富水溶洞隧道外侧溶洞封堵技术研究

王志强 王传飞 钟水平

中交路桥南方工程有限公司 北京 100000

随着我国交通隧道产业的快速发展，越来越多隧道工程开工建设。一些特殊地质区域的隧道在施工过程中，其隧道周围易出现溶洞，其填充物较为松散，厚度较大，给隧道的施工带来一定的难度。

龙南西隧道进口端位于龙南县桃江乡洒口村马槽山龙灵农场，出口位于龙南县渡江镇果农村社背。龙南西隧道区地处构造剥蚀低山地貌区，据工程物探资料，在Z2K125+360～500 段物探低阻异常区，围岩为破碎中风化白云岩，Z2K125+403 处钻孔揭露拱顶以上岩溶发育。124+820～125+220 围岩为破碎中风化白云岩，洞身范围内及仰拱以下溶洞发育，现场开挖施工难度大，对工程施工进度、安全造成了系列不利影响。

隧道洞周溶洞的存在大幅增加工程施工进度和支护质量控制的难度。对此，为改善隧道洞周溶洞的封闭效果，提高隧道穿越施工的施工效率、改善现场施工质量，相关学者和工程技术人员从溶洞隧道病害防控、隧道溶洞病害处治和隧道溶洞现场穿越等方面进行了有针对性的研究，如祝新建[1]系统研究了岩溶发育区隧道工程溶洞处理施工技术；王吉辉[2]阐明了隧道工程中溶洞施工技术难题；蒋凌云[3]针对岩溶铁路隧道灾害，提出了具体的治理措施；[4]李杰科等对广西喀斯特岩溶区隧道溶洞的处治技术进行了研究；何省等[5]开展了隧道施工大型岩溶整治技术；林振华[6]对比分析了不同隧道岩溶施工处理技术的优缺点。周晋[7]系统分析了山区隧道岩溶处理技术的适用性；高颇[8]揭示了灰岩地段隧道岩溶处理技术的效果；杨凡[9]和王唤龙[10]分别研究了铁路隧道基底岩溶处理技术；朱建伟等[11-14]基于具体工程实际，开展了岩溶隧道综合处理技术研究。

分析表明，现有研究在溶洞隧道病害防控、病害处治和现场穿越等方面取得了较为成熟的研究成果，并可在适宜的工况下取得了较好的工程应用效果，但研究从溶洞加固结构体系、注浆填充技术等方面的研究较少，相关技术理论上的完善。同时，现有工程措施和技术成果中，在外侧溶洞封堵效果提升、洞侧溶洞的整体性增强、溶洞对结构的安全风险消除等方面尚存可进一步提升之处。鉴于此，文章基于龙南西隧道开挖工程实际情况，对富水溶洞隧道施工技术进行了研究。

1 工程技术问题及施工难点

1.1 隧道溶洞的整体性弱

溶洞结构体的存在，破坏了隧道围岩结构的整体性，对于富水溶洞隧道，需同时应对溶洞内部松散填充体填充、溶洞内部水体排除及溶洞区域局部防塌方等工程难题。目前溶洞区域现场施工时，通常采用先打设超前导管，再进行溶洞回填，然后开挖隧道内部土体的施工方案，超前导管通常采用钢管，其注浆、支撑效果有待提升。

1.2 隧道溶洞的封闭效果差

溶洞隧道封堵的效果受溶洞内部填充情况、混凝土灌注施工工艺、混凝土配合比、溶洞内部填充情况等影响显著。相对于普通隧道溶洞注浆技术，溶洞隧道封堵常采用超前导管压浆的方式，其压浆效果受浆液配比、注浆压力、洞腔填充物的空隙情况影响较大，现场封闭效果常存在一定的不确定性。

1.3 富水溶洞区域支护结构整体性提升

富水溶洞的处理效果对隧道工程安全穿越影响较大。富水溶洞隧道工程施工的安全性和可靠性受隧道支护结构影响较大，常规钢拱架+钢筋网片+喷射混凝土的支护技术虽可提升隧道的安全性和稳定性，但简单的加密拱圈难以有效应对溶洞区域的变形及应力的不均匀问题，易导致局部塌方、失稳等病害。

2 施工结构改善设计及特点分析

2.1 改善设计

基于龙南西隧道工程开挖施工的技术难点，结合富水隧道外侧溶洞封堵结构施工的实际情况和研究现状，对现场施工结构进行优化设计，导劲性钢管和环向注浆管连接结构如图1所示，富水隧道外侧溶洞封堵结构参见图2。

图1 导劲性钢管和环向注浆管连接结构断面示意图

图2 富水隧道外侧溶洞封堵结构示意图

（1）在劲性钢管的外周沿环向均匀间隔设置2～4根环向注浆管；根据工程勘测资料，确定劲性钢管和环向注浆管的长度；自隧道开挖掌子面向隧道外侧溶洞内引孔插设劲性钢管及环向注浆管，并使环向注浆管与外部压浆设备连通；通过环向注浆管向外侧溶洞内压灌水泥砂浆或水泥净浆形成溶洞密闭体。

（2）待溶洞密闭体形成强度后，进行隧道内部土体开挖施工；溶洞区段开挖施工万抽，立刻自拱圈开挖面向外侧溶洞引孔并插设锚固螺杆；使锚固螺杆与外部压浆设备连通，压浆形成锚固粘结体；在拱圈开挖面的底部铺设与溶洞连通的隧道外置导水管，并使外置导水管与隧道排水沟连通。

（3）对隧道开挖岩土表面进行处理后，沿外侧溶洞与隧道初衬的接缝面铺设压力分散板，并在压力锚板与岩体接触面设置浆固填充体；压力分散板与洞周土体通过压板锚筋连接牢固，压力分散板铺设完成后，立刻进行隧道衬砌施工施工，并使锚固螺杆锚入隧道初衬内，使压力分散板与相接的钢筋网片、隧道拱圈焊接连接。

2.2 特点分析

（1）富水隧道外侧溶洞封堵结构在隧道外侧溶洞内插设劲性钢管及环向注浆管，通过环向注浆管向外侧溶洞注浆形成溶洞密闭体，实现了隧道外侧溶洞的快速封闭和整体性快速提升。

（2）富水隧道外侧溶洞封堵结构在劲性钢管外周设置了环向注浆管、内部设置了劲性筋板和，可改善外侧溶洞的加筋效果。

（3）富水隧道外侧溶洞封堵结构在外侧溶洞与隧道初衬的接缝面设置了压力分散板，可起到界面集中应力分散和加筋补强的作用，降低了溶洞填充体及外部围堰在溶洞区域的集中应力。

（4）富水隧道外侧溶洞封堵结构在外侧溶洞与隧道排水沟之间铺设了外置导水管，并使外置导水管与溶洞填充体连通，可实现后续溶洞内部水体的高效排除，降低了隧道衬砌结构发生渗水的概率。

3 溶洞区域控制性注浆施工

3.1 溶洞区域控制性注浆施工工艺流程图

隧道外周溶洞区域控制性注浆施工流程参见图3所示。

图3 小导管径向注浆工艺流程图

图4 小导管大样图

隧道外周溶洞区域注浆采用径向双液注浆工艺，双液浆的水泥浆水灰比为1：1.375（质量比）、水泥浆和水玻璃比例为1:1（体积比）；超前注浆小导管（环向注浆导管）采用规格为φ42*4mm的热轧无缝钢管。

3.2 溶洞区域控制性注浆施工过程

（1）小导管制作

超前注浆小导管（环向注浆导管）采用外径φ42mm，壁厚4mm的热轧无缝钢管,长度为6～10m。一端封闭并制成尖状，在导管的前端设置长度为10cm的锥头，管壁四周按间距15cm交错设置直径为φ8mm压浆孔，距离尾部1m长度内不设压浆孔。

（2）小导管安设

①超前注浆小导管（环向注浆导管）的钻孔采用风钻成孔，成孔施工完成后先清除孔内杂物，然后立刻将超前注浆小导管（环向注浆导管）插入孔内，以防止塌孔。

②小导管沿上初期支护垂直插入。

③封堵导管周围及孔口。

④插入小导管之后，管端外露10cm，并与外部注浆管路连通。

（3）注浆浆液配制、搅拌

①双液浆在现场使用搅拌机进行拌和，并严格控制水泥浆的水灰比、水泥浆和水玻璃的比例，并根据工程地层情况和胶凝时间控制注浆时间。

②在注浆浆液制备过程中，应设置专门的滤网，防止外部杂物进入；同时应对拌合用水的性能进行测试，避免采用不合规水体拌合。

（4）注浆

现场注浆施工按照：由上至下、由拱顶至拱脚、由大里程向小里程方向进行注浆。压浆过程中要控制压力，超前注浆小导管（环向注浆导管）注浆压力为1～2MPa，注浆过程中应注意注浆压力的变化，当注浆压力达到3MPa,进浆量小于20L/min时，可终止注浆。

3.3 溶洞区域控制性注浆施工注意事项

（1）现场进浆速度控制在20～30L/min以内，开始时可适当加大进浆速度。

（2）当现场注浆压力突然升高时，应先减小进浆量，然后对注浆管路、机械及注浆材料配比进行复核，必要时可对浆液材料配比进行调整优化。

（3）现场注浆施工前，应对注浆机械、管路及接头、超前注浆小导管（环向注浆导管）的性能进行复核，确保管路畅通、接头密闭。

（4）当单孔注浆过大时，可适当减小水灰比或增加水玻璃用量；亦可采用二次压力注浆的方式提升注浆材料的密实性。

4 结论

受诸多不确定性因素影响，富水隧道外侧溶洞的处理措施一直是工程施工控制的难点。文章针对富水隧道外侧溶洞封堵施工的难点问题，进行了有针对性的技术研究，得到了以下结论：

（1）基于依托工程实际，阐明了现场施工技术难题，提出了一种富水隧道外侧溶洞封闭注浆结构，揭示了研究结构的受力特点，提升了洞周溶洞区域的封闭效果。

（2）结合现状隧道洞周溶洞封闭施工的难点和提出的富水隧道外侧溶洞封闭注浆结构特点，进行技术创新，形成了富水隧道外侧溶洞封闭注浆施工技术，阐明了洞周注浆施工的过程和质量控制要点。