蒙华铁路分宜地区岩溶隧道处治施工技术

詹经宇

（中铁二十四局集团南昌铁路工程有限公司，江西南昌 330009）

0 引言

溶洞为岩溶洞穴，洞的存在会使得围岩应力不均匀分布，并且这种不均匀分布通常无规律可循，这会使得隧道支护节构发生开裂，稳定性较差[1]，甚至引起隧道塌方[2]，造成工程投资的增加甚至还会危及施工安全人员的人生安全。并且一旦发生塌方，同常会伴随着突泥突水，大量的泥沙夹水涌入隧道，不仅会淹没隧道，冲毁施工台车，造成施工中断，甚至会使隧道周边位移的扩大，导致地表开裂下沉，引发山体滑坡，使得整个工程建设毁于一旦。

岩溶处治方案的制定以安全、质量为主题，以“强本简末、服务运营”为目的。结合蒙华铁路实际工程，研究不同类型的隧道岩溶处理措施尤为重要，为类似工程提供经验。

1 工程概况

蒙华铁路MHTJ-32 标一工区位于江西新余市分宜县，地质以灰岩为主，主要可溶岩为三叠系中下统、二叠系下统、石炭系、灰黄、灰黑色灰岩、角砾状灰岩、结晶灰岩、白云质灰岩，经历多次构造运动，在褶皱核部和断层附近岩体破碎，受地下水运动长期侵蚀，形成溶沟、溶槽、溶洞等。

本工区隧道8 座，全长6.3km，单线隧道[3]，隧道区段属于侵蚀溶蚀地形。

隧道建设共遇到39 处溶洞，溶洞分布在拱顶、拱顶、边墙和隧洞底部，溶洞类型有洞穴型、管状型、大型干型和大型富水充填型。

2 岩溶处理一般原则

2.1 洞穴型溶腔

改进围岩衬砌型式、调整开挖工艺、强化超前支护、缩短掘进进尺、适时施作初期支护并封闭成环，对未充填或半充填的溶洞，初支后方常用混凝土回填[4]，充填溶洞则用灌浆回填手段，隐蔽型溶腔采用局部径向注浆固结，溶腔若有小量水流出，在前期支护背后设置排水管，引流至隧道侧沟[5]。

2.2 管道型溶腔

（1）隧道拱部、拱腰岩溶管道。在洞内未见大涌水的情况下，在洞内、拱腰部发育的非充填型岩溶管线，在经过岩溶勘察，确定没有大涌水的情况下，可考虑采取改进围岩衬砌型式、调整开挖工艺、强化超前支护、缩短掘进进尺、适时进行初期支护并闭合成环、初支后方配置混凝土结构保护层（护拱）、吹砂回填、结构排水等措施。

（2）基底岩溶管道。隧道内的岩溶管线，可以考虑采取改进的围岩衬砌形式，即用一定直径的波纹管将原排水管与隧道内的管线连通起来，再在管线周围进行分层夯实，最后进行混凝土回填。

2.3 大型干溶洞

对于处于拱或墙部位的大型干溶洞，可采取改进的围岩衬里型式，局部衬砌为明洞，调整开挖工艺，强化超前支护，缩短掘进进尺，适时施作初期支护，并闭合成环，初支后设置混凝土结构保护层（护拱）、吹砂回填、结构排水等措施。

在隧道底部设置大面积的干洞室时，可通过“托梁+钢筋混凝土面板”的方式进行加固。

2.4 大型富水充填型溶腔

在大型富水充填型溶腔[6]位于拱、墙的情况下，通过超前钻探及地质雷达探明存在大型富水充填型溶腔时，应停止掌字面开挖并封闭，采用超前注浆加固溶腔及保证开挖线以外不小于5m。并采取超前管棚支护，运用台阶法开挖，修正衬砌类型，加强二次衬砌结构。

大型富水型溶洞位于隧底时，通过百米钻机、高频地质雷达、瞬变电磁仪，CT 孔内扫描等探明溶洞大小、分布情况，根据岩溶情况采取设置临时栈桥、隧道注浆加固、拱部衬砌加强等措施，确保行车安全。

3 工程实例

3.1 洞穴型溶腔案例

（1）无充填或半充填型洞穴。程家坊二隧道洞身开挖至DK1761+310 时，在掌子面前方发现了一段由粉质黏土、细粒角砾土组成的半充式溶洞，其内部不含任何水分，从隧洞的右端一直延伸到拱脚附近，形成一个大空洞。洞穴的尺寸为7m，纵向为5m，深9m，形状为一个倒漏斗状。

在建设实施过程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物质，用10cm 厚的喷混凝土对空腔墙体进行补强。②将洞穴区Ⅱb 复合衬砌改为Ⅴc 形组合衬砌，在拱部增加5m、φ42mm 超前小导管，采用全环H180 格栅钢结构，间距60cm。③弓体内设置有泵送的混凝土泵送管和一根φ50mm 的排水管，在初期支护稳定后，在后侧浇筑C20 混凝土，回填混凝土达到一定的强度后，再用1m 厚的水泥浆保护层。

（2）充填型洞穴。程家坊一期工程至DK1760+612，在隧道拱顶、侧壁发现一充填式溶洞，该溶洞内充填的是一种含碎石的粉质黏土，未见有渗水现象。根据勘察，该洞穴的尺寸为8m，长度为8m，长度为1m，深为3m。

在建设过程中，主要采取如下措施：①清理溶腔中的疏松物质，用10cm 厚的喷混凝土对空腔墙体进行补强。②将洞穴区Ⅱa 和Ⅳa 组合衬砌改为Ⅴc 组合，采用H180 网格结构，间距50cm，拱部增加φ42mm 超前小导管，再加一根直径4m 的径向锚杆，按1.5m×1.5m 的梅花形布置，并在此基础上设计一种新型的混凝土结构。③预埋灌浆管，在初期支护稳定后，再回填灌浆，以保证初支后方不出现空洞。

（3）隐藏充填型洞穴。北山二号隧道出口洞身岩溶探测时发现DK1764+220—DK1764+211 初期支护背后存在一处长度约10m、直径约1.5m 的半充填型溶洞，溶洞斜向上大里程发展，角度约20°，充填物为粉质黏土，少量渗水。施工中采取了以下措施。

该段初支背后采用5m 围岩径向注浆，二衬增设Ⅴa 型衬砌配筋。

3.2 管道型溶腔实例

北山一号进水口DK1761+940 时，出现一条长达2m 左右的不规则溶洞，该溶洞呈垂直上升状，并呈斜向延伸，一直延伸到仰拱底部，溶洞呈半充填状，以黏土中夹杂碎石为主，砾石尺寸0.6m×0.3m×0.3m，并有少量渗漏，一下雨就会增加。经勘察，岩溶空洞位于拱顶10m 左右，隧道底部2m 左右；与此同时，在开挖面的前方，形成了一条管状的小型溶槽。

施工中采取了以下措施。

（1）清除溶腔内松散体，对腔壁进行喷射混凝土加固，喷射混凝土厚度10cm。

（2）溶洞范围衬砌类型变更为Ⅴc 复合式衬砌，Ⅳ级围岩变更为Ⅴ级围岩，Ⅳa 变更为Ⅴc 复合式衬砌。

（3）溶洞段拱部超前支护变更为φ89mm 洞身长管棚[7]。

（4）在洞室围岩初撑的基础上，采用1～2m 厚C25混凝土护拱，并在其上安装一根直径为4m、直径1.5m、呈梅花状的放射状锚杆。埋设φ50mm 的注浆管和排水管，在混凝土强度达到一定程度后，将其浇筑1m 厚的水泥浆保护层。

（5）在保持原有的岩溶管线排水体系的基础上，在护拱后布置2 个φ400mm 的穿孔波纹管，该波纹管与岩溶管线的进水口和出水口相连，孔口管要保证灌浆后的进水口不会被堵住；隧道底部的波纹管由土工织物包覆，周围回填砂、碎石，高1m，其余部分回填C20混凝土。

3.3 大型干溶腔实例

北山二号隧道洞身开挖至DK1762+818 时，在其上部的一处较大的溶洞中，发现了一处较大的溶洞。现场勘察发现，岩溶洞穴地表岩溶裂缝发育，石钟乳覆盖，地表裂缝水发育，成线性分布，并有流水流出，洞穴底部为溪流，流量为50m3/h 左右。洞穴高度为25m 左右，与地面的最小垂直间距在30m 左右。该洞穴全长60m，宽15m，两头均为管状，洞口处有一洞穴水池，其深度未知，遇强降雨时，大量水流汇入该洞穴，但未见水位上升。洞口一侧，呈管状，弯曲，深度未知。该隧道穿越岩溶洞穴，位于DK1762+816—DK1762+822。

在建设实施过程中，主要采取如下措施。

（1）清理溶腔内部疏松体，采用10cm 厚的喷混凝土对空腔墙体进行补强。

（2）由DK1762+816—DK1762+836 的20m 大管棚改成了φ89mm 大管棚；DK1762+816—DK1762+819 的初期支护框架由原H130 网格型钢改为1m 间隔的H150 网格型钢；DK1762+819—DK1762+829 加宽30cm，采用初期支护方式改为初期支护，采用10cm×10cm 网格间距的双层φ8mm 钢筋网片，框架由H130格栅钢架改为H180 格栅钢架，间距50cm。

（3）根据实测资料，DK1762+813.5—DK1762+815.5，DK1762+824—DK1762+826 段为基岩，DK1762+813.5—DK1762+826 段以托梁穿越底部充注式溶腔，保持过水通路，托梁基础位置在基岩面上，长度不少于2m，托梁范围内衬砌形式从仰拱改为底板，衬砌结构相应加强。

（4）在初支后面，设置2m 厚的C25 混凝土护拱和侧壁，在拱部增加1m 厚的车胎垫。

（5）在DK1762+816—DK1762+820，在原有的岩溶管线中，在初支后布置一套φ400mm 的穿孔波纹管，该波纹管与岩溶管线的进水口和出水口相连，孔口管要保证灌浆后的进水口不会被堵住。

3.4 大型富水型溶腔实例

3.4.1 溶腔位于拱、墙

彭家岭二号隧道进口开挖至DK1774+470 时，对掌子面进行了地质雷达及超前水平钻探，预测预报成果显示，DK1774+440—DK1774+470 段发育充填型溶洞，填充砂砾土，渗水较好，局部为溶洞空腔，岩溶水丰富施工中采取了以下措施。

（1）DK1774+440—DK1774+470 段30m 洞身采用5m 超前周边注浆（双液浆）加固，注浆由外向内，同一圈孔间隔施工，由下到上、由左到右。

（2）超前5m 周边注浆结束后在DK1774+438—DK1774+453 超前支护采用φ89mm 洞身管棚。

（3）DK1774+438—DK1774+470 断面为Ⅴc 组合衬砌，采用阶梯法，初撑为Ⅰ18 型钢框架，各一级阶梯钢的连接部位加设一套5m 长的锁脚锚管。

（4）溶腔出水口处埋设φ200mm PVC 排水管（初期支护与隧道围岩间），将水引排至隧道侧沟内。

3.4.2 富水溶腔位于隧底

北山二号隧道DK1764+460—DK1764+531 段隧底溶蚀裂隙、岩溶管道发育，连通性较好，日涌水水量最大约5 万m3。

施工中采取了以下措施。

（1）隧底加固。DK1764+460—DK1764+531 段基底采用φ89 钢管桩进行注浆加固，注浆孔间距1.5m×1.5m，加固深度为基底以下5m，正方形布置。遇岩溶裂隙及串珠溶洞时可适当加密、加深钻孔，孔深须钻至溶洞底板以下1m 以上，注浆浆液采用单液浆或双液浆。

（2）二次衬砌结构加强措施如下。DK1764+460—DK1764+504.5、DK1764+529.5—DK1764+531 段未施工段的二次衬砌由Ⅲa 型衬砌调整为Ⅴc 型（DK1764+460—DK1764+504.5 段环向钢筋采用φ22mm@150mm，DK1764 +529.5—DK1764 +531 段环向钢筋采用φ25mm@200mm，纵向钢筋均采用φ16mm@250mm），衬砌厚度调整为35cm。采用C35 钢筋混凝土，局部受已开挖轮廓面限制，衬砌厚度可维持原计；DK1764+460—DK1764+531 段采用满铺排水板、每板衬砌增设1 处泄水孔以增强结构排水能力[8]。

（3）隧底注浆加固段侧沟每5m 打设泄水降压孔，泄水降压孔深度保证嵌入完整基岩1m，泄水降压孔内设PVC 管，PVC 管底部外裹无纺布。

（4）在隧道线路方向右侧增设泄水洞。

4 方案效果验证

2016 年3 月、6 月初江西新余分宜地区，连日暴雨，经过排查，隧道溶洞位置未发现初支开裂且未见渗漏，监控量测数据均在正常范围内。

2018 年5 月隧底注浆完成后，利用钻孔取芯、高频地质雷达、注水试验验证（验证渗透系数）等3 种方法相互检验，并经过专家论证，一致认定注浆效果良好，达到加固隧底效果[9]。

5 结语

以蒙华线湘赣段为研究对象，提出了一种基于阶梯法的隧道洞室开挖方案，并对各类洞室分别采取了混凝土或灌浆、超前灌浆、超前管棚、排水管网和加固衬砌等措施。实践证明，该方法是一种行之有效的方法，能较好地解决工程中遇到的困难，为以后的工程建设积累了宝贵的经验。①在岩溶发育区域开展隧道建设，必须开展精细的地质超前预测，精确预测隧道前方的岩溶，事先制定穿越岩溶洞穴的应急方案，对隧道溶洞进行加固，避免突泥、突水。②在施工期间，应加强对溶洞部位的监测和测量，一旦发现异常，及时在初期支护后方进行注浆加固，使岩溶得到稳固。