论文部分内容阅读
摘要：本文主要介绍了贵广铁路斗篷山隧道出口在D3K104+735揭示一充填性溶洞，充填物较松软，遇水呈流塑状，自稳能力相当差，处理十分困难。在该溶洞地段施工时，根据设计文件、有关资料及现场实际，查明溶洞分布范围、类型情况（有无充填物）、岩层的稳定程度和地下水流情况（水量稳定）等，采取有效措施进行处理，可为类似工程提供参考经验。
关键词：高速铁路，隧道施工，岩溶地质，地质预报
前言：岩溶发育地段溶洞、暗河等形成原因十分复杂，基本无规律可循，采用有效的超前地质预报手段(TSP、地质雷达、红外探水、超前水平钻孔等)及必要的地质调查、分析，可基本弄清岩溶形成的机理及形态，确定安全可靠的处理措施，有效的指导现场施工。
1.工程概况
1.1地质情况
新建贵广铁路斗篷山隧道位于贵州省黔南州都匀市西郊，全长7369m，起讫里程为:D3K98+841～D3K106+210，属长大隧道，风险等级为I级。隧道出口D3K104+450～DK105+700段的岩石主要以石英砂岩为主，整个岩体较完整，发育断层或岩溶的可能性较小，裂隙水较大，约为2800m3/d。
2.溶洞预报揭示过程及处理方法
2.1溶洞形成机理
隧道掌子面开挖至D3K104+735时，据观察发现围岩情况变差，采用地质雷达探测结论为掌子面前方探测范围D3K104+735～D3K104+711段裂隙发育，岩体破碎，其中D3K104+735～D3K104+723段岩体溶蚀破碎，可能发育岩溶，该段无规模含水体，也未发现有岩溶空腔。
在机械找顶时，右侧拱部浅灰色泥质白云岩呈松散状不断地崩塌，随着时间推移，坍塌逐渐恶化，在4小时内就向前塌落4～5m，高约3.5m。运碴回填至拱部时，量测坍腔底截面为12.0×10.1m不规则矩形，高12.2m，腔顶呈自然拱形，对于已经停止发育、净跨小、无水且有填充物的溶洞，施工单位根据其与隧道相交的位置情况，采用回填封闭的方式处理。施工时首先将坍塌处用砂袋堆码，形成围堰，再在其围堰内浇筑混凝土封堵，阻止溶洞内的填充物无节制的垮塌，将影响整个围岩的稳定性。
图1 溶洞填充物涌出前 图2 填充物涌出溶腔
据现场观察坍塌腔围岩为青灰色泥质白云岩，薄-中厚层状，产状N20°W/22°S，层理发育表面潮湿，两壁底部有渗水。围岩层（面）理发育，局部垂直节理发育，稳定性较好。
坍塌物岩性为浅灰色碎粒状泥质白云岩，潮湿松散状，具层纹状局部含灰质碎片。坍塌物于泥质灰岩有明显界面，面壁不规则。据此特征，判定坍塌腔为充填溶腔，因目前已控制了坍塌的发展，因此建议从拱部进探测充填溶腔规模，在据情进行管棚注浆通过。同时应进一步调查和探测前方可能有断层存在。
2.2溶腔的填堵及地质调查
由于该段原设计为石英砂岩，为不可溶岩，且此处埋深约380m，未与地表连通，通常不易发育形成溶洞，有其地质的特殊性。在原设计超前地质预报探测手段为TSP和地质雷达的基础上，根据现场实际情况，施工单位对掌子面前方围岩采用其它物探手段，首先采用地质雷达红外探水对掌
图3 溶洞涌出物样品 图4 超前水平地质钻孔
子面前方探测，其次采用了超前钻孔(图4)，在掌子面分别施钻3个孔，直径φ108mm，深度30m以上，布置位置及钻进岩层变化（图5）。超前水平钻探测结论和地质分析可以判断：掌子面（D3K104+735）前方发育一充填性溶洞。其中掌子面前方0～30m范围内以薄至中厚层泥质灰岩为主，夹砂质页岩和砂岩，岩体破碎。D3K104+730～D3K104+704局部为岩溶充填物。
图5 超前钻孔布置及岩层情况展布图
3.溶洞处理方法
根据超前地质预报的结论和现场围岩揭示情况，在溶洞相对稳定的情况下，采用大管棚周边注浆，D3K104+735～D3K104+705按Ⅴ级Ⅱ型复合衬砌类型支护，加强支护为拱墙I20b型钢钢架，全环封闭，纵向间距0.6m/榀。施工时下台阶紧跟上台阶，及时封闭成环，尽快施工仰拱及二次衬砌，以策安全。加强监控量测，及时收集、整理、分析相关数据，以优化施工方案。
3.1掌子面封闭，注浆
掌子面前方局部存在大量松散体，围岩稳定性极差，必须对松散体进行固结。首先对掌子面采用C25喷射混凝土进行封闭，采用湿喷工艺，厚度20cm。
3.2大管棚加固
由于溶洞坍腔过大，在保證施工能顺利、安全通过溶洞地段，必须在拱部120°范围内布设φ108mm大管棚周边注浆加固，根据现场实际情况采用无工作室施工工艺。在掌子面退后5m安装两榀I18工字钢作为定位钢架。在钢架上焊φ145mm定位管，长度1.0m。大管棚采用热轧无缝钢花管，壁厚6mm，每根长度20m，大管棚环向间距40cm，共38根，倾角为3°，注浆材料为水泥浆，质量比为1:1（水泥:水），注浆顺序由下至上。注浆压力严格控制在1.0MPa左右。为了提高导管的抗弯能力，在管内设置钢筋笼，由4根Φ22带肋钢筋和固定环组成。由于溶洞内具有大量的松散体存在，施钻管棚无法成孔，因此在大管棚施钻时必须采用跟管钻进。在钻进过程中，管棚存在过大扭矩，大管棚接头采用丝扣连接并在接头处对称焊接2块钢板（钢板厚5mm），提高接头刚度。
3.3开挖、初期支护
初期支护必须严格按照V级围岩初期支护施工工艺流程进行：开挖初喷混凝土锚杆施作钢筋网挂设 型钢钢架安装 复喷混凝土。
开挖工法采用三台阶预留核心土法，每循环开挖进尺严格控制在1榀钢架间距内，挖机找顶后，在基岩面首先初喷C25混凝土4cm厚，喷射混凝土均采用湿喷工艺。系统锚杆直径Φ22中空注浆锚杆，间距为1.0×1.0m（环×纵），呈梅花型布置，单根长度4.0m。注浆材料为水泥浆，比例为1:1（水泥:水），注浆压力控制在0.2～0.5MPa。拱墙处钢筋网采用φ8mm单层钢筋网，利用系统锚杆固定，网格间距为20×20cm，搭接长度均不得小于2个网格并紧贴初喷混凝土面。加强支护采用I20b工字钢，纵向间距60cm/榀，钢架接头必须用螺栓连接并且每个接头不得少于4套螺栓。钢架纵向连接钢筋为Φ22带肋钢筋与钢架焊接，环向间距为1.0m，交错进行。在拱架拱脚处布设φ42锁脚锚管，长度4～6m，注浆饱满。每榀钢架打设6根锁脚锚管，右侧4根，上述工序施作结束后，必须经质检人员和现场监理工程师检查合格后，方能进行复喷C25混凝土至设计厚度28cm。
3.4小导管加固
在开挖、支护完成5m时，根据监控量测结果，发现DK105+735～+730段初期支护变形量不断地加大，最大变形已超过拱架预留沉降量15cm，甚至侵入二衬断面达31cm。立即停止处理，及时在拱架拱脚处回填混凝土，并施工临时封堵墙。造成初期支护变形量不断加大的原因主要是拱顶围岩软弱，无自稳能力，无法承受自身的重量，更无法承受坍塌物的冲击力；其次是溶洞内充填物遇水呈流塑状，增加了溶洞内的压力。根据上述原因必须采取注浆方式改良软弱围岩的岩性。
在大管棚间隙中间断性地有流体状物质涌出。主要原因是溶洞充填物之间的间隙过小，水泥浆无法大面积渗透，更无法固结充填物，须增加小导管补注浆，同时在初期支护轮廓线外形成一个保护外壳。DK105+735～+720掌子面每循环开挖前增加超前支护，在拱部150°（隧道左侧60°，隧道右侧90°）范围内布设φ42小导管，环向间距40cm，每根长4.5m，每环共48根，呈梅花型布置。小导管倾角45°，纵向间距1.5m。小导管采用热轧无缝钢花管，外径φ42mm，
壁厚3.5mm。注浆材料为双液浆，比例为1:1:0.05（水泥:水:水玻璃），注浆终压保持为1.0MPa以上。注浆结束24h后，采用钎探方法检测，（用凿岩机在注浆部位径向钻孔，深度2m以上，如遇空洞，表明注浆不饱满，需继续补注浆；如密实，则表明达到了注浆效果,已固结松散体的目的，已在拱部形成护拱）。
在开挖中台阶时，处于下台阶位置的溶洞部份采用C25混凝土回填密实。
4.初期支护换拱
4.1换拱准备
4.1.1洞内清危及观测
换拱施工前，先对原有支护进行观测和观察，对有掉块的混凝土先行清危处理。待确保支护相对稳定、喷射混凝土无掉块后，人员设备方可进行此段的换拱处理。在此段岩体周边表面沿加密观测点，以便在施工过程中观察和观测围岩的变化情况。
4.1.3侵限段换拱施工
拱顶换拱前先布设好拱顶沉降及收敛监测点，严密监控洞内的变形情况，换拱过程中观察洞内初支，如有变化立即停止施工。
拱部换拱施工步骤：
⑴注浆加固围岩、加强初支与围岩的连接，在换拱部位打设初支背后φ42mm注浆导管，导管长4m，壁厚3.5mm，间距0.5～1.0m，梅花型布置，注水泥浆，注浆压力0.2～1.0Mpa。在不用置换初期支护的部位将小导管与初期支护中的工字钢架焊接起来；其他需置换工字钢的部位待置换后将工字钢与小导管焊接起来。
⑵根据断面测量结果凿除侵限喷射混凝土，采用人工手持风镐每榀分段凿除，每榀分段长度控制在1.0m以内，凿除方向从拱部向下顺序进行。
喷射混凝土凿除时钢架切割处需多凿除50～60cm。换拱前预先在每榀钢架切割位置下方50cm处，每处左右两侧各打设2根锁脚锚管，锁脚锚管采用φ42，长度为3.5m，同时采用I20工字钢对拱部设临时支撑，以保证施工过程的安全。
⑶在钢架上确定侵限范围，量好切割拱架内弦长（即两点直线长度），沿半径方向切割钢架。
⑷先按Ⅴ级Ⅱ型加强复合衬砌钢架设计要求制作好I20钢拱架，计算好下料长度，沿半径方向裁制已做好的钢架，备好焊接用连接钢板。
⑸把焊好的钢架运至作业平台上拼装钢架，就位调整后定位。
⑹换上的钢架与原钢架进行对接焊好后再分别在工字钢腹板和翼板上贴板加强焊接，焊缝高度8mm，接头采用螺栓连接。
⑺在钢架与围岩的空隙处加设混凝土垫块，楔紧钢架。
⑻按设计要求焊纵向连接筋。
⑼喷射混凝土。
4.1.2上台阶钢架落底
由于采用三台阶预留核心土法开挖进行施工，目前钢架变形段落仅处于上台阶施工完成阶段，须及时对边墙钢架落底，形成整体受力支撑。
5.二次衬砌施工
溶洞段的衬砌采用C35钢筋混凝土。拱墙和仰拱采用双层钢筋施作，环向筋为Φ25带肋钢筋，間距为40cm。纵向为Φ14带肋钢筋，间距为25cm。严格控制钢筋的间距距，钢筋的加工及安装必须满足设计及规范要求。
6.结束语
通过以上处理措施的实施,安全通过了此处溶洞，经长时间不间断量测表明，该段围岩变形已稳定。在以后施工中遇到溶洞的处理，必须加强地质超前预探、预报工作，对隧道前方岩溶进行准确预测，并提前做好穿越岩溶溶洞的应急预案，防止突泥和突水的发生。根据超前地质预报和现场揭示围岩的具体情况，采用直接有效的措施，最重要的是保证施工和运营的安全，方案经济适用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：高速铁路，隧道施工，岩溶地质，地质预报
前言：岩溶发育地段溶洞、暗河等形成原因十分复杂，基本无规律可循，采用有效的超前地质预报手段(TSP、地质雷达、红外探水、超前水平钻孔等)及必要的地质调查、分析，可基本弄清岩溶形成的机理及形态，确定安全可靠的处理措施，有效的指导现场施工。
1.工程概况
1.1地质情况
新建贵广铁路斗篷山隧道位于贵州省黔南州都匀市西郊，全长7369m，起讫里程为:D3K98+841～D3K106+210，属长大隧道，风险等级为I级。隧道出口D3K104+450～DK105+700段的岩石主要以石英砂岩为主，整个岩体较完整，发育断层或岩溶的可能性较小，裂隙水较大，约为2800m3/d。
2.溶洞预报揭示过程及处理方法
2.1溶洞形成机理
隧道掌子面开挖至D3K104+735时，据观察发现围岩情况变差，采用地质雷达探测结论为掌子面前方探测范围D3K104+735～D3K104+711段裂隙发育，岩体破碎，其中D3K104+735～D3K104+723段岩体溶蚀破碎，可能发育岩溶，该段无规模含水体，也未发现有岩溶空腔。
在机械找顶时，右侧拱部浅灰色泥质白云岩呈松散状不断地崩塌，随着时间推移，坍塌逐渐恶化，在4小时内就向前塌落4～5m，高约3.5m。运碴回填至拱部时，量测坍腔底截面为12.0×10.1m不规则矩形，高12.2m，腔顶呈自然拱形，对于已经停止发育、净跨小、无水且有填充物的溶洞，施工单位根据其与隧道相交的位置情况，采用回填封闭的方式处理。施工时首先将坍塌处用砂袋堆码，形成围堰，再在其围堰内浇筑混凝土封堵，阻止溶洞内的填充物无节制的垮塌，将影响整个围岩的稳定性。
图1 溶洞填充物涌出前 图2 填充物涌出溶腔
据现场观察坍塌腔围岩为青灰色泥质白云岩，薄-中厚层状，产状N20°W/22°S，层理发育表面潮湿，两壁底部有渗水。围岩层（面）理发育，局部垂直节理发育，稳定性较好。
坍塌物岩性为浅灰色碎粒状泥质白云岩，潮湿松散状，具层纹状局部含灰质碎片。坍塌物于泥质灰岩有明显界面，面壁不规则。据此特征，判定坍塌腔为充填溶腔，因目前已控制了坍塌的发展，因此建议从拱部进探测充填溶腔规模，在据情进行管棚注浆通过。同时应进一步调查和探测前方可能有断层存在。
2.2溶腔的填堵及地质调查
由于该段原设计为石英砂岩，为不可溶岩，且此处埋深约380m，未与地表连通，通常不易发育形成溶洞，有其地质的特殊性。在原设计超前地质预报探测手段为TSP和地质雷达的基础上，根据现场实际情况，施工单位对掌子面前方围岩采用其它物探手段，首先采用地质雷达红外探水对掌
图3 溶洞涌出物样品 图4 超前水平地质钻孔
子面前方探测，其次采用了超前钻孔(图4)，在掌子面分别施钻3个孔，直径φ108mm，深度30m以上，布置位置及钻进岩层变化（图5）。超前水平钻探测结论和地质分析可以判断：掌子面（D3K104+735）前方发育一充填性溶洞。其中掌子面前方0～30m范围内以薄至中厚层泥质灰岩为主，夹砂质页岩和砂岩，岩体破碎。D3K104+730～D3K104+704局部为岩溶充填物。
图5 超前钻孔布置及岩层情况展布图
3.溶洞处理方法
根据超前地质预报的结论和现场围岩揭示情况，在溶洞相对稳定的情况下，采用大管棚周边注浆，D3K104+735～D3K104+705按Ⅴ级Ⅱ型复合衬砌类型支护，加强支护为拱墙I20b型钢钢架，全环封闭，纵向间距0.6m/榀。施工时下台阶紧跟上台阶，及时封闭成环，尽快施工仰拱及二次衬砌，以策安全。加强监控量测，及时收集、整理、分析相关数据，以优化施工方案。
3.1掌子面封闭，注浆
掌子面前方局部存在大量松散体，围岩稳定性极差，必须对松散体进行固结。首先对掌子面采用C25喷射混凝土进行封闭，采用湿喷工艺，厚度20cm。
3.2大管棚加固
由于溶洞坍腔过大，在保證施工能顺利、安全通过溶洞地段，必须在拱部120°范围内布设φ108mm大管棚周边注浆加固，根据现场实际情况采用无工作室施工工艺。在掌子面退后5m安装两榀I18工字钢作为定位钢架。在钢架上焊φ145mm定位管，长度1.0m。大管棚采用热轧无缝钢花管，壁厚6mm，每根长度20m，大管棚环向间距40cm，共38根，倾角为3°，注浆材料为水泥浆，质量比为1:1（水泥:水），注浆顺序由下至上。注浆压力严格控制在1.0MPa左右。为了提高导管的抗弯能力，在管内设置钢筋笼，由4根Φ22带肋钢筋和固定环组成。由于溶洞内具有大量的松散体存在，施钻管棚无法成孔，因此在大管棚施钻时必须采用跟管钻进。在钻进过程中，管棚存在过大扭矩，大管棚接头采用丝扣连接并在接头处对称焊接2块钢板（钢板厚5mm），提高接头刚度。
3.3开挖、初期支护
初期支护必须严格按照V级围岩初期支护施工工艺流程进行：开挖初喷混凝土锚杆施作钢筋网挂设 型钢钢架安装 复喷混凝土。
开挖工法采用三台阶预留核心土法，每循环开挖进尺严格控制在1榀钢架间距内，挖机找顶后，在基岩面首先初喷C25混凝土4cm厚，喷射混凝土均采用湿喷工艺。系统锚杆直径Φ22中空注浆锚杆，间距为1.0×1.0m（环×纵），呈梅花型布置，单根长度4.0m。注浆材料为水泥浆，比例为1:1（水泥:水），注浆压力控制在0.2～0.5MPa。拱墙处钢筋网采用φ8mm单层钢筋网，利用系统锚杆固定，网格间距为20×20cm，搭接长度均不得小于2个网格并紧贴初喷混凝土面。加强支护采用I20b工字钢，纵向间距60cm/榀，钢架接头必须用螺栓连接并且每个接头不得少于4套螺栓。钢架纵向连接钢筋为Φ22带肋钢筋与钢架焊接，环向间距为1.0m，交错进行。在拱架拱脚处布设φ42锁脚锚管，长度4～6m，注浆饱满。每榀钢架打设6根锁脚锚管，右侧4根，上述工序施作结束后，必须经质检人员和现场监理工程师检查合格后，方能进行复喷C25混凝土至设计厚度28cm。
3.4小导管加固
在开挖、支护完成5m时，根据监控量测结果，发现DK105+735～+730段初期支护变形量不断地加大，最大变形已超过拱架预留沉降量15cm，甚至侵入二衬断面达31cm。立即停止处理，及时在拱架拱脚处回填混凝土，并施工临时封堵墙。造成初期支护变形量不断加大的原因主要是拱顶围岩软弱，无自稳能力，无法承受自身的重量，更无法承受坍塌物的冲击力；其次是溶洞内充填物遇水呈流塑状，增加了溶洞内的压力。根据上述原因必须采取注浆方式改良软弱围岩的岩性。
在大管棚间隙中间断性地有流体状物质涌出。主要原因是溶洞充填物之间的间隙过小，水泥浆无法大面积渗透，更无法固结充填物，须增加小导管补注浆，同时在初期支护轮廓线外形成一个保护外壳。DK105+735～+720掌子面每循环开挖前增加超前支护，在拱部150°（隧道左侧60°，隧道右侧90°）范围内布设φ42小导管，环向间距40cm，每根长4.5m，每环共48根，呈梅花型布置。小导管倾角45°，纵向间距1.5m。小导管采用热轧无缝钢花管，外径φ42mm，
壁厚3.5mm。注浆材料为双液浆，比例为1:1:0.05（水泥:水:水玻璃），注浆终压保持为1.0MPa以上。注浆结束24h后，采用钎探方法检测，（用凿岩机在注浆部位径向钻孔，深度2m以上，如遇空洞，表明注浆不饱满，需继续补注浆；如密实，则表明达到了注浆效果,已固结松散体的目的，已在拱部形成护拱）。
在开挖中台阶时，处于下台阶位置的溶洞部份采用C25混凝土回填密实。
4.初期支护换拱
4.1换拱准备
4.1.1洞内清危及观测
换拱施工前，先对原有支护进行观测和观察，对有掉块的混凝土先行清危处理。待确保支护相对稳定、喷射混凝土无掉块后，人员设备方可进行此段的换拱处理。在此段岩体周边表面沿加密观测点，以便在施工过程中观察和观测围岩的变化情况。
4.1.3侵限段换拱施工
拱顶换拱前先布设好拱顶沉降及收敛监测点，严密监控洞内的变形情况，换拱过程中观察洞内初支，如有变化立即停止施工。
拱部换拱施工步骤：
⑴注浆加固围岩、加强初支与围岩的连接，在换拱部位打设初支背后φ42mm注浆导管，导管长4m，壁厚3.5mm，间距0.5～1.0m，梅花型布置，注水泥浆，注浆压力0.2～1.0Mpa。在不用置换初期支护的部位将小导管与初期支护中的工字钢架焊接起来；其他需置换工字钢的部位待置换后将工字钢与小导管焊接起来。
⑵根据断面测量结果凿除侵限喷射混凝土，采用人工手持风镐每榀分段凿除，每榀分段长度控制在1.0m以内，凿除方向从拱部向下顺序进行。
喷射混凝土凿除时钢架切割处需多凿除50～60cm。换拱前预先在每榀钢架切割位置下方50cm处，每处左右两侧各打设2根锁脚锚管，锁脚锚管采用φ42，长度为3.5m，同时采用I20工字钢对拱部设临时支撑，以保证施工过程的安全。
⑶在钢架上确定侵限范围，量好切割拱架内弦长（即两点直线长度），沿半径方向切割钢架。
⑷先按Ⅴ级Ⅱ型加强复合衬砌钢架设计要求制作好I20钢拱架，计算好下料长度，沿半径方向裁制已做好的钢架，备好焊接用连接钢板。
⑸把焊好的钢架运至作业平台上拼装钢架，就位调整后定位。
⑹换上的钢架与原钢架进行对接焊好后再分别在工字钢腹板和翼板上贴板加强焊接，焊缝高度8mm，接头采用螺栓连接。
⑺在钢架与围岩的空隙处加设混凝土垫块，楔紧钢架。
⑻按设计要求焊纵向连接筋。
⑼喷射混凝土。
4.1.2上台阶钢架落底
由于采用三台阶预留核心土法开挖进行施工，目前钢架变形段落仅处于上台阶施工完成阶段，须及时对边墙钢架落底，形成整体受力支撑。
5.二次衬砌施工
溶洞段的衬砌采用C35钢筋混凝土。拱墙和仰拱采用双层钢筋施作，环向筋为Φ25带肋钢筋，間距为40cm。纵向为Φ14带肋钢筋，间距为25cm。严格控制钢筋的间距距，钢筋的加工及安装必须满足设计及规范要求。
6.结束语
通过以上处理措施的实施,安全通过了此处溶洞，经长时间不间断量测表明，该段围岩变形已稳定。在以后施工中遇到溶洞的处理，必须加强地质超前预探、预报工作，对隧道前方岩溶进行准确预测，并提前做好穿越岩溶溶洞的应急预案，防止突泥和突水的发生。根据超前地质预报和现场揭示围岩的具体情况，采用直接有效的措施，最重要的是保证施工和运营的安全，方案经济适用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。