富水溶洞隧道安全穿越技术研究

张羽，李强，王传飞

（中交路桥南方工程有限公司，北京 100000）

0 引言

随着我国基础交通不断完善，越来越多隧道工程开工建设。在隧道的修建过程中，常遇到富水溶洞等特殊的地质情况，由此引起的隧道被淹、洞内塌方、围岩变形过大、支护结构体变形等事故累见不鲜，对隧道工程的工程建设质量和进度产生了诸多不利影响，且给隧道安全施工带来极大威胁。

龙南西隧道出口端位于斜坡地段，斜坡坡向约22°，自然坡度约20°～35°，该段围岩为全风化泥灰岩，围岩自稳性极差，根据暴露的坡面与岩层层面关系，属于斜向坡，其结构层面与节理以诱发楔形体滑坡或崩塌问题，并且该段隧道左侧为冲沟，存在较明显的偏压现象。

隧址区山高林密，相对高差较大，山体连续性好，沟谷切割较深，狭长，泄流条件好，不利地表水存留，在膜道进、出口沟谷中均有小溪流，流量约5～10t/h。左线隧道出口浅埋段前位于沟谷中，沟谷有溪流，地表水对隧道开挖影响较大。

建设区域内碳酸岩岩溶水赋存于中可溶岩泥灰岩极白云岩中，为承压水或微承压水，赋存于基岩的节理裂隙中，为区内最重要的含水层，其上部的第四系覆盖层较薄，地表水下渗补给迅速；同时，建设区域内富存岩溶水、裂隙水和孔隙水，且裂隙水广泛富存于裂隙破碎带内。水位埋深相对较深，水位随地形变化剧烈，易出现塌方问题，大幅度增加了隧道区域穿越施工的难度。

为降低富水溶洞地质对工程建设质量和施工安全的影响，降低富水溶洞地区发生塌方、涌水、围岩大变形等病害发生的概率，郑宗利等[1]、高树全等[2]对富水溶洞隧道的预警体系进行了研究；罗秀松[3]、李代怀[4]对富水溶洞隧道的相关施工策略进行了研究；徐世军[5]、殷怀连[6]深入研究了富水溶洞对隧道开挖的结构稳定性的影响；程巧建[7]、林宪广[8]、冯海暴等[9]、任和祥[10]、李鸣冲[11]开展了富水溶洞地区隧道工程精细化施工技术研究。

分析表明，现有研究成果从富水溶洞隧道施工策略、工程技术等方面进行了系列研究，对提升富水溶洞隧道的施工质量和安全性具有积极作用，但研究大多侧重于工程施工技术理论和施工装置，对改善富水溶洞支护结构稳定性、降低现场施工安全防控难度、减小洞内工程事故发生概率等方面的研究尚存不足，相关系统研究尚滞后于工程实际需要。同时，针对富水溶洞隧道结构特点和病害诱因，在外侧溶洞的整体性增强、隧道结构受力性能改善、隧道开挖施工工艺改善等方面尚存可提升之处。鉴于此，文章以龙南西隧道工程实际为研究对象，对富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越施工技术进行了系统研究研究。

1 工程技术问题及施工难点

1.1 外侧溶洞的整体性弱

在富水溶洞取得进行隧道工程开挖施工时，通常先根据溶洞腔体的体积情况，对溶洞腔体预先进行填充密实，再进行隧道内土体的开挖施工方案，虽可满足临时稳定的要求，但对于存在稳定水源的活溶洞或溶洞周边土体岩体整体性较差的情况，常常会出现结构变形大、洞体塌陷等工程问题。

1.2 隧道结构受力性能不易控制

富水溶洞隧道施工质量受混凝土灌注施工质量、填充密实体强度、截流地下水、围岩结构破碎情况等诸多因素影响，溶洞区段隧道开挖土体的受力性能常难准确量化。相对于普通溶洞隧道施工工程，富水溶洞隧道具有稳定性较差，大幅增加了溶洞区段穿越施工的安全隐患和施工质量。

1.3 溶洞隧道的施工效率低

富水溶洞隧道施工过程中围岩结构整体性差，现场施工时常需先采取系列工程措施，增强围岩结构的整体性，再进行开挖施工，遇到溶洞填充施工质量不可靠的情况时，还需采取进一步的工程处理措施，大幅增加了工程造价，延长了施工工期。

2 富水溶洞段补强结构设计及其特点

2.1 富水溶洞段补强结构设计

基于龙南西隧道富水溶洞区域工程施工的难题，结合富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越施工的技术特点，提出了富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构。图1 为富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构横断面。

图1 富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构横断面

（1）在隧道开挖施工时，对存在外侧溶洞区段，先自隧道已开挖的掌子面面向未开挖隧道土体内沿平行于隧道方向进行注浆，在靠近隧道内溶洞侧形成上下贯通的水泥土固化撑墙；同步自开挖面向洞周土体引孔插设劲性导管，通过外部压浆设备向劲性导管内压浆，注浆为1MPa～1.5MPa，在劲性导管内部及外周形成劲芯填充体和溶洞浆固体，从而实现了对溶洞内部松散填充体补强和预支挡稳定的目的。

（2）待注浆形成的纵向的开挖撑墙形成强度后，先对开挖撑墙远离溶洞侧第一开挖区部位的土体，并在开挖撑墙的墙角处设置存水箱体；然后，采用钻孔设备自开挖撑墙向溶洞土体方向引孔并分别插设溶洞排水管和组合锚杆，使溶洞排水管与存水箱体连通。富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构纵断面如图2 所示。

图2 富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构纵断面

（3）根据开挖稳定性控制要求，对开挖撑墙与溶洞土体之间的隧道土体进行分区，即划分为第三开挖区和第二开挖区，先进行第三开挖区土体开挖，第二开挖区土体作为反压土体，待初衬施工完成后再开挖。

2.2 特点

（1）富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构向外侧溶洞内引孔插设了劲性导管，并通过注浆形成了劲芯填充体和溶洞浆固体，可在对溶洞加筋的同时，增强了溶洞内部填充物的整体稳定性。

（2）富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构在隧道内部预先通过注浆形成了开挖撑墙，可根据稳定性控制的要求，依次进行第一、第三、第二分区土体的开挖，实现了开挖过程中隧道稳定性的分区控制，减小了隧道临空面。

（3）富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构可通过溶洞排水管及存水箱体快速排除并存储溶洞内部的水体，避免了隧道内部突水问题的发生。

3 富水溶洞段补强结构施工技术

3.1 技术要点

根据富水溶洞段稳定性控制的要求，在富水溶洞区段预设开挖撑墙，先进行背离溶洞区域的隧道开挖，再开挖靠近富水溶洞区域的土体，支护施工顺序为先进行初喷混凝土找平，再打设中空注浆锚杆或砂浆锚杆进行围岩支护，然后进行挂网、架立钢支撑和锁脚锚杆（管）施工，最后根据设计厚度要求进行混凝土喷射。

（1）初喷混凝土施工。初喷混凝土主要用于开挖岩面找平、并封闭易风化岩土体的岩面，喷射厚度为4～5cm。

（2）注浆锚杆施工。注浆锚杆的长度为4m（小净距为5m，Ⅴ级围岩加宽段为4.5m），施工中按设计要求定出位置，孔位准确；将中空锚杆插入锚杆孔后，先使锚杆头与注浆机出浆管进行连接，再进行中空锚杆压浆施工，压浆施工完成后，安装锚杆专用垫板并拧紧螺帽。

（3）钢筋网片安装施工。钢筋网采用专门的钢筋网片焊接排机进行钢筋网片的分片预制，运至现场后由人工进行现场铺设，钢筋网片搭接长度不小于20cm，相接的钢筋网片之间采用焊接连接。钢筋网片排焊机如图3 所示，钢筋网片安装如图4 所示。

图3 钢筋网片排焊机

图4 钢筋网片安装

（4）钢拱架施工。龙南西隧道初期支护钢拱架安装采用人工现场拼装，工字钢架在洞外按隧道拱圈形状进行预制加工。工字钢架安装之前应先确保初喷混凝土形成强度，在工字钢架安装施工时，在隧道拱圈内部预设的定位系筋焊接连接；纵向相邻的拱架之间通过环形间距为1m、直径为22mm 的纵向连接筋进行连接。

（5）喷射混凝土施工。钢拱架间的混凝土喷射包括初喷和复喷，初喷厚度为3～4cm，主要用于封闭围岩和初步找平，并应实现围岩的尽早快速封闭。完成立拱架、挂网、锚杆工序的作业后采用湿喷工艺进行混凝土复喷施工。喷锚施工顺序如图5 所示。

图5 喷锚施工顺序

3.2 施工质量控制措施

（1）施工工艺方面。根据隧道地质勘测资料，排查确定工程施工安全、质量隐患点，通过现场技术交流会、专家会等方式，对现场施工技术措施、人员调配、施工机械组织、病害防控措施等进行分析论证，研究确定合理的施工组织方案，并对现场作业人员进行技术交底，将施工技术落实到每一个工程参建人员。

（2）工程材料方面。富水溶洞施工过程中的材料可概况为：工程结构材料和工程应急材料，工程结构材料应满足结构承载和性能要求，需根据设计和规范要求，对工程材料的性能、用量、参数进行确定；工程应急材料主要用于应对工程突发事故，在工程施工过程中由专人管理，做到随用随到。

（3）施工人员方面。现场施工作业人员应具有相应工种的实践技能，在上岗之前应进行技术交底和安全交底，确保做到考核合格、持证上岗，并且在作业开始、结束时应做好工作日志。同时，在现场作业施工时，各工序的操作者均应挂牌作业。

（4）管理制度方面。整个施工过程中，应做到施工过程的程序化、标准化、规范化，并应建立完备的质量管理、安全管理、环境管理制度文件，确保整个施工过程中监督到位、检查到位、管理到位。

4 结语

在山岭区进行隧道工程施工，时常会遇到溶洞、断层等特殊地质条件，严重影响工程进度、安全和建设质量。对此，文章基于依托工程实际情况，结合富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越施工的难点问题，进行了有针对性的技术研究，得到了以下结论。

（1）基于富水溶洞隧道结构的工程技术难点，提出了一种富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构，阐明了富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构在预防性支挡、隧道高效开挖等方面的优越性。

（2）结合研发的富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越结构，以及富水溶洞隧道施工技术情况，提出了一套较为完善的富水溶洞隧道组合预支挡安全穿越施工技术，阐明了改善施工技术的要点和质量控制措施。