新屋基隧道遇大型填充偏压溶洞处理措施探索

刘瑞美

摘要： 新屋基隧道位于碳酸盐岩分布区，岩溶强烈发育区。左线隧道ZK26+362～ZK26+381段从特大偏压填充型溶洞中穿过，施工初期采取的常规溶洞处治措施未能达到目的。最终创造性地利用预应力锚索处治滑坡的思路，成功进行了本项目的大型偏压填充型溶洞的处理，以期能给其它此类溶洞处理施工的技术人员一些启示。

Abstract： Xinwuji Tunnel is located in the carbonate rock distribution area and the karst strong development area. ZK26+362 - ZK26+381 segment of the left-line tunnel passes through the extra-large eccentric filled bias cave. The conventional karst treatment measures used in the initial construction fail to achieve the goal. The method of using prestressed anchor cable to deal with the landslide successfully carried out the treatment of large eccentric filled cave to some enlightenment to the technical personnel of this kind of cave.

关键词： 新屋基隧道；溶洞处理；填充偏压型；预应力锚索

Key words： Xinwuji Tunnel；treatment of karst cave；filled bias type；prestress anchorage cable

中圖分类号：U455.49 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）12-0146-03

1 工程简介

新屋基隧道是重庆沿江高速公路重庆至涪陵段的重要工程之一，隧道方向由西向东，最大埋深471m。为深埋特长隧道分离式隧道。

其中，左线起止桩号ZK25+545～ZK31+547.077，长6002.077m其中Ⅲ级围岩2408m，Ⅳ级围岩2617m，Ⅴ级围岩957m。

隧道所经地区为构造侵蚀一溶蚀中低山地貌。山脉多呈波状高低起伏，欲连似断，以坡陡、脊薄为其特点，山上多为植被覆盖，碳酸盐岩分布较广，在山间形成南北延伸的岩溶槽谷，密集分布着溶洞、洼地、落水洞、漏斗、溶沟、溶槽等。

2 遇溶洞后的处理方案及效果

2.1 揭示溶洞

左线隧道掘进至里程ZK26+362时揭示了填充型溶洞，掌子面揭示溶腔内填充物为软塑状黏土，含小石块，结构松散，含水量稍高，有弱岩溶水活动迹象。超前地质探孔表明前方填充物的工程地质特征与掌子面所揭示相类似，发生突水、突泥等地质灾害可能性很小。

地质钻孔探明隧道下溶洞填充物厚度为6～7m，其工程地质特性也较好。

2.2 初期采取的施工处理措施

根据所掌握的溶洞发育特征及填充物工程地质情况，采取的超前支护措施为：超前帷幕预注浆+φ108大管棚。通过向溶腔内填充物注入浆体，形成在隧道边缘线外，厚度为5m的加固圈。以增加周边围岩的强度，使围岩形成自稳平衡拱。

采取短台阶法法开挖，初期喷射C25砼，厚度25cm，I16工字钢拱架间距由1.0m加密至0.5m，拱脚处设置5m长的锁脚锚管。

3.5m长的？准25中空锚杆作系统锚杆。

2.3 处理效果

当掘进至里程ZK26+369时，发现位于溶腔内的钢拱架均出现变形，部分超限。等变形稳定后进行换拱，换拱时出现小面积坍塌。但过了4d后，又出现钢拱架变形及部分超限，支初喷混开裂及脱落现象。钢拱架变形、超限和初支喷混开裂脱落部位基本集中在隧道左侧。

3 对溶腔进行了详细的地质勘察及钢拱架变形原因分析

3.1 详细的地质勘察

经再次对隧道进行详细的钻探勘察，发现左侧填充层厚11～16.5m，填充物中含有巨型孤石。右侧厚3～7m。前方洞壁位于隧身里程ZK26+381处，无法确定其堆积高度。溶洞两侧洞壁基本为垂直发育的形态。

其中ZK26+368断面的岩溶发育情况如图1所示。

3.2 钢拱架变形原因分析

根据钻探勘察结果，对钢拱架再次发生变形超限的原因进行了研究及分析，认为是如下原因。

①地质差，偏压大。因溶腔内填充物松散，岩溶水的存在增大了流动性，自身不能形成自然平衡的普氏拱，且施工破坏了原来脆弱的平衡状态，致使所有上方填充物的压力均作用于隧道洞身上。

钢拱架后变形侵限主要集中在隧道左侧，且左上方填充物中含有巨型孤石，说明溶腔内填充物对隧道造成较大的左侧偏压，常规处治方法无法抵抗巨大偏压力。为本次溶洞处理的关键技术难题。

②填充层厚。因左侧填充层厚11～16.5m，右侧厚3～7m。单根长5m锁脚锚管无法起到固定作用。

③二台阶法不适合该溶腔。为了便于机械作业，溶腔段的隧道掘进采用二台阶法，但造成临空面太大，不利于掌子面稳定。

④上台阶基脚软弱。因洞身处于溶腔内，上台阶初支钢架基脚落在承载能力差的软弱填充物上，导致钢拱架及拱顶下沉，易造成坍方。

4 本项目关键问题——偏压的处理措施

钢拱架变形超限后，邀请设计单位根据钢拱架变形特征进行计算，并经现场测试，获知左侧隧道洞身每米承受的土体推力为350kN，右侧为98kN。

本隧道溶洞处治的关键在于解决洞内填充物产生的巨大偏压力，本项目借鉴了路基处理大体积体边坡滑坡处理的经验，将预应力锚索应用于本项目的溶洞处理。

使用的预应力锚索规格为3？准j15.2，隧道左侧锚索设计如下。

4.1 锚索数量计算

本项目采用7根钢丝组成的？准j15.2mm型钢绞线，每根锚索由3根钢绞线组成。每米隧道洞身需要锚索数量计算：n=（Fal×Pt）/（3×Pu）（1）

式中：Fal为本项目采用的安全系数，取2.0；Pt所承受的填充物推力（kN）；Pu为单根钢绞线极限张拉荷载，取259kN；m为每根锚索的钢绞线数量，本项目为3。

则：（2×350）/（3×259）=0.9。

本项目左侧隧道洞身按每米设1根预应力锚索。

4.2 锚固长度计算

①按钢绞线与水泥砂浆间的粘结强度计算锚索锚固长度Lsa=（Fs2×Pt）/（π×ds×τu）（2）

式中：Lsa为锚索的锚固长度（m）；Fs2为抗拔的安全系数，取2.5；ds为锚索外表直径，取0.03m，τu为钢绞线与水泥砂浆间的粘结强度，取2.95MPa。

则：（2.5×350）/（3.14×0.03×2950）=3.1m

②按钢绞线与孔壁抗剪强度计算锚索锚固长度。

Lsa=（Fs2×Pt）/（π×dh×τ） （3）

式中：dh为锚孔的直径，取0.1m；τ为锚孔壁与水泥砂浆的粘结强度，取2.0MPa。

则：（2.5×350）/（3.14×0.1×2000）=1.4m

③选定锚固长度。

结合上述计算结果，并考虑到洞壁围岩的不完整性，取锚固长度为5.0m。

同理计算得隧道右侧锚索为每3m设置1根即可。

5 针对初支变形原因采取的技术措施

采用预应力锚索抗偏压力，并结合以往填充型溶洞的处理方法，经综合比选，本项目溶洞处理所采取的综合处理技术措施如图2所示。

①采用微台阶留核心土法进行掘进。针对填充物夹石，易坍塌的情况，采用超前帷幕注浆+？准108大管棚。注浆管采用D42超前小导管。穿越溶洞段设置一环管棚，为外径108mm，壁厚6mm，外插角2°，设置范围为拱部120°内，注水泥浆，长度为30m。

②针对地质差，偏压大等特点。采用预应力锚索加固初支。锚索总长按两侧填充物厚度+不少于5m的嵌岩深度。根据预应力锚索设计计算结果。在隧道左侧拱腰中部及上下2m处各设置一排锚索，每根长22m，同排锚索间距为3m，排间锚索错开设置；右侧隧道在拱腰最大跨处设置一排，锚索间距为3m，每根长12m。施加的预应力为300kN。锚索采用水平角度施工，锚索紧扣钢拱架。

③针对隧道承受的填充物偏压力非常大，使钢拱架产生较大的变形量。采用承载能力更强的大尺寸I22b工字钢拱架代替原来的I16工字钢拱架，按间距为50cm布设，拱脚处设置锁脚锚管注浆。钢架间采用间距为30cm的Φ20螺纹钢焊接联接。初支喷射C25混凝土。

④隧道拱部及墙身的系统锚杆为Φ25自进式中空锚杆，长5m，按间距为1.5m梅形布置。仰拱底部设置长3.5m的？准25中空注浆锚杆。

⑤对初支钢架基脚进行注浆挤密处理，以确保上台阶钢架基脚处牢固，有足够承载能力。同时，沿隧道纵向在拱脚处采用[22槽钢作为垫梁，降低钢架基脚处土体承受的压强。

6 处理措施施工时的关键技术

6.1 锚索施工

①编制了详细的锚索施工方案报批，并对现场技术及作业人员进行交底。

②特别加强监控锚索钻眼施工的角度问题。通常路基防护时锚索为倾斜向下钻孔，但本项目需改为水平角施工，是为了避免钻进角度向下时，锚索张拉后会给初支钢架一个向下分力，导致初支下沉的情况发生。

③加强锚索张拉前后的围岩变形监控量测工作，避免了安全事故的发生。

6.2 对松散填充层进行锁脚锚管注浆

①锚管第一个注浆孔距管口（注浆口）2m。管壁每隔20cm交错钻眼，眼孔直径6～8mm。②锚管注浆采用水玻璃—水泥双液浆，注浆终注压力控制在0.2MPa。当围岩土体出现明显变形时亦停止注浆，不受终注压力限制。

6.3 填充物夹石的超前帷幕注浆，

①针对填充物夹石，易坍塌的情况，采用超前帷幕注浆，注浆管采用D42超前小导管。小导管单根长13m，外插角不小于30°，注浆管环向间距控制在30cm，采用双环布置，环间距30cm，两环注浆管梅花间距错开布置，浆液采用水玻璃—水泥双液浆，注浆压力控制在0.2MPa。

②注浆时按从外向内，由低到高的顺序，并做到同一圈孔间隔注浆，注浆压力0.2MPa。

③注浆过程中对孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等做好施工记录。

6.4 上臺阶基脚软弱

对拱架基脚进行注浆挤密处理。浆液采用水玻璃—水泥双液浆，注浆终注压力控制在0.2MPa。当基脚土体出现明显变形时亦停止注浆，不受终注压力限制。

7 处理效果

图3为ZK26+375断面的隧道周边收敛、拱顶下沉监控量测值的S-T曲线图。从图中可看出第15d以后周边收敛、拱顶下沉的曲线趋于水平，表明第15d以后周边收敛、拱顶下沉已趋于稳定。在第20d时隧道的周边收敛总值为11.6mm，拱顶下沉总值为8.5mm。均小于设计及规范的规定。

表明采用预应力锚索成功解决了隧道洞身偏压问题，而大管棚等作为拱顶及侧壁支撑，再辅以大尺寸工字钢拱架及帷幕注浆等措施，共同确保了隧道穿越溶腔的安全施工及质量目标。

8 结束语

在新屋基隧道穿越特大偏压填充型溶洞时采取了增设锚索、增设锁脚锚管并注浆、超前帷幕注浆、使用大尺寸工字钢拱架等综合处理措施。确保了隧道顺利穿越大型偏压溶洞的安全施工。

在本项目中创造性地使用了预应力锚索进行溶洞填充物偏压的处理，对成功处理溶洞起到了关键作用。预应力锚索可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用，可以增强地层的强度，改善地层的力学性能。同时预应力锚索使结构与岩石地层联结在一起，形成共同工作的复合体，使隧道洞身承受的偏压力传递至稳定整体围岩上，确保隧道洞身的结构稳定及施工安全。

通过此次施工，我们创造并总结了一种高效优质完成大型填充偏压型溶洞处治的方法，积累了施工经验，为今后类似隧道施工打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]唐雨.齐岳山隧道大型充填溶腔处理施工技术[J].铁道标准设计，2006（5）.

[2]何根旺.岩溶地区隧道施工方法探讨[J].公路与汽运，2005（3）.

[3]宋秀清，刘杰.隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2009（09）.