隧道岩溶综合处治施工技术探讨与应用

隧道岩溶综合处治施工技术探讨与应用

关军

（中铁六局集团太原铁路建设有限公司，太原 030000）

[摘要]本文结合宜宾至彝良高速公路新田湾隧道的施工实例，论述了岩溶隧道在施工过程中采用超前大管棚跟管施工技术+超前混凝土灌注+双层钢拱架相结合的综合技术处治措施，对隧道溶洞溶腔进行了加固处治，详细分析论述了溶洞溶腔的发育形态，综合处治的施工步骤、控制要点，以便指导今后类似工程的施工。

关键词：不良地质  岩溶  超前加固  综合处治

0.引言

随着我国经济的快速发展，高速公路网络进一步完善，西南偏远山区高速公路建设逐步走向新高，助力山区经济发展，受地形地势影响，西南地区桥隧比例越来越高，隧道地质情况也越来越复杂。宜宾至彝良高速公路新田湾隧道在施工过程中穿越了岩溶风景区，为确保隧道施工安全，施工过程中针对岩溶采用了超前大管棚跟管施工技术+超前混凝土灌筑+双层钢拱架相结合的综合技术处治措施，确保了隧道施工安全。

1.研究意义

岩溶对隧道施工的危害极大，岩溶隧道施工过程中的主要控制措施即为如何有效的对溶洞溶腔进行加固，防止因溶洞溶腔造成的隧道坍塌风险。传统的溶洞溶腔加固处治措施即在溶洞溶腔开挖揭示后，采用片石、混凝土回填进行加固处治，处治措施单一，根据现场施工情况，溶洞溶腔开挖揭示后若不能及时加以处治，隧道坍塌的风险加大，施工安全也无法得到有效保障。

本文主要研究分析了在现有超前地质预报探测手段的前提下，针对溶洞溶腔采用了超前大管棚跟管施工技术+超前混凝土灌筑+双层钢拱架相结合的综合处治措施，快速、安全有效的对溶洞溶腔进行了超前加固处治，确保了隧道施工安全，有效防止了掌子面坍塌，以便指导今后类似隧道施工。

2.工程概况

宜宾至彝良高速公路新田湾隧道位于四川省宜宾市筠连县境内，为构造剥蚀、溶蚀低中山地貌，隧道进口里程K78+500，出口里程K80+626，全长2126米，隧道由进口至出口为单面上坡，坡度2.5%。隧址区主要岩性为灰岩，局部夹泥岩和砂岩，地下水总体较发育，具体表现为溶沟（槽）、溶孔、溶隙、落水洞、溶洞。

隧道位于岩溶垂直渗流带，受降雨影响较大，加之当地降雨充沛，隧道施工过程中极易发生涌水、塌方等地质灾害，由于岩溶的影响，地下水极易恶化隧址区围岩工程性质，给施工带来很大的安全隐患。

3.溶洞溶腔发育情况

经超前地质预报探测及后期开挖揭示情况，隧道掌子面拱顶及拱腰位置存在溶洞溶腔发育，掌子面围岩主要为溶腔坍塌体堆积而成，围岩破碎，溶隙发育。

图3.1掌子面情况

4.总体施工方案

隧道开挖掘进前，采用超前地质预报对掌子面前方及周边范围内进行超前地质预报工作，提前掌握溶洞溶腔的位置、大小。依据地质预报掌握的溶洞溶腔位置，开挖前提前采用大管棚跟管施工技术+超前混凝土灌筑工艺对掌子面及拱顶上方溶洞溶腔进行加固处治，保证了隧道掌子面开挖施工的安全，同时加强该段初期支护结构，采用双层钢拱架施工技术，强化了初期支护完成后的稳定性，大大提高了溶洞溶腔地段隧道衬砌结构的稳定性。

5.主要施工工艺

图5.1 主要施工工艺流程图

5.1 超前地质预报

采用加深炮孔、地质雷达、TSP、瞬变电磁法探水、超前钻探等地质预报手段，对隧道掌子面掘进前方进行超前地质预报工作，探明隧道掘进方向前方及周边溶洞溶腔的发育情况。

5.2 数据分析

数据分析尤为重要，通过精准的数据分析，减少了后期处治施工的不确定因素，提高处治施工精准性。依据超前地质预报探测结果，综合分析溶洞溶腔位置、形态、大小，绘制溶洞与隧道位置关系图，以便确定处治方案。

5.3. 大管棚跟管施工

管棚钻进采用潜孔钻，该钻机的特点是扭矩及顶升压力大，钻具配套适应性强，成孔深且质量高，配套钻具为跟管钻进的偏心钻头，套管的跟进是偏心钻头正钻后带动套管端头的管靴进行钻孔跟管顶进施工，完成后偏心钻头反转拔出。

5.3.1 施工准备

对拱部管棚施做范围进行测量开挖周边放样布孔。在开挖轮廓线以外拱部 120°范围内施做长管棚，套拱墙采用C25混凝土浇注，套拱墙纵向长度为2m，厚度为 0.5m，套拱墙内埋设工字钢拱架，工字钢与导向钢管 焊成整体，导向钢管应准确安设，套拱墙环向长度可根据具体实际情况确定，在作套拱前，土石分台阶开挖，上台阶高度在起拱线附近，以满足工作高度。

5.3.2 钻机就位

钻机施工平台要支撑于稳固的地基上，钻机要求与已设定好的孔口管方向平行，必须精确核定钻机位置，钻机钻杆轴线与定位钢管轴线相重合。

5.3.3 钻孔跟管

钻孔前，按测定好钻孔的范围、平面位置对每个孔进行编号。为了便于管道跟进，钻头直径应大于钢管外径，钻孔由高孔位向低孔位进行，钻进中经常采用测斜仪量测钢管、钻机的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，应及时纠正。

根管管身设计长度2m，采用套丝连接，当第一根钢管钻进至剩余30-50cm时，钻头返钻退出，将第二根钢管与第一根尾部连接后，钻头通过钢管进入，继续钻孔，重复直至钻至管棚设计长度。

5.3.4 清孔

用高压风从孔底向孔口反复清理，清除管道内浮渣、灰尘，确保孔内无残留杂物。

5.3.5 管棚注浆

注浆材料采用纯水泥浆液（W/C=1:1），注浆水泥强度等级为42.5，当围岩破碎、地下水发育时，为调凝需要，可部分采用水玻璃双液浆。当采用化学浆液时，应注意防腐、防毒。

5.3.6 施工控制要点

⑴管棚所用钢管进场必须按批次抽取进行力学性能试验（屈服强度、抗拉强度、和伸长率）和工艺性能（冷弯）试验，其质量必须符合《公路隧道施工技术规范》的要求。

⑵浆液配合比必须经试验调配并经审批后方可使用，浆液配比所用原材料质量检验结果应符合《公路工程质量检验评定标准》、《公路隧道施工技术规范》的要求。

⑶在钻孔过程中应经常量测孔的偏斜度，发现误差超限及时纠正，掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。

⑷管棚搭接长度必须符合设计要求。

⑸相邻钢管接头要前后错开，且至少错开1m，同一断面内的接头数不得大于50%。

⑹注浆顺序应遵循“从低到高、从下往上、间隔注浆”的施工顺序。

⑺注浆压力一般为 1.0～2.0MPa，初压0.5～1.0MPa，终压 2.0MPa，浆液注满后应持压15min再停止注浆，受岩溶发育影响，可采用间歇式注浆工艺。

图5.2 跟管及偏心钻头

5.4. 超前混凝土灌注

超前混凝土灌注是指在掌子面出现溶腔、溶隙时，采用喷射混凝土封闭掌子面，同时在掌子面预留混凝土灌注孔及排气孔，采用地泵对溶腔、溶隙内泵送混凝土，混凝土充填溶腔、溶隙，待混凝土强度满足要求后在进行掌子面开挖掘进施工，有效防止掌子面塌方。

5.4.1 掌子面封闭

超前大管棚施工完成后，对掌子面进行反压回填，挂设钢筋网片，喷射混凝土封闭掌子面，同时做好混凝土泵送管道、排气管道的预埋。

5.4.2 泵送混凝土

掌子面封闭完成后，采用车载输送泵对掌子面溶腔内进行泵送C20混凝土，将混凝土充填至溶腔裂隙内，以固结掌子面围岩间溶腔裂隙。

图5.3 超前混凝土灌筑效果图

5.5. 洞身开挖

当掌子面泵送混凝土强度达到设计要求后，既可进行隧道洞身开挖工作。

5.5.1 测量放样

测量组根据所确定的开挖断面，采用全站仪进行掌子面开挖放样，并采用红油漆做好标记，对开挖班组进行开挖前的测量交底工作。

5.5.2 开挖爆破

采用环形开挖预留核心土法施工，上台阶循环进尺一榀拱架，下台阶循环进尺两榀拱架，以挖掘机开挖为主，各别存在孤石部位进行小范围钻爆作业，施工过程中，核心土留存面积应不小于整个开挖断面面积的50%，同时开挖后应及时施工喷锚支护、安设钢架支撑，并按设计要求施工锁脚，上台阶施工完成后，核心土与下台阶的开挖应在上台阶支护完成后、喷射混凝土强度达到设计强度的70%后进行。

5.5.3 通风排险及出渣

开挖爆破完成后，对掌子面进行通风作业，通风至少15～20分钟，通风完成后，采用挖掘机对掌子面进行排险作业，机械排除掌子面周边松动的围岩、危石，采用装载机配合自卸车进行出渣作业。

5.6. 外层钢拱架施工

初期支护设置内外层双层钢拱架，两层钢拱架间距1m，采用混凝土回填，可形成混凝土护拱，双层钢拱架的使用，大大提高了初期支护强度及稳定性，减少了溶腔二次坍塌给隧道造成的危害。

5.6.1 初喷混凝土

出渣完成后，及时对开挖断面进行初喷混凝土，采用C25喷射混凝土，拌和站集中拌制，运输采用混凝土运输车，湿喷机械手喷射作业，喷射厚度4cm。

5.6.2 外层钢架安装

外层钢架采用工20b工字钢架，钢架间距0.5m/榀，全环设置。

5.6.3 径向连接钢筋焊接

钢架径向连接钢筋采用HRB400Φ22螺纹钢，外层钢架施工完成后将“L”型连接钢筋短边与钢架外边缘焊接牢固，长边垂直深入混凝土护拱内，方便与内层钢架径向连接钢筋焊接，径向连接钢筋也可作为混凝土护拱钢筋，以便提高护拱混凝土整体强度。

图5.4 双层钢拱架示意图

图5.5 径向连接钢筋示意图

5.6.4 外层钢架复喷混凝土

外层钢架施工完成后，进行复喷混凝土，喷射混凝土厚度22cm，钢架混凝土保护层厚度不少于2cm，采用C25喷射混凝土，湿喷机械手喷射。

5.6.5 施工控制要点

⑴钢架在初喷4cm后安装，确保钢架外缘有足够的混凝土保护层厚度，在安装过程中当钢架和围岩间有空隙时，应加设混凝土垫块。

⑵钢架定位利用系统径向锚杆，与钢架焊接牢固。

⑶钢架节段之间采用高强螺栓连接，螺栓应拧紧。

⑷为确保钢架的整体受力和稳定，并防止拱架下沉，在施工时，使用Ф22纵向连接钢筋将各榀钢架连成一体，其环向间距1m，内外侧交错布置，纵向钢筋与钢架间采用焊接连接，焊缝有效厚度不小于8mm。

⑸钢架拱脚虚渣不得存在虚渣、积水，因超挖造成钢架拱脚悬空的需采用混凝土垫块垫实，严禁采用虚渣对钢架拱脚进行支垫。

⑹钢架拱架设置锁脚锚管，锚管采用φ42mm，壁厚4mm钢花管，单根长度4m，前部钻注浆孔，孔径10mm，孔间距15cm，梅花状布置，前端加工成锥形，尾部预留不小于30cm止浆段。每处拱脚左右侧各设置2根，锁脚角度斜向下15～20°，并采用“L”型钢筋与钢架焊接牢固。

⑺锁脚锚管注浆用普通水泥浆液，用水为饮用水，浆液水灰比1:1（重量比），注浆压力0.5-1.0MPa。

5.7. 内层钢拱架施工

5.7.1 拱架安装

内层钢架采用工20b工字钢架，钢架间距0.5m/榀，全环设置，内层钢拱架与外层钢拱架安装工艺相同。

5.7.2 径向连接钢筋焊接

钢架径向连接钢筋采用HRB400Φ22螺纹钢，内层钢架施工完成后将“L”型连接钢筋短边与钢架外边缘焊接牢固，长边垂直深入混凝土护拱内，与外层钢拱架径向连接钢筋焊接。

5.7.3 喷射混凝土

内层钢拱架外侧贴防水板，确保喷射混凝土不侵入护拱位置，喷射混凝土厚度26cm，钢架混凝土保护层厚度不少于2cm，采用C25喷射混凝土，湿喷机械手喷射，喷射混凝土初凝后，剔除防水板。

5.7.4 施工控制要点

⑴内层钢拱架施工应滞后外层钢拱架至少3m，让外层钢拱架在可控范围内进行适量收敛变形。

⑵因内层钢拱架与外层钢拱架间存在1m厚混凝土护拱，内层钢拱架在施工阶段测量放样尤为重要，测量人员准确测放出内层钢拱架断面，进行明显标记，施工人员严格按照测量放样交底进行钢架的定位。若钢架定位不准确，易造成钢架间混凝土护拱厚度减少或初支侵限。

⑶内层钢架喷射混凝土不得侵入混凝土护拱内，可采用内层钢架外侧贴防水板的方式进行喷射混凝土作业。

⑷内层钢架径向连接钢筋与外层钢架径向连接钢筋应严格进行有效焊接。

5.8. 混凝土护拱浇筑

内层钢架每施工完成3m后，待内外层钢拱架喷射混凝土强度达到设计强度70%后开始浇筑C25混凝土护拱。采用模板对双层钢拱架端头进行封堵，模板应固定牢固，通过初支拱顶预埋混凝土泵送管道向双层钢拱架间泵送C25混凝土，护拱混凝土泵送过程应缓慢进行，同时观察初支稳定情况，确保施工安全。

5.9. 排水系统施工

混凝土护拱浇筑完成后，采用潜孔钻机施工泄水孔，泄水孔高度位于溶腔底部，垂直初支面进行钻孔，孔径100mm，纵向间距3m，钻孔完成后安装φ100波纹管，与隧道纵向盲管相连，同时该段增加边墙盲沟检查井，以便后期对排水系统的检查维修。

6.结束语

本次超前大管棚跟管施工+超前混凝土灌注+双层钢拱架施工成功应用于宜彝高速新田湾隧道溶洞溶腔处治，采用该综合治理工艺，确保了隧道掌子面开挖稳定性，防止拱顶坍塌风险，大大提高了隧道施工进度，同时双层钢拱架施工确保了初期支护的强度，大大提高了隧道支护稳定性，减少了因溶洞溶腔影响造成的掌子面坍塌后处治投入的人、料、机的费用，值得参考。

喀斯特地貌下隧道施工过程中，岩溶对隧道施工影响极大，过程中未能及时对溶洞、溶腔进行有效加固，极易导致隧道掌子面垮塌，在施工中及时总结施工经验，以期获得更为先进的施工工艺。

7.参考文献

[1]《公路工程施工安全技术规范》（JTG F90-2015）

[2]《公路隧道施工技术规范》（JTG/T3660-2020）

[3]《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》（JTG F80/1-2017）

[4]《宜宾至彝良高速公路新田湾隧道施工图设计》