引水隧洞不良地质段中空潜孔钻杆施工技术

宋立宝

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750）

某引水隧洞全长2100m，2015年3月8日12时，隧洞出口掌子面爆破后，拱顶上部出现有填充物溶洞，填充物为软塑状粉质黏土夹大小不等的岩块。3月19日8时，溶洞填充物滑塌基本稳定，共坍塌软塑性粉质粘土300余m3，大小孤石8块，经勘测掌子面桩号拱顶埋深52m，掌子面距离山谷30m左右。经相关参建部门勘察确定紧急处理措：对掌子面回填封闭，拱顶上部回填1.5～2.0m厚的混凝土护拱及不小于1m厚的喷砂缓冲层；加强超前注浆小导管及初期钢拱架支护；为减少对溶洞塌方体的扰动，上半断面开挖采取了留核心土环形分部开挖方式；爆破采取人工和小范围预裂控制爆破。3月21日下午4时，拱顶上方溶腔位置已全部通过，掌子面再次出现了巨石滑落，涌出大量的泥浆、积水，挤垮初期支护钢拱架6榀，整个掌子面大部分处于溶洞范围。待稳定后，项目部采取对巨石进行解体，用砂袋将掌子面封闭，拱顶以上回填1.5m厚的混凝土处理。经对掌子面采用25m超前钻探测，发现掌子面向前22m范围都是间隔2～4m的土、石结构，孤石或基岩情况不明，并在钻探过程中出现多次卡钻现象。

1 隧洞地质情况及原因分析

（1）隧洞地质情况。该隧洞线路走向多沿山谷及山体坡脚，刚好位于山体洼地中部。地表基岩裸露，岩质为中风化灰岩，山谷多覆盖为第四系残坡积粉质粘土，含碎石、滚落孤石，地表岩溶发育强烈，多见贯通地下漏斗，雨季少见地表水径流。

（2）原因分析。根据溶洞塌方位置、超前地质探测及地表情况，掌子面方向应有较大的溶洞或互相贯通的溶洞群，推测其塌方处应为一溶蚀的通道连接到下游的山谷。经过长期的雨水侵蚀冲刷，溶洞被地表粉质黏土和孤石填满。当隧洞掘进到塌方位置时，饱含雨水的粘土涌出，孤石失稳滑落。

2 溶洞处理方案

2.1 溶洞处理原则

（1）填充溶洞的处理：加强地质超前预报和监控量测，根据不同情况的溶洞处理预案，严格按照设计和变更文件加强超前和初期支护，确保超前小导管长度、注浆压力，锚杆的长度和间距，喷射混凝土厚度和平整度，钢拱架型号和间距等符合设计，达到规范要求［1］。

（2）中、小型坍塌溶洞的处理：利用围岩暂稳状态，尽快喷锚支护未塌地层然后施作初期支护，在支护外做好防排水设施，泵送1m厚的混凝土护拱及1m以上的吹砂缓冲层［2］。

（3）大型塌方的处理：一般采取“回填注浆+管棚”整体加固方案。即先对掌子面进行回填封闭，设置止浆墙，然后充填混凝土注浆，达到一定的强度后施作管棚，在管棚的安全防护下采用短进尺、分部开挖的施工方法。

2.2 溶洞处理方案

为保证开挖施工的连续和安全，根据超前探测情况，为防止塌方的继续扩大，及时的对掌子面进行了回填处理，初步决定的处理方案是采用25m长的超前大管棚。

（1）拱顶坍塌部位溶腔的处理：对回填封堵后的掌子面进行喷射C30混凝土作为止浆墙，预埋φ100的泵送混凝土输送管、吹砂管和φ80的透水盲管，注意控制预埋管深入溶洞的深度。采用泵送C25混凝土进行溶腔回填，回填厚度控制在超出拱顶初期支护开挖面1.0～1.5m，作为隧洞掘进的护拱。在护拱的上部喷吹松散的砂或粉煤灰，厚度不小于1.0m，作为护拱的缓冲保护层。

（2）导向墙的设置：为保证超前大管棚的施作不侵占初期支护的界面，并对溶岩软弱结合处有一个加强的过渡，自溶洞后退3m进行扩挖50cm施做导向墙。导向墙长1.5m，厚0.5m，采用3榀格栅钢架定位，并起到增强刚度的作用。在起拱线以上120°范围的钢架上焊接导向管，导向管采用φ127的无缝钢管，每根长1.5m，间距40cm，外插角3°～6°，共35根，导向墙采用模筑C25混凝土进行浇筑。

（3）超前大管棚：根据现场采用潜孔钻进行超前钻探情况分析，掌子面向前溶洞内地质情况比较复杂，多为软泥、孤石或基岩，无法形成钢管的成型插孔。经过查阅相关的资料，借鉴自进式中空注浆锚杆可以克服如塌孔、无法插杆的优点，定制了φ89×25mm的中空潜孔钻杆作为钻进成孔和支护的材料。结构如图1，具体操作步骤如下：

图1 中空潜孔钻杆超前大管棚

①采用潜孔钻机控制钻杆的位置及向里的推力，空心潜孔钻杆每节长3.0m，采用同等厚度的套管连接，潜孔钻杆的前端配置一个长度1.0m的冲击器和花型合金钻头，高压风由钻杆送入冲击器，钻头前端有排气及注浆孔，这样就能高效能的穿透各类围岩。

②注浆：钻到预定的深度后，立即向中空潜孔钻杆内注浆。注浆终压控制在2.0～2.5MPa，大部分浆体就会由钻头排气注浆孔沿着空心潜孔钻杆周围一定的氛围渗透固化。这样就完成了自锚的作用，杆体中的水泥浆固结后，也增加了钻杆的强度和刚度。

（4）洞身开挖：严格遵循“短开挖，强支护，勤量测，紧封闭”的原则。采用正台阶环形分部开挖，保留核心土便于支撑，土质采用人工配合挖掘机开挖，石质围岩部采用预裂控制爆破开挖，以尽量减小对溶洞充填物的扰动确保施工安全。

（5）初期支护：设置I20工字钢加强支护，工字钢间距0.5m1榀，拱部增设φ42小导管注浆加固溶洞充填物，每根长4.5m，间距为2.0m（纵向）×0.4m（环向），用以弥补采用中空潜孔钻杆大管棚的不足，然后喷射C30早强混凝土完成初期支护。

（6）下部边墙及仰拱底部加固处理：上台阶部分进行注浆预加固处理仅保证隧洞拱部开挖安全，下边墙及仰拱围岩力学性能得不到改善，并且受到扰动或偏压，极有可能会发生质量事故；另外，即使开挖安全通过溶洞段，也会因溶洞段与溶洞前后隧底岩性不同，致使隧洞衬砌结构沉降不均，而造成二衬开裂，甚至影响行车安全。因此，必须对边墙及仰拱底部进行加固处理。

①仰拱土质部分采用1.0m厚C20片石混凝土进行换填，并将仰拱工字钢闭合，施作钢筋混凝土仰拱及仰拱回填。

②下边墙部位填泥溶洞可采用挖掘机小心掏出1.5～2.0m深度，采用模筑泵送混凝土浇筑，然后参照中部边墙采用φ42超前小导管注浆加固溶洞充填物。小导管每根长4.5m，注意下边墙每次处理长度不得超过1.5m。

（7）加强监控量测，实行信息化管理。在洞身开挖施工过程中，每3m设一组监测点，主要监测拱顶下沉和周边收敛，检测频率为6～8h一次，并进行数据分析，及时反馈指导下一步施工。

3 中空潜孔钻杆用作大管棚的特点

（1）中空潜孔钻杆采用良好的厚壁无缝钢管材料、采用套管便捷自由的连接，真正实现了自钻式钻孔、注浆、锚固等功能的统一。

（2）冲击器前端有穿透力强的钻头，适用于各种复杂地质条件下断层、填充溶洞的掘进。

（3）钻杆直接用于超前大管棚支护，无需拔出成孔，其中空可作为注浆通道，从里至外进行注浆，简化了工序，操作方便。

（4）高效能的止浆配件能保持较强的注浆压力，充分地充填空隙，固定裂隙发育的岩体。

（5）不足之处是成本偏高，注浆四周渗透效果不及梅花型开孔的钢管，可增设超前注浆小导管弥补。

4 结束语

通过以上处理措施，隧洞掘进安全通过了此段溶洞，经过长时间的监控量测，初期支护变形量符合设计及规范要求，二衬结构表面无裂纹和明显渗水现象。证实了本次溶洞处理技术方案的科学、合理和正确性，为以后类似地质条件下的溶洞处理积累了经验。

总之，隧洞溶洞垮塌的处理过程，在保证施工安全和工程质量的前提下，如何把处理溶洞对工期和成本的影响减到最小，是我们工程技术人员不断实践、探索和总结的过程。

［1］ 占小明. 隧洞大型溶洞处理技术［J］. 工程建设标准化，2016，（4）：72-74.

［2］ 谭力. 浅谈喀斯特溶岩区隧洞溶洞处理施工技术［J］.铁道建筑技术，2012，（2）：55-56.