隧道洞口溶洞处理技术研究

吴阿力坦巴雅尔

（中铁二十局集团第二工程有限公司，北京 100000）

1 工程概况

闻江寺隧道出口处为149 m 高峭壁，洞内离洞口5 m 处有大溶洞。洞口原设计有36 根25 m 长大管棚，大管棚从洞外向洞内施作，套拱用C25 混凝土浇筑，中间设置3 榀I18 工字钢支撑。隧道衬砌内轮廓采用半径为5.55 m 的单心圆，内轮廓净高7.05 m，净宽11.1 m。该段围岩的主要组成部分为第四系碎石土层厚0～1.0 m，出露及下伏岩层为三叠系下统罗楼组（T11）泥灰岩夹页岩，薄至中厚层，节理裂隙发育，页岩较破碎，强至中等风化，岩体完整性指数Kv=0.20，岩石部分为软岩，单轴抗压强度Rc=10～25 MPa，自稳能力较差，无支护时振动易产生大规模坍塌及掉块。围岩为V 级，围岩衬砌形式为Va。超前支护采用直径42 mm，壁厚4 mm 的注浆热轧无缝钢管，长度400 cm，间距240 cm×40 cm。初期支护形式采用350 cm 长φ25 mm 中空锚杆，26 cm 厚的C20喷射混凝土，60 cm 间距的Ib20 工字钢。二次衬砌采用50 cm 厚的C25 钢筋混凝土浇筑。本隧道所处地形起伏较大，地貌类型为低中山侵蚀、溶蚀、剥蚀地貌，隧道进口位于斜坡上。岩溶是该隧道区域内主要的不良地质状况，隧道区地下水靠大气降水及溪沟侧向补给，大气降雨时，雨水下渗后赋存于基岩风化裂隙、溶蚀孔洞中，其水量受气候影响较大。雨水下渗后地下水沿基岩裂隙、溶蚀孔洞、岩层层面运移，地下水向地势低洼处散流排泄。开挖至K3+374 时再次出现溶洞，大量填充泥水流下来。溶洞分布方向与线路垂直，位于隧道轴线的左侧，整体发展为溶腔。隧道纵断面及洞口溶洞位置示意图见图1。

图1 隧道从断面及溶洞位置示意图

1.1 溶洞发育特征

在隧道K3+374 处掘进时遇到溶洞，该溶洞走向为东西方向，与隧道轴线呈90°相交，另一端一直延伸到K3+390 处，离暗洞出口岩面只有5 m 距离。溶洞内环境恶劣，能见度低，不断有石块夹泥掉落，采用激光测距的方式和地质雷达探测法测定溶洞的高度35 m、隧道横向宽度8 m、隧道纵向长度16 m，溶洞的最大埋深是149 m，溶洞周围岩石强风化，洞内填充大量泥水，呈灰黄色，薄至中厚层状，节理裂隙发育，岩体破碎，岩石软，厚2～5 m。

1.2 洞口情况分析

隧道出口岩面90°强风化峭壁，表面有风化危落石，内部有溶洞，从洞外施作大管棚，钻孔时有振动岩面掉石块或整体垮塌伤害施工人员的安全隐患，因此，考虑从洞内向洞外施作管棚。溶洞离隧道暗洞出口面只有5 m 距离，管棚施作后洞口处只有5 m 长度范围有支撑力，其余段在溶腔内起不到加固作用，因此，需先处理溶洞。溶洞处理不当掘进过程中会引起洞内坍塌，洞口大面积垮塌。溶洞范围之内有大量危落石，在施工爆破作业过程中，容易诱发溶洞侧壁的坍塌，影响结构安全。为此，制订施工方案时应综合考虑溶洞和洞口岩体永久稳定性和安全性。从调查结果来看，该溶洞规模大，侧壁分布有悬挂岩体，顶部部分布有危岩体，局部偶尔出现掉块现象。溶洞内施工地质情况复杂，为了稳固溶洞和出口岩体可考虑采用回填溶洞法把整个溶洞用大管棚与山体连成一个整体[1]。

2 溶洞处理方案比选

请相关专家及建设单位、设计单位、监理单位相关人员到现场踏勘，召开处理溶洞及稳固洞口岩体专题研讨会，制定处理溶洞、稳固洞口岩体的专项方案，并进行了经济性比较。具体施工方案如下。

方案一：隧道出口（野梅岗端）溶洞范围岩体从上往下分台阶放坡全部爆破外运，把此段暗洞变更为明洞，在坡面施作主动防护网做防护。费用见表1。

表1 方案一增加费用统计表

方案二：采用石渣回填再喷射C20 混凝土封闭掌子面，采用地泵泵送混凝土和砂浆回填溶洞，再把大管棚从洞外向洞内施作工艺变更为洞内向洞外施作，把洞口5 m 长岩体与溶洞和隧道主体连城一个整体，避免后期洞口5 m 岩体垮塌，然后按暗洞施工工艺有序施工。费用见表2。

表2 方案二增加费用统计表

方案一施工工期长，费用高，最终根据该溶洞的规模、发育特征、所处位置，同时考虑洞口施工安全，选用方案二，封闭掌子面，用混凝土、砂浆回填溶腔，再从洞内向洞外施作大管棚，把隧道洞口岩面、溶腔与山体连成整体，然后用吊具人工清理洞口危落石，再施工初期支护、二次衬砌、洞口等工程。

3 溶洞处理方案的实施

工艺流程：封闭掌子面→溶腔回填（溶腔底部3 m 范围用C20 混凝土，其余部位用M10 水泥砂浆）→测量（定位洞内洞外套拱管棚位置）→施作洞内套拱→施作超前大管棚→沉降观测→洞口危落石清理→施作洞口套拱→洞身开挖支护→二次衬砌。

3.1 封闭掌子面

隧道掌子面采用石渣回填注浆，回填过程中往溶腔内插入4 根泵送管，泵送管采用角钢固定，再铺设钢筋网后喷射30 cm 厚C20 混凝土防护。为了减少回弹量和灰尘采用湿喷工艺，开始施工时向喷射机内注水通风，清除管道内杂物，并人工打设控制喷射混凝土厚度桩再清理湿喷面杂物。混凝土在拌和站集中拌和用罐车运至现场，混凝土配合比由试验室结合现场确定，原材料必须符合规范要求。喷射作业从下而上分段分层进行，每层厚度10 cm。湿喷机喷头垂直对准受喷面，离受喷面距离1.5 m 为宜。喷射作业要连续进行，喷射混凝土表面平整、密实、无孔洞。采用覆盖洒水养护方法养护喷射混凝土7 d。混凝土强度达到设计要求后往石渣内注浆[2]。

3.2 溶腔回填

溶腔回填采用地泵从预留泵送管泵入3 m 厚C20 混凝土，再停歇24 h 后泵入其余部位M10 砂浆。混凝土配合比由实验室通过试验配制，坍落度要大一些。泵送混凝土前，先泵送1 m3水、再泵送1 m3与混凝土配比相同的水泥砂浆，清洗润滑管道后即可开始泵送混凝土。开始泵送时，泵送速度宜放慢，观察油压变化应在允许范围内，待各系统运转顺利时，才用正常速度进行泵送。泵送期间，混凝土的供应要满足地泵连续工作要求，收料斗内要有足够的混凝土，混凝土面离收料斗上沿距离10 cm，使混凝土泵送连续作业，当混凝土供应不及时，需降低泵送速度，泵送暂时中断时，搅拌不应停止[3，4]。混凝土泵送完后要用清水泵送方法清洗收料斗及泵送管，清洗水不得排入河道等污染环境的地方。

3.3 施作洞内套拱

3.3.1 施工放样

测量人员校核测量仪器、准确计算平纵面坐标，采用全站仪测设套拱两侧和中心点的轴线位置和高程，同时测设每根钢拱架及导向管轴线位置及高程[5]。套拱模板、钢拱架安装完、导向管安设后再复测模板及导向管轴线位置及高程，控制好导向管纵坡，充分发挥导向管导向作用，确保洞口处管棚位置精准，以便施作洞口套拱[6]。

3.3.2 立钢拱架、安装导向管

套拱内埋设3 榀I18 型钢拱架，I18 型钢拱架采用φ25 mm 钢筋纵向连接，环向间距0.5 m。I18 型钢拱架加工前由技术人员仔细计算下料长度及弯曲半径，然后下料并用弯曲机进行试弯，试弯成型后用模具进行校对，校对合格后沿着此钢拱架轮廓用石笔画出弯曲机转轴的位置，作为加工此类型钢拱架的转轴定位标志[7]。每加工1 榀钢拱架，为保证形状及结构尺寸符合设计要求必须用模具逐一校核。钢拱架与连接钢板采用电弧焊连接，焊工要持证上岗，焊缝必须饱满，无漏焊、无焊伤，并且保证钢拱架轴线垂直钢板中心线，确保构件连接成钢架后整体的密贴度和稳固性，并要保证钢架各构件段在同一个平面内。安装拱架前测设定位安装钢架位置并于基座处平放钢板垫块，然后分段进行安装，接头用螺栓连接。导向管均采用φ127 mm×6 mm 热轧无缝钢管，导向管外插角1°～3°，与钢拱架用钢筋可靠连接固定，导向管共设36 根，每根长2 m。

3.3.3 内模安装

套拱内钢拱架、导向管安装完成后，根据套拱结构尺寸搭设4 品I14 钢拱架、间距0.7 m，套拱内模支撑在拱架上，采用φ20 mm 钢筋环向固定，内模板安装完成后清理模板上杂物，再搭设外模，外模采用钢筋固定。套拱示意如图2 和图3 所示。

图2 套拱正面示意图(单位：m）

图3 套拱侧面示意图(单位：m）

3.3.4 混凝土浇筑

混凝土用输送泵浇筑，强度等级C25，木模板与钢支架能够承受所浇筑混凝土、作业人员和施工设备的重力，侧压力及在施工中所产生的其他各种荷载。拱圈混凝土要分层两侧对称浇筑，两侧浇筑高度差宜控制在1 m 以内，混凝土连续浇筑振捣密实，应一次浇筑成型。

3.3.5 养护

拱圈混凝土浇筑完成后根据气温情况用土工布、塑料膜覆盖洒水养护7d 以上。

3.4 施作大管棚

3.4.1 管棚设计参数

管棚钢管为φ108 mm 型热轧无缝钢管、壁厚6 mm、长度25 m。管棚现场分节制作，每节长度分别为12 m 和13 m，相邻两个钢管接头错开1 m，隧道横向同一断面处的接头数不大于50%，钢管接头采用正反丝扣连接，丝扣有效长度不小于15 cm。管棚沿隧道横断面环向间距中心至中心为40 cm，钢管外插角度为1°～3°，钢管施工误差径向不大于15 cm。钢花管示意如图4 所示。

图4 管棚钢花管示意图（单位cm）

3.4.2 管棚施工

钻机轴线位置准确、固定牢靠，钻孔应从下而上隔孔钻进，为方便插入钢管钻孔孔径比钢管外径大于20mm，钻进中应经常采用测量仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求及时纠正。管棚的钢管偶数孔采用无缝钢管，奇数孔采用注浆钢花管，钢花管浆液渗滤孔布置如图4 所示（钢花管由无缝钢管加工而成）。每个奇数孔成孔、清孔、验孔合格后采用挖掘机配合钻孔机的方式及时装设钢花管并压注水泥浆，奇数水泥浆达到设计要求后开钻偶数孔，成一个孔要及时安装钢管防止塌孔。偶数孔钢管内注满水泥浆提高钢管强度。偶数孔的施工一方面可以检查奇数孔注浆是否饱满，另一方面若注浆量不足也可以进行补充注浆，提高注浆加固围岩的效果。钻孔、安装钢管、注浆等各道工序必须做好施工记录，确保施工质量。

3.4.3 管棚注浆

奇数钢花管管棚安装后及时进行清孔注浆，再打设偶数管棚，浆液采用P·O42.5 水泥单液浆，注浆机采用液压型注浆机。开始注浆前做水压试验，测定围岩吸水性和围岩渗透性，为选择泵压和注浆液配合比做参考。注浆压力1.0～2.0 MPa，水泥浆水灰比0.5∶1～1∶1，注浆压力达到设计值或注浆量达到设计量的95%时持续稳压注浆10 min 后可以停止注浆，注浆量不足的应补注浆。压浆要专人负责，随时观察压浆压力、浆液流动性及周围情况确保压浆效果。

3.5 沉降观测

套拱拱顶、拱腰、拱脚处分别设置沉降观测点，随着掘进进度每隔5 m 再设置沉降观测点，沉降水准测量精度为±1 mm，读数取位至0.1 mm。每天进行定期观测并详细记录观测数据、绘制沉降时态曲线，整理数据，以实测数据指导施工，出现异常情况时加密监测。

3.6 洞口危落石清理

在山顶地质稳固处插打锚固安全桩，并验证其安全性，每次作业前对安全桩进行检查，如发现有松动应及时进行加固处理，或者重新插打安全桩。安全桩与吊篮可靠连接，吊篮必须由专业单位安装，确保吊篮的运行可靠性，并且现场要有专职安全员盯控。清理工戴好安全帽、系好安全带，坐在吊篮内慢下，采用凿石撬杠等工具从上往下逐层清理。对风化松动岩石块和有裂纹的岩面撬开清理，保证洞口施工作业期间无石块松动塌落，避免高空坠落伤人。针对浮石浮土采取一看、二敲、三撬的作业方法，对可能随时滚落的零小危石、活石用铁锹清理；对于危岩体采用机械凿孔，钢契挤压的方法进行破碎处理。

3.7 初期支护及二次衬砌施工

清理完洞口危落石、施工完洞口套拱后，采用“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针法开挖支护，并根据变形观测数据，初期支护稳定后及时模筑二次衬砌钢楔混凝土成功处理了溶洞、安全通过了洞口。

4 结语

在贵定至野梅岗公路闻江寺隧道出口（野梅岗端）溶洞处理中采用封闭掌子面、溶洞回填、洞内向洞外施作大管棚方案安全处理了溶洞并顺利贯通了隧道。施工过程中出现不少未知因素、遇到不少困难，但在相关单位鼎力支持和各级人员上下同心共同努力下克服了一切困难，保质保量完成了施工任务、节约了成本、控制了安全、确保了工期，这也充分说明了此方案的可靠性和可行性。