检测
（2）地表处理
目前隧道进口左线侧地表出现一处坍塌区，现场需组织人员对坍塌区范围设置安全防护栏杆和安全警示标志，防止人员靠近危险源，另外将洞顶截、排水沟进行顺接，防止地表水汇流至低洼的坍塌区。
（3）掌子面封闭
目前隧道内左侧涌出较多坍塌土方，为确保处理溶洞过程中，坍塌体不滑移，现场对坍塌体坡脚采用沙袋码砌反压。另外对掌子面进行封闭，封闭采用喷锚网形式，对掌子面打设Φ22砂浆锚杆，L=3m，打设锚杆间距为1.2*1.2m，梅花型布置，然后挂设Φ8钢筋网片，网格间距20*20cm，之后对岩面喷射C25砼，混凝土厚15cm。
（4）已施作初支段加固处理
溶洞处理前对已开挖段DK248+284～+289段5m范围（上台阶）已施作初期支护内表面上密贴安装环形临时钢架支撑，采用I20a型钢，间距0.6m/榀，锁脚锚管与钢架连接牢固。
（5）超前支护
DK248+289～DK248+309段超前支护：拱部120°范围设φ108大管棚+双层φ42超前小导管注浆，大管棚长度20m，环向间距40cm，之间布置双层小导管，边墙设φ42超前小导管注浆，小导管长4m，环向间距40cm，外插角40°，纵向搭接不小于1m；
由于隧道进口方向上台阶已开挖支护完成19m，若隧道内打设大管棚采用设置导向墙方式，现场施工场地狭窄，制约施工空间，另外对围岩扰动大，可能导致二次坍塌，并且会增加施工成本。为方便有效地完成大管棚打设，现要求现场采用无工作间超前大管棚施工技术。无工作空间超前大管棚施工首先先在掌子面施作止浆墙（初步为喷锚支护，围岩破碎易坍塌处进行注浆加固，固结掌子面围岩）其次是在隧道设计开挖轮廓线内40cm，按外插角10°开孔并进行管棚孔钻设，该段掌子面施工超前水平钻设计长度为20m，现场钻孔从掌子面上仰施钻，钻设长度为22.5m，管棚钻设应跳孔进行，钻设完成后及时进行清孔，清孔后立即进行下管作业，管棚采用Φ108无缝钢管，管棚分节推入孔内，对于靠近掌子面约2.3m管棚侵限净空位置处，现场采用自制的管棚推进器将管棚推进至隧道设计开挖轮廓线外，在无管棚的孔口安装注浆闸阀，要求孔口必须密封严实，检查合格后进行注浆作业。
图7 溶洞处理横断面示意图
图8 管棚施工正面、纵向示意图
注浆顺序应从两端低处向高处、跳孔方式进行，注浆材料为水泥浆，水灰比1：1。注浆管头加工带闸阀的注浆嘴，采用注浆机将浆液注入管棚钢管内，初压0.5～1.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆，施工中详细记录注浆时间，注浆压力及注浆量；
注浆量应满足设计要求，一般为钻孔圆柱体的1.5倍；若注浆量超限，未达到压力要求，应调整浆液浓度继续注浆，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。注浆时，加强对周边地表观察，若浆液流出地表，停止注浆，待注入浆液终凝后再注。
管棚施作完成后，由于管棚施工工艺原因，靠掌子面段2.3m范围内无管棚结构，现场在开挖前，在进口左侧原坍塌范围打设Φ89型小导管，导管长4m，环向间距30cm，外插角15°，其他范围应打设双层小导管，小导管打设环向间距为30cm，外插角分别采用10°、40°交错布置，水平搭接长度不小于1.0m。小导管打设完成后及时进行注浆工艺施工，合格后进行下道工序。
（6）空洞回填处理
已施作初支段加固处理完成后，根据实际空洞位置发现，在进洞左侧在已施作初支背后存在一处空洞，且悬空面积较大，该处在端头设置模板关模，且采用C20砼回填，且回填高度必须大于拱顶以上2m，在回填前管状溶洞内各预埋2根Φ100盲管作为后期溶洞的排水管路，该盲管沿侧壁引入正洞侧沟内，且盲管采用土工布包裹，采用防水板条+射钉固定于岩面上，要求盲管高端管口应高于回填面不小于50cm。
（7）地表回填处理
隧道内管棚及空洞处回填砼施工完成后，地表坍塌区及时进行回填处理，回填采用土加块石，分层回填，靠地表50cm铺设黏土层，主要作用为黏土隔水层。
（8）开挖及支护
DK248+289～DK248+300段衬砌支护类型维持原设计Ⅴw-2型，拱墙径向注浆维持原设计；DK248+300～DK248+309段围岩级别由Ⅳ级调整为Ⅴ级，衬砌支护类型由Ⅳw-2型调整为Ⅴ级围岩Ⅴw-2型，拱墙增加径向注浆加固，施工方法采用三台阶临时仰拱法。
（9）径向注浆
DK248+289~DK248+309段开挖初支完成后，对该段拱墙岩溶填充范围内进行径向注浆加固，注浆采用Φ42钢花管，长度为5m，间距1.45m*2.25m，梅花型布置，管口需要设置闸阀，以封堵管口浆液溢出，注浆采用水泥单液浆，注浆压力控制在1.5~2.0MPa之间，注浆方式为全孔一次性注浆，注浆量预估为8m3/延米，现场施工过程中控制注浆预估量。
（10）初支密实度检测
该段开挖支护且径向注浆完成后，对径向注浆效果采用压水试验进行验证，压水压力控制在1MPa，观察进水量是否小于2.0L/min，若进水量大于规定值，立即安排人员重新对该区域进行径向注浆处理，直到检测均合格后且沉降观测值在规定允许范围内方能正常掘进，以确保该段岩溶发育区拱墙范围背后密实，无空洞现象。
2.3隧道遇无充填型溶洞施工
2.3.1现场施工情况
隧道开挖至DK248+429.6时，根据超前地质预报综合分析及探测，在掌子面左侧探测到一无填充型岩溶空洞，最后经揭示，溶洞最大高度约19m，最大宽度约约9m，岩溶竖向发展，溶洞在纵向主要分布于线路右侧，溶洞走向与线路方向夹角约30°，但纵深斜向下方向发展，在DK248+473线路右侧25m拐向线路方向发展，在DK248+476附近基底以下约29m与线路呈70°大角度相交通过，最终与隧道北侧半山腰洞口相通，溶洞洞径约5m，洞内溶洞底部低洼处存在常年流水，DK248+430～DK248+419段溶洞边界已侵入隧道右边墙轮廓线以内，对隧道工程结构有影响。
图9 开挖时遇溶洞（揭示前 图10 溶洞内部构造（揭示后）
图11 溶洞形态平面发展示意图
2.3.2施工方法
（1）施工顺序
施工准备→掌子面封闭→溶洞口门架→溶洞内喷浆加固→溶洞回填→开挖及支护→隧底岩溶处理→ 处理效果检验
（2）掌子面封闭
隧道内掌子面左侧遇一无充填型溶洞，为确保处理溶洞过程中，掌子面裸露岩层稳定性，现对掌子面进行封闭，封闭采用喷锚网形式，对掌子面打设Φ22砂浆锚杆，L=3m，打设锚杆间距为1.2*1.2m，梅花型布置，然后挂设Φ8钢筋网片，网格间距20*20cm，之后对岩面喷射C25砼，混凝土厚15cm。
（3）溶洞加固
为确保溶洞处理过程中人员进出安全性，在溶洞口设置门架稳固洞口，现场本着“少扰动、早封闭”原则，根据溶洞口形状，设置矩形门架，门架四周主梁采用I20a工字钢，门架净空尺寸2.5m*2.0m（高*宽），门架设置于开挖轮廓线外，门架两侧紧贴岩面。顶部由于溶洞不规则性，设置垂直顶撑，顶撑采用I16工字钢，横向0.5m设置一道，顶撑一端固定于主门架上，另一端紧贴岩面，完成后在门架与岩面间挂网，门架两侧打设Φ42（L=4m）锁脚锚管固定门架，完成后对挂网区域进行喷浆防护。
溶洞门架完成后，现场根据溶洞内部构造情况，先初步清理危石、松软岩层，随后施工人员根据现场地形，采用脚手架及木板搭设操作平台，经检查验收合格后方能投入使用，溶洞内部岩壁采用湿喷机进行喷浆防护，喷浆厚度约10cm厚，喷浆料强度为C25混凝土。
（3）溶洞回填
溶洞回填前根据实测资料，溶洞分3阶段进行回填施工，其中仰拱底10m以下采用洞碴回填，回填至仰拱底10m后，在溶洞壁固定一根Φ600市政波纹管，低端埋入回填洞碴内，埋入深度不小于1m，顶端管口高于拱顶以上2.5m，波纹管在溶洞侧壁上采用Φ22钢筋抱箍固定，抱箍竖向间距为1m，完成后在仰拱底10m范围内回填C20片石混凝土，片石掺入量不大于20%，回填过程中注意保护底部波纹管，防止块石砸坏管壁，混凝土浆液堵塞波纹管内。当片石混凝土回填至仰拱底时，剩余溶洞采用C20混凝土回填，回填采用泵送方式，回填至拱顶以上2m范围，在回填过程中，在溶洞内预埋两根Φ100盲管作为排水管路，沿隧道侧壁引入正洞排水侧沟内，盲管采用土工布包裹，高端管口高于回填面不小于50cm。
图12 溶洞口封闭示意图 图13 溶洞口封闭照片
图14 溶洞回填示意图 图15 溶洞回填施工照片
（4）施工注意事项
①加强洞内及浅埋段地表监测，并及时对洞内外变形监测数据进行分析，如有异常应及时停工，分析原因后确定进行下部施工；
②溶洞内施工作业时，做好必要的通风、照明、紧急疏散等设备设施
③加强溶洞内安全防护措施，安排专人做好安全预警，发现紧急情况，立即组织人员撤离。
3 施工总结
（1）岩溶隧道施工中加强超前地质预报，并采取多种预报手段探测岩溶分布情况，探查清晰溶洞后方能确定下部施工方案，消除施工风险，保证隧道运营安全和周边环境不受影响；
（2）根据隧道实际揭示的工程地质和水文地质条件，通过超前管棚、径向注浆和喷锚支护等辅助手段加固隧道顶部的围岩，防止坍塌；基底通过换填、钢管桩、注浆等方法加固隧道底部的松软地层，提高隧底的强度和整体性，防止基底沉降。
（3）隧道岩溶处理施工后，及时对处理效果进行钻孔取芯验证，经检验效果验证合格率为100%，满足要求后方能继续进行开挖或其他工序施工。
（4）在各种不良地质条件下选取不同的岩溶处理措施，方法有效，理念正确，既解决了岩溶区项目施工技术难题，又为项目带来了经济效益，达到了隧道岩溶处理的工程质量和最佳效果，各项指标能够符合设计要求；同时在全线隧道岩溶处理施工中进行推广，为快速、高效、优质地建设黔张常铁路提供了保证，有效地保证了铁路岩溶隧道施工质量。
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论文作者:任维1,赵尔强2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：溶洞论文; 隧道论文; 岩溶论文; 注浆论文; 基底论文; 地质论文; 超前论文; 《基层建设》2019年第3期论文;