尖山隧道无水溶腔穿越技术

王作举

(中铁二十局集团，陕西西安 710016)

1 工程概况

尖山隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区，海拔2 325 m。隧道穿越区域地层众多，具构造剥蚀～溶蚀槽谷地貌特点。槽谷的发育多为断层、大型节理等构造走向线一致，呈线状分布，谷底有串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞、漏洞等岩溶地貌。地质构造复杂，围岩种类较多，有玄武岩、石灰岩、白云岩，岩层破碎，泥夹石较多。

施工过程中，在掌子面多次遭遇松散充填性溶腔，以及空溶腔，溶腔内充填物多为泥夹石，溶蚀破碎，溶蚀较强烈，岩体呈碎块状，溶蚀裂隙充填黏土。

2 施工方案

由于溶腔为充填性的泥夹石等堆积物，比较松散，容易出现坍塌，有较大的施工安全隐患，为确保施工安全，施工中采用短进尺，弱爆破，强支护，早封闭，勤量测的原则，步步为营的方法。首先采用多种超前预测预报确定掌子面前方的围岩情况，待确定溶腔后，短进尺揭示溶腔，进尺不超过60 cm。加强初期支护并对溶腔进行处理，待溶腔处理完成，围岩稳定后，对溶腔进行回填处理。同时加强围岩监控量测，确保施工时的安全。

3 施工方法

3.1 隧道溶腔的超前预测预报

预测方法有地质素描、TSP地质预测预报、超前地质水平钻、地质雷达等。施工时，采用几种方法综合预测预报组合，确保预测的准确性。

3.1.1 TSP地质预报系统

在隧道两侧边墙布置爆破钻孔，每一次预报的炮眼数24个，依次进行微震爆破。利用三维地震波接收传感器采集被反射返回的地震波数据，对采集的数据及时进行三维波场处理，提取反射界面。根据声波轨迹、频谱、速率和位移结果判断隧道内岩溶情况。

3.1.2 超前钻探预报法

采用超前水平钻机在隧道掌子面钻探1个～5个超前孔。探孔布置位置:中部1个，隧道断面周边均匀布设4个。除中部孔沿隧道轴线施钻外，其余的超前钻孔均向外施钻，其孔底超出开挖轮廓线外5 m。根据钻孔过程中钻进速度、扭矩、推进力等相关参数，以此进行分析对比，判断探测距离内围岩性质、级别、岩溶、岩溶水等地质状况。两次超前水平钻孔预测搭接长度不小于5 m。

3.1.3 地质雷达法

对掌子面进行平整处理，使雷达天线与掌子面能有较好的耦合，并使掌子面附近没有其他的金属物体。SIRIOB雷达测线在掌子面上呈“井”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长。发射天线向隧道掌子面前方连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体(介电常数和电导率不同)时即发生反射波和透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度，根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质。在时间剖面中应标出探测对象的反射波组，确定反射体的形态和规模并判断岩溶位置、形态及充填情况。

3.2 溶腔的揭示及初期支护

3.2.1 充填性溶腔的处理

通过超前预测预报掌握溶腔情况后，在前方溶腔距离掌子面5 m范围后，采用弱爆破，短进尺进行掌子面施工。施工中拱架采用Ⅰ22的工字钢，超前支护采用双层小导管，小导管采用φ42，L=4.5 m，间距为30 cm，超前小导管搭接长度不小于1.6 m。在施作超前小导管后，及时对小导管进行注浆，稳定掌子面前方溶腔的充填物。并加强拱架的锁脚施作，从拱架基脚处每隔50 cm高度施作一排锁脚，上断面设置三排，下断面设置两排(见图1)。

超前支护完成后，进行开挖施作下一个循环。到达松散充填物溶腔处，开挖进尺进一步缩短至50 cm。开挖后及时对掌子面进行封闭，并对开挖断面范围内进行初喷混凝土，防止掌子面松散充填物及拱顶上方的围岩滑塌。在施作拱架时，采用钢筋网加强拱架的整体性，并在拱部及边墙处预留注浆孔，以及在边墙处预留排水管。而后采用湿喷工艺进行喷射混凝土施工。初期支护完成后，沿预留注浆孔对隧道进行径向注浆，进一步稳定溶腔范围内的充填物。注浆压力控制在不小于0.5 MPa。

图1 充填性溶腔支护处理示意图

完成后继续下一个循环施工。同时加强对围岩的监控量测。

3.2.2 半充填性溶腔处理

对于松散的充填性溶腔，开挖时有填充物滑落或本身是处于隧道范围内的未完全填充的溶腔，称之为半充填性溶腔。对于这种溶腔，开挖时，将溶腔内的松散充填物卸载，卸载后对掌子面进行封闭，而后进行初期支护。初期支护强度同充填性溶腔。并在初期支护顶部，左右两侧拱墙结合部预留注浆孔，同时在空溶腔处加强钢筋网设置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隐患。并在空腔处设置混凝土泵送孔，在拱脚处预留泄水孔。初期支护完成后，再逐步向前施工，越过溶腔后，通过预留的注浆孔进行泵送混凝土及注浆，进而稳定溶腔(见图2)。

图2 半充填性溶腔支护处理示意图

3.2.3 隧道顶部充填物脱空溶腔处理

对于顶部松散的充填物脱空的溶腔，开挖前先施作双层小导管，小导管间距为30 cm，开挖一个循环为40 cm，对开挖范围内用φ22钢筋加工成钢筋网加强拱架的整体性，同时也防止顶部上方有滑落体落下造成安全隐患。拱架采用Ⅰ22的工字钢，超前支护采用双层小导管，小导管采用φ42，L=4.5 m，间距为30 cm，超前小导管搭接长度不小于2.4 m。初期支护施作时，拱架基脚须支立在坚实的围岩上或支立在稳定的钢板上，确保拱架基底部脱空。同时加强拱架的锁脚施作，从拱架基脚处每隔50 cm高度施作一排锁脚，直至拱墙部位，锁脚锚管注浆密实。

在初期支护顶部，左右两侧拱墙结合部预留注浆孔，直径为45 mm，用于后期腔体内的注浆孔及在对腔体内泵送混凝土时的排气孔。同时在空溶腔处加强钢筋网设置，防止在施工中充填物滑落，造成安全隐患。并在空腔处设置混凝土泵送孔，直径为25 cm。在拱脚处预留泄水孔。喷浆工序施作完成后进入下一个循环(见图3)。

图3 隧道顶部充填物脱空溶腔支护处理示意图

3.3 溶腔填充

3.3.1 充填性溶腔加固

初期支护混凝土达到设计强度后，沿预留注浆孔对隧道进行径向注浆，进一步稳定溶腔范围内的充填物。注浆压力控制在不小于0.5 MPa。浆液采用1∶1的水泥浆。同时加强对围岩的监控量测。

3.3.2 半充填性溶腔的填充加固

初期支护混凝土达到设计强度后，通过空腔部位预留的直径为25 cm的预留孔，采用泵送混凝土对溶腔进行填充，混凝土标号为C20，混凝土填充密实。混凝土填充完成后，再通过预留的注浆孔对腔体进行注浆，进一步确保腔体的密实。在施作二衬混凝土时，在溶腔范围内增加两道环向盲沟，引排至隧道侧沟。

3.3.3 隧道顶部充填物脱空的溶腔的填充加固

初期支护混凝土达到设计强度后，通过隧道顶部预留的泵送孔，对溶腔进行填充C20混凝土，混凝土填充密实。混凝土填充完成后，再通过预留的注浆孔对腔体进行注浆，进一步确保腔体的密实。在施作二衬混凝土时，在溶腔范围内增加两道环向盲沟，引排至隧道侧沟。

3.4 溶腔处理过程中的监控量测

溶腔处理过程中松散的充填物可能被扰动，围岩应力可能发生变化，所以必须加强围岩的监控量测。对支护状态及邻近初期支护状况观察，判断整个开挖面的稳定状态，以便采取措施或变更设计。每个循环完成后，将围岩监控量测结果记录整理，作为信息反馈的内容之一，指导施工。改变支护结构。溶腔处理过程中，监控量测必测项目为:1)洞内观察;2)拱顶下沉量测;3)洞身水平收敛。

3.4.1 洞内观察

洞内观察主要是看已完成初期支护是否有出现裂缝裂纹，如有则证明围岩应力变化，初期支护达不到加固围岩的要求，则需要进行变更，加强初期支护的强度。

3.4.2 洞内拱顶下沉监控量测

拱顶下沉测点，在溶腔前后10 m范围内，按隧道中线纵向每3 m～5 m一个断面，每个断面1个测点，测点须采用钢筋打入岩体内，不得焊接在拱架之上。必要时设拱底隆起量测，测点设在开挖断面下沉和隆起变化最大的地方。

按设计位置及时埋设测点。拱顶下沉量测，采用精密水准仪和经校核的钢尺进行测量。按期定时量测，以便了解施工过程中围岩变化情况。开始5 d内，每天测量3次～4次，5 d～20 d内，每天测量2次，基本处于稳定后，每周测量不少于1次。按每个测点分别绘制拱顶下沉回归曲线，将信息及时反馈。拱顶允许下沉值控制值为30 mm。

3.4.3 洞内周边位移监控量测

溶腔范围内的周边位移收敛测点，按隧道纵向间距3 m～5 m一个断面，并与拱顶下沉测点同在一个监控量测横断面上，按两条测线布设测点。测点要在结构开挖喷锚时按设计位置及时埋设。

周边位移收敛量测采用JSS30/15A收敛仪按时量测，以便了解施工过程中围岩变化情况。按每条测线绘制水平收敛—时间曲线，分析初期支护稳定情况，推算最终位移值，以便确定二衬进行时间。水平收敛允许值控制同正常隧道施工。

3 m设一个量测断面，每断面设7个～11个点，所布测点尽量布置在不易被破坏的地方(见图4)。

3.4.4 溶腔处格栅钢架受力监控量测

图4 测点详细布设图

监控量测每隔10榀钢架设置1对测力计。各个测点布设具体位置，详见图4。格栅钢架所用钢筋计，采用电阻应变片式钢筋计。它采用专门防潮措施，反应灵敏，长期稳定。引入计算机技术后，使得测试和数据处理会更精确和方便。

在格栅钢架安装完毕后，将电阻应变式钢筋计，分别安装在主筋的受拉、受压部位，然后施喷混凝土。通过引线接至二次仪器，则电阻应变计将其感受到的格栅钢架主筋的变形转换成电压信号输出，通过预先标定的曲线，就可换算出所测定的受力值。

隧道格栅钢架受力监控量测，采用预先安装于主筋的电阻应变钢筋计和电阻应变仪进行监控量测。

根据量测结果，若判定格栅钢架属不稳定状态，应立即采取措施，加强格栅结构及布置，确保施工安全。

4 结语

本隧道在施工工程中遇到的不同类型的无水松散充填性溶腔及无水空溶腔，通过加强支护等多种方案安全的穿越了溶腔，经总结，有以下感想:1)对于这种地质的隧道，须通过多种超前预测预报准确的确定溶腔的充填情况、溶腔的形态，为穿越溶腔做好前提准备。2)施工中短进尺、弱爆破，及早的封闭支护，并及时的对溶腔进行填充，确保溶腔内的充填物的稳定性，及溶腔周围围岩的稳定性。3)超前支护要加强，特别是拱架的锁脚锚杆及系统锚杆的施作要加强，确保拱架稳定。4)填充混凝土和注浆的配合使用是确保溶腔填充密实的重要手段。5)施工过程中，加强监控量测，确保及时进行二衬的施工。

［1］J 285-2004，铁路隧道工程施工质量验收标准［S］.

［2］尖山隧道施工图［Z］.

［3］刘胜东，孟国基.某铁路运营隧道溶洞强化治理设计及施工［J］.隧道建设，2010，31(2):82-83.

［4］姜德义，李文明，邱华富.监控量测技术在枫香桠隧道中的应用研究［J］.山西建筑，2010，36(10):294.