重载铁路隧道贯穿岩溶地质施工技术探讨

刘天钢

【摘要】本论文依托浩吉铁路土建工程18标段红土岭隧道，对在隧道贯穿岩溶超前地质预报探测的现状进行分析，总结了针对贯穿岩溶的探测思路及方法，针对隧道贯穿岩溶处理的重难点，总结适用于隧道贯穿岩溶堆碴反压、溶腔回填、超前支护、洞身开挖等的动态治理方案，取得了较好的治理效果，为隧道贯穿岩溶施工提供技术支持。

【关键词】重载铁路;隧道;贯穿岩溶;施工技术

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.33.080

1、依托工程概述

本文依托工程为浩吉铁路土建工程十八标段红土岭隧道工程。浩吉铁路是中国迈入高铁时代修建的唯一一条国家干线的重载货运通道铁路，设计时速120km/h以上，全长1837公里，设计年输送能力2亿吨以上。浩吉铁路红土岭隧道全长2995m，单洞双线，无砟轨道。

红土岭隧道某洞段为白云岩，浅灰色，岩质较硬，强风化～弱风化，岩体较破碎～较完整，岩层产状为：220°∠48°。围岩级别为Ⅲ级，衬砌类型为Ⅲa型，施工工法为全断面法。掌子面开挖至距离进口260米后，揭示围岩岩性为白云岩，拱部岩溶、竖向裂隙发育，黏性土充填，岩面潮湿，地下水不发育。岩体被裂隙切割成破碎大块状，开挖后拱部有大块孤石滑落，掌子面前方出现溶腔，经过现场地表巡查，溶洞已经贯穿至地表，深度约80米。

2、總体治理思路

在铁路工程施工中，遇到岩溶隧道的情况较多，特别是宜万铁路，被称为地质博物馆，揭露各种形态的岩溶，具有较高的参考价值。但是由于地下工程的复杂多变性，揭示的地质形态各不相同，在常规的中等岩溶地区，由于地质条件相对较好，施工时，管理人员和作业人员的施工经验欠缺，往往会对出现的特殊地质岩溶判断不准。在有填充物的情况下，超前地质预报探测的准确度也会减弱。在各种交叉因素的影响下，溶洞处理的最好时机难以确定，具体的处理措施等级确定也较为困难。同时普通铁路隧道投资控制严格，对于岩溶隧道的处理要求技术可靠、经济合理，这样也给隧道岩溶施工提出了较高地要求。为了确保红土岭隧道贯穿岩溶的治理措施可靠性、经济性，根据岩溶的进一步探测情况动态调整治理方案。

2.1初步方案确定

对该不良地质主要采取措施为：①回填洞碴反压至拱顶，②对溶腔回填混凝土（回填厚度3m）、并注浆加固，③设置洞身中管棚超前支护（长度10m），④围岩级别调整为Ⅴ级，采用Vc衬砌类型，施工工法采用三台阶临时仰拱法。在施工过程中根据超前地质预报、监控量测、现场实际地质情况做局部调整。

2.2实施方案过程调整

通过水平探孔探测溶腔深入掌子面前方至9.2m，距离管棚起点为9.2m，为确保管棚端头搭接在稳定的岩层上，将管棚长度从10m调整为15m;同时，为保证管棚上部覆盖足够厚度的混凝土，拱顶以上混凝土回填厚度从3m调整为4.5m。

3、贯穿岩溶治理方案

3.1回填洞碴反压

红土岭隧道该洞段揭示贯穿岩溶后，为了防止岩溶空腔在地应力作用下进一步垮塌扩大，对已经实施洞段造成次生灾害，立即采取了堆碴反压的应急处理措施，采用洞碴对掌子面进行回填反压至拱顶，拱顶预留1.5m空间（机械无法处理部位）以进行混凝土灌注。回填洞渣采用装载机反推至掌子面，并采用挖机压实。

3.2超前地质预报加强探测

弹性波反射法（TSP203）、电磁波反射法（地质雷达）是最早确定隧道施工前方地质情况的技术手段。在隧道地质探测时，弹性波反射法（TSP203）按照每100m洞段探测一次，电磁波反射法（地质雷达）按照每30m洞段探测一次。探测时距离掌子面的距离越远探测效果越差。

在红土岭隧道该洞段岩溶揭示前，弹性波反射法（TSP203）、电磁波反射法（地质雷达）都是按照计划的探测里程进行的，探测结果为前方地质变差，建议调整围岩级别，但并未准确判断出岩溶的具体地质情况。

在采用水平探孔揭示红土岭隧道该洞段岩溶揭示后，在掌子面（距离岩溶空腔为5米）重新进行了弹性波反射法（TSP203）、电磁波反射法（地质雷达）技术探测。根据超前地质预报报告，对掌子面前方的岩溶空腔进行了准确的描述，与超前水平探孔、超前炮孔揭示的情况基本一致。

为了进一步探测岩溶向地表的发展情况，经过测量定位，在地表开展了地质调查，同时在地表补充施做了弹性波反射法（TSP203）、电磁波反射法（地质雷达），确定了红土岭隧道该岩溶空腔已经贯穿至地表，为准确确定处理范围提供了可靠的地质参考。

3.3溶腔回填

根据超前地质预报的探测情况，红土岭隧道贯穿岩溶沿洞轴线长度为9.2米，向洞顶发展约80米，周边岩溶不发育，由此确定岩溶空腔向上处理5～6米。具体处理方案为：在溶腔内预埋φ120mm混凝土输送管、φ80mm排气管及φ50mm注浆管各2根，固定牢靠后，在掌子面位置采用I18型钢进行支挡，支挡内铺φ8钢筋网片（网格间距20×20）和2层镀锌扎花网，外侧喷射40cm厚C25混凝土进行封闭，混凝土输送管、排气管口引出至封闭位置外，具体结构及示意见下图。

溶腔回填的具体施工工艺如下：

（1）待封闭口C25喷混凝土达到一定强度后，向溶腔内泵送C25混凝土进行回填。

（2）混凝土输送管共2根，一根为主输送管，另一根为备用输送管，高度均为6m（深入顶拱以上4.5m）。开始输送混凝土前，先往管道和溶腔内输送10m3砂浆（M20）。

（3）排气管共设置2根，一根高度为3m，另外一根高度为6m。混凝土回填过程中，当3m高排气管开始返浆后，封闭该排气管，暂停2～3小时待灌入混凝土初凝后方可继续灌注。当备用输送管、6m高排气管开始返浆后，分别对其进行封闭，再往空腔内泵入10m3混凝土即可结束灌注。

（4）回填灌浆管共设置2根，高度均为6.25m。顶拱回填注浆待开挖后再进行，水灰比按1：1重量比注入20m3进行控制。

（5）施工过程中随时观察封堵面、洞碴回填反压地面，发现漏浆、松动、破裂等异常情况时暂停施工进行处理，确保安全后继续实施。

3.4管棚及超前小导管施工

从掌子面所在里程起，在洞顶150°范围设置一环φ89mm、L=15m洞身长管棚，注浆孔隙率取30%。

其余地段采用φ50mm、L=5m超前小导管，超前小导管与管棚搭接长度按不小于1.5m计，注浆孔隙率取30%。

3.5洞身开挖支护

岩溶洞段确定长度为15m，围岩级别调整为Ⅴ级，采用Vc衬砌类型，施工工法采用三台阶临时仰拱法。为了保证溶洞回填后的结构稳定性，在实施了管棚及超前小导管的超前支护措施后，岩溶洞段开挖等到回填混凝土强度达到100%后进行。揭示岩溶空腔部位的主要采用机械开挖，局部采用钻爆法施工，但是应控制单次起爆药量，通过岩溶空腔后5m后，恢复道隧道常规的施工方法。

3.6监控量测

管棚施工前，将掌子面处已设置的观测点转向小里程侧移10米，从掌子面位置起，V级围岩段按每5m一个断面埋设监控量测点。施工过程中，加强超前地质预报和监控量测工作，发现异常情况及时报告并采取处理措施。

3.7现场施工管理措施

为了确保红土岭隧道贯穿岩溶处理的顺利实施，施工过程中加强掌子面及作业面的照明，加强洞内通风、排污，改善洞内施工环境及交通条件，做好应急物资准备，确保施工安全。加强项目部、工区、作业队逐级管理全面到位，加强现场三检制和班组长责任制的运行，加强施工组织和现场指挥，确保该段贯穿岩溶治理过程的安全和质量。

4、监控量测情况及治理效果

红土岭隧道贯穿岩治理施工过程中围岩稳定，未发生溜塌、管棚侵限，施工期间及仰拱钢架封闭成环后监控量测数据稳定，未出现黄色、红色预警。制定的上述隧道贯穿岩治理处治技术措施达到预期设计效果，在安全、有序掘进通过岩溶段时起了非常重要的作用。

结语：

本文就红土岭隧道贯穿岩溶的治理问题，分析了弹性波反射法（TSP203）、电磁波反射法（地质雷达）在遇到隧道特殊地质时的局限性;总结了在揭示贯穿岩溶地质时超前地具体探测位置、探测方法和应该增加的探测内容;总结了隧道贯穿岩溶堆碴反压、溶腔回填、超前支护、洞身开挖等具体的动态治理的方法。根据施工过程中和后期的监控量测情况，红土岭隧道贯穿岩溶治理技术可靠、稳定、合理。该论文总结的贯穿岩溶的治理方案对类似的铁路、公路隧道岩溶治理有较高的参考价值。

参考文献：

[1]王玉琴、高树全.综合超前地質预报技术在贵南铁路岩溶隧道中的应用.中铁二院工程集团有限公司.工程地质物理学报，2018.11（04）.

[2]石玉龙.膨胀岩隧道围岩参数反演与稳定性分析.西安理工大学硕士学位论文.

[3]肖海涛.重载铁路隧道穿越填充型岩溶处治技术研究与探讨.地基与基础工程技术创新与发展（2017）.