浅谈贵广铁路高天隧道溶洞处理技术

匡树钧 魏海河

摘要：溶洞为岩溶洞穴，是地表水和地下水对溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的地下溶蚀现象。岩溶对隧道的影响主要表现为是结构物部分及全部悬空，大大降低隧道使用的可靠度；季节性的岩溶洞穴涌水，给隧道施工和体系带来不安全和不稳定因素。因此，制定合理、科学、有效的溶洞处理方案对隧道顺利穿越岩溶地段极为重要。文章根据贵广铁路隧道溶洞分布的具体情况，介绍了此溶洞处理方法，以期对溶洞处理的设计与施工有一定借鉴意义。

关键词：铁路；隧道；溶洞；处理

中图分类号：U459.1文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0147-02

1工程概况

高天隧道：长7 432 m，隧道出口里程DK273+720，出口位于从江县宰告村。DK273+290至隧道出口段洞身段钻探揭示发育有较大型溶洞（3～3.2 m），洞内充填软塑状粉质黏土，溶洞分布无规律性，同时该段隧道洞身位于浅埋段内。DK273+030隧底有暗河，为Ⅰ级控制风险。测区内构造线主要为北北东向，岩层走向一般为北北东向，受线路左侧发育的趋于性譬洞断层影响，段内次级构造较发育，主要发育有一向斜和高天断层及贯洞逆断层。地形受流水强烈侵蚀与切割，水系呈树枝状密布，横向形态多呈“V”型，基岩多裸露，阶地不发育; 地层岩性为沉积岩（砂页岩互层）、变质岩（板岩、千枚岩、片岩、变质砂岩）、石灰岩和第四系残坡积黏性土和堆积土。不良地质为有岩爆、断层破碎带、膨胀土等。水流主要有隧道进出口的小河流及隧道南北侧的小溪流。普遍具风化带网状裂隙水特征。由大气降水的渗入而形成，赋存于风化裂隙及构造裂隙之中，地下水埋藏较浅，属浅层潜水，其中植被是最重要的控制因素，水质具有酸性侵蚀。

2地质特征及溶洞分布概况

根据地勘院钻探揭示，该段内岩溶发育，总共发育三层溶洞，部分溶洞无充填物，多数溶洞充填有软塑状黏土。在仰拱基底下仍见溶洞及溶蚀破碎带，呈串珠状发育。具体岩溶发育特征如下：

第一层溶洞在洞身左右侧边墙脚及左右侧线路中心部位均有分布，无规律。

第二层溶洞分布情况：D3K273+580～D3K273+598段分布于隧道左右侧边墙脚、线路左右侧中心线及仰拱底以下，埋深0～1 m，溶洞高1～3 m，全充填，填充物为褐黄色和褐灰色黏土，软塑状，含10～30%的碎石角砾；D3K273+610～D3K273+630段分布于隧道左右侧边墙脚、线路左右侧中心线及仰拱底以下，埋深1～2.8 m，溶洞高0～5.2 m，全充填，填充物为褐黄色和褐灰色黏土，软塑状，含10～30%的碎石角砾。

第三层溶洞（溶蚀破碎带）分布情况：D3K273+582～D3K273+630段分布于隧道左侧边墙脚、线路左侧中心线及仰拱底以下，埋深0～6 m，为溶蚀破碎带，厚度约为8.2 m，质为灰岩，细晶结构，厚层状，节理发育，溶蚀现象严重，多见小型溶槽、溶孔、溶蚀裂隙，岩芯多呈碎块状，局部岩芯溶蚀成蜂窝状及半柱状等；D3K273+582～D3K273+630段分布于隧道右侧边墙脚、线路右侧中心线及仰拱底以下，连通性差，呈透镜状分布，破碎带厚0～3.6 m，但在D3K273+610～D3K273+630段顶部发育有空洞，空洞高0～1.1 m，空洞顶埋深8.2 m，无填充物。

3隧道溶洞处理方案

3.1处理方案选择原则

①安全性。确保施工安全与运营安全，围岩累计变形量不大于10 cm，衬砌完工后隧道不渗不漏。

②可操作性强。要充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平，并尽可能降低施工难度。

③灵活性好。根据断面形状和尺寸，因地制宜地选择施工方案，而不局限于一种固定的模式，一旦一种方案不能实时或实时效果差时，能较好地转换为替代方案。

④具有可连续性。需兼顾溶洞段前后的施工方案的不同，能顺利地进行施工工艺、工序的转换。

⑤经济性强。即在保证安全、质量并不破坏环境的条件下的投入最节约。

3.2处理施工方案

3.2.1基底处理

结合岩溶分布情况，遵循从易到难，分层处理和节约成本的原则进行。

①开挖基底第一层岩溶填充物厚度小于2 m时，清除溶洞充填物，采用C20素混凝土换填。

②基底下部第一层溶洞深度大于2 m，或者下部有第二层溶洞、第三层溶蚀破碎带时，基底采用φ75钢管加固，桩底嵌入基岩1 m，边墙底（左右边墙1.8 m范围，设置3排）钢管桩纵横向间距0.6×0.6 m，仰拱底钢管桩纵横向间距1×1 m，交错布置。钢管桩注浆采用水泥浆，注浆压力一般为0.8～1 MPa，水泥砂浆水灰比为0.5:1～0.8:1，注浆压力为1.5 kPa，当注浆速度不大于5 L/min，并持续10 min后注浆压力不下降即可终止注浆，基底加固后承载力不得小于250 kPa。

③D3K273+610～D3K273+630段基底第三层有空溶洞，于基底施作φ108钻孔后泵送C20混凝土充填密实，钻孔间距为3 m×3 m。

3.2.2初期支护加强措施

①对于已施作初期支护段落的拱部及边墙后发育有溶槽，且有黏土充填处，采取局部径向注浆加固，注浆管采用φ42钢花管，梅花形布置，间距1 m×1 m，小导管长5 m，注浆采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8:1～1:1。

②对于已施工初期支护段，为保证落底开挖时拱墙初期支护的稳定，于初期支护拱脚两侧及边墙处施作φ42锁脚锚管，单侧每处施作2根锁脚锚管，长度5 m，纵向间距0.6 m，注浆采用水泥浆。

4溶洞处理关键施工工序及技术

4.1施工工序

为了不影响隧道正常施工，在D3K273+580～D3K273+630段搭设多功能平台，在正洞初期支护施作期间，开挖班利用凿岩机对该段边墙及拱部后发育的溶槽、溶洞钻眼、安装小导管、锚管并进行注浆作业，工序作业如下：

①现场利用φ42×3.5 mm无缝钢管加工小导管，小导管管壁四周按15 cm间距梅花形、钻设φ8 mm压浆孔，钻孔角度、深度、密度符合设计要求。小导管加工的同时利用风动凿岩机钻孔，孔深5 m，直径50 mm，完成后利用风动凿岩机的顶推力将小导管推送入孔，钻孔垂直初支面。小导管安装完成后利用注浆泵压注水泥浆，为了让水泥浆扩散半径大，满足溶洞填充和加固要求，水灰比采用1:1。由于溶洞内充填物为黏土，小导管、锚管压注水泥浆，压力不小于2 MPa，为了避免注浆发生串浆，采用多台注浆机同时注浆。当注浆机较少时将串浆孔及时堵塞，轮到该管注浆时，再拔下堵塞物，用铁丝或细钢筋将管内杂物清除并用高压风或水冲洗，然后再注浆。

②注浆完成后，迅速取掉止浆塞并割除初支外露头，并利用C25喷射混凝土补喷平整，便于后续防水层及二衬施工。

4.2第二层和第三层溶洞处理

仰拱初期支护完成后，利用潜孔钻钻孔，按照设计图纸要求对第二层溶洞和第三层溶蚀裂隙进行φ75钢管桩注水泥砂浆加固处理。

①钢管桩采用φ75钢花管，丝扣联接。钢管桩在现场加工制作，汽车运输到工作面；钢管桩采用潜孔钻机施工，分节安装，丝扣联接，清孔后，长管一次安装完成；利用专用高压注浆泵注入水泥砂浆。水泥砂浆水灰比采用0.8:1。

②钢管桩上钻注浆孔，孔径10～16 mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段90 cm；钢（花）管接头两端均预加工成外丝扣连接，同一断面内接头数量不超过总钢管数的50％。

管距：间距1 m×1 m，交错布置。

倾角：垂直仰拱初支面，具体可根据实际情况作调整。

③钢管桩注浆采用水泥砂浆，浆液水灰比为0.8：1（重量比），注浆压力：0.8～1.0 MPa，最大不超过2.0 MPa。注浆前进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数，取得注浆施工经验。注浆按钢管施钻顺序跳孔进行。压力逐渐由小加大。

④φ75钢管桩注水泥砂浆加固处理结束后，立即对注浆质量进行评定，然后对已加固基底段进行加载试验，确认地基承载力大小于250 KPa后进行仰拱钢筋安装，浇注仰拱混凝土和C20填充混凝土。

⑤D3K273+610～D3K273+630段基底有空溶洞，属特殊的岩溶整治段，该段不存在第一层溶洞，但第二层溶洞的处理应在第三层溶洞处理完成后进行。具体措施及步骤如下：

第一，仰拱开挖及初期支护同其他段落。仰拱初支完成后利用管棚钻机在仰拱初支面上钻φ114 mm孔，孔深满足设计要求。用于泵送的φ108 mm钢花管在现场加工制作，汽车运输到工作面；钢花管利用挖掘机或机械倒链顶进，分节安装，丝扣联接，清孔后，长管一次安装完成后管口接混凝土输送泵管。

第二，填充C20混凝土由高天出口的自动计量混凝土拌和站集中供应，混凝土搅拌运输车运料，混凝土输送泵泵送入模。混凝土泵送时根据φ108 mm钢花管的编号及安装顺序进行逐孔泵入。

第三，泵送混凝土结束后再施作φ75钢管桩对该段第二层溶洞进行加固处理（加固工艺同上）。

5结语

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，支护结构表面无明显渗漏水现象。并且此次处理方案也为溶洞的处理提供了借鉴经验，但是在今后的岩溶隧道施工中，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。需要引起广大业内人员注意的是，溶洞处理一般只注重结构的环向刚度的加强，较为忽视结构的纵向刚度的加强，这样会因溶洞前后侧结构基底刚度差异而导致后期运营时衬砌病害的产生。

参考文献：

[1] 杨当狮.歌乐山隧道岩溶地质预报及堵水注浆[J].山西建筑,2004,(12).

[2] 冯卫星,况勇,陈建军.隧道坍方案例分析[M].西安.西安交通大学出版社,2002.

[3] 袁真秀.浅谈对隧道坍方的几点认识[J].隧道建设,2001.(3).

[4] 胡启军.岩溶隧道施工关键技术及其工程应用[J].山西建筑,2009,(27).