隧道岩溶施工处理技术

林振华

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

1 项目概况

云桂铁路项目沿线石灰岩分布广泛，地表溶蚀洼地特征明显，云桂铁路站前三标一分部管段内在小寨隧道（进口至横洞段）、高坡隧道（出口段）、沙梨树隧道、董那孟1#隧道、董那孟2#隧道及广南1#隧道等6座隧道施工过程中多次出现各种类型的溶洞，其中沙梨树隧道及高坡隧道出口段尤为突出，沙梨树隧道几乎全隧遍布溶洞。

全线发现较大溶洞并处理共计67次，其中5次为大型或特大型溶洞。隧道开挖过程中发现的溶洞分为填充型和非填充型2种，分布部位包括拱部、边墙、仰拱、全隧等情况，揭示后的溶洞规模不等，最大尺寸40 m，容量最大高达7 000 m³。

2 岩溶超前探测

溶洞的有效探测是处理的前提，云桂铁路隧道采用以地质调查为基础，综合物探、钻探的方式进行超前地质预报。物探有掌子面地质雷达及地震波探测，钻探主要有超前水平钻、加深炮孔、隧道周边风枪探孔。

隧道掌子面前方岩溶情况主要是通过在超前水平钻探或爆破钻孔过程中发现，通过钻进速度、钻水颜色以及是否涌水判断岩溶的性质。

3 岩溶处理技术

3.1 钻孔涌水的处理

当钻孔发现前方出现空腔或涌水等异常情况时，基本可以判定前方存在溶洞或溶蚀发育。在高坡隧道、小寨隧道等富水溶洞发育地段多次出现钻孔涌水现象，主要采取了如下措施：

⑴ 立即停止施工，同时洞内实施预警；

⑵ 加强观察，注意出水水量及颜色变化；

⑶ 必要时增加探孔数量，加快泄压速度；［1］

⑷ 待水量明显减小后开挖掘进。

等待水压减小时间最长的是小寨隧道DK410+990～+995段溶洞处理，实测钻孔初始涌水量达18 m3/h，直至约55 h后出水水量明显减少、压力消失，现场才恢复开挖施工。

3.2 拱部溶洞处理

本项目揭示处理的掌子面拱部溶洞共计42次。其中最小的溶洞口直径及深度均小于1 m；最大的溶洞横向宽度20 m以上，且拱顶空腔达20 m。揭示溶腔内填充情况不同，处理的方式也不尽相同，其中以董那孟1#隧道DK420+364～+336段拱部溶洞处理（非填充型）及高坡隧道DK957～+944段拱部溶洞处理（黏土填充型）最为典型。

3.2.1 董那孟1#隧道DK420+364～+336段拱部溶洞处理

2013年8月17日，董那孟1#隧道掌子面（DK420+364）爆破后揭示一处较大溶洞，如图1所示。溶洞口位于掌子面左上方，纵向延伸长度约28 m，横向宽度约20～25 m，溶洞基本为空溶洞，局部有碎土石，洞顶可见钟乳石、石笋等岩溶形态。洞壁潮湿，岩体完整，自稳性较好。

图1 董那孟1#隧道DK420+364溶洞Fig.1 DK420+364 Karst Cave of Dongnameng 1#Tunnel

由于溶洞内无填充物，溶洞处理的主要对象是空腔，“混凝土护拱+缓冲层”是此次溶洞处理的基本方式，如图2所示。［2，3］

图2 DK420+336～364段溶洞处理典型断面Fig.2 Typical Sections of DK420+336～364 Karst Cave Treatment

⑴ 加强支护：在对DK420+364处溶洞做进一步揭示和处理后，DK420+336～+364段拱墙采用I18型钢钢架加强支护，钢架间距0.8 m/榀。钢架外侧铺设竹排架，喷混凝土形成初期支护及下步作业时的防护棚架，棚架上间隔3～5 m预留一处开口，并预埋泵送混凝土管，如图3所示。

图3 初支预埋泵管Fig.3 Embedded Pumping Pipe in Primary Support

⑵ 溶洞回填：对衬砌背后的空溶洞，拱顶溶腔高度不足2 m地段采用C20混凝土回填密实，对拱部溶洞范围较大地段，泵送混凝土回填至拱顶以上2 m，其上吹砂2 m厚形成缓冲层。

整个溶洞回填分2次进行。第1次回填在上台阶初支完成后：由于溶洞横向宽度已大过隧道横断面宽度，上台阶两侧拱脚的锁脚锚杆设置在空腔内，并未起到作用，如图4所示。上台阶初支完成后，即开始第1次溶洞回填，使得锁脚锚杆得以发挥功效，保证下台阶开挖过程初支钢架的安全。第2次回填在下台阶初支完成后：整个拱墙初支完成后，对初支背后空腔泵送混凝土回填，泵送时注意控制速度，分层回填，避免回填过快导致初支垮塌。

图4 锁脚锚杆深入溶洞空腔内Fig.4 Feet-lock Bolt in the Cavern

⑶ 防排水措施：溶洞段衬砌背后的环向排水盲管加密至3 m/道。初支拱部设置缓冲层地段，利用吹砂孔设置独立的排管于隧道侧沟联通。［4］

3.2.2 高坡隧道DK957～+944段拱部溶洞处理

2013年4月20日，高坡隧道出口掌子面（DK417+952）揭示出一半充填型溶腔，如图5所示。溶腔占掌子面约1/2，充填物为软塑状黏土，主要集中在掌子面上台阶中下部，整个拱顶范围皆为空溶洞，开挖轮廓线外往上可见高度约为20 m，横向可见宽度约20 m，纵向长度约8 m，该溶洞往掌子面左侧下方延伸，可能与地表联通。溶腔壁为弱风化灰岩，稳定性较好，有过水痕迹。

图5 高坡隧道DK417+952溶洞揭示情况Fig.5 Disclosure of Gaopo Tunnel DK417+952 Karst Cave

溶洞揭示2 h，溶腔内黏土充填物出现溜坍。为防止溶洞充填物进一步溜坍对初支造成影响，在揭示溶洞后的初期支护基础上增设护拱保证初支安全，护拱内嵌入I18型钢，如图6所示。并用洞渣对溶洞段上台阶进行回填，形成作业平台，如图7所示。反压长度8 m（上台阶高度6 m，如此形成的坡度有利于施工）。［5］

图6 增设护拱Fig.6 Increases Armor Arch

图7 反压回填示意图Fig.7 Schematic Diagram of Back Pressure Backfilling

溶腔拱部设置φ60中管棚进行超前注浆，固结溜坍溶洞填充物，管棚环向间距0.4 m，单根长8 m（覆盖整个溶洞）。待注浆加固完成后，清除溜坍物、进行初支作业，溶洞段初支采用I20型钢钢架加强支护，1.0 m/榀，逐榀施作，初支拱部预留回填、吹砂孔。初支完成后，对初支背后泵送混凝土及吹砂。［6，7］

3.3 仰拱以下溶洞处理

揭示的仰拱以下溶洞共10次，均为空溶洞，且小型溶洞占多数，其处理方式较简单（混凝土回填密实即可）。在处理的仰拱下大型溶洞中最有代表性的是沙梨树隧道DK419+553～+566仰拱溶洞处理及董那孟2#隧道DK420+728～+734段仰拱溶洞处理，其根据溶腔横向跨度及深度的不同采取了不同的处理方式。

3.3.1 沙梨树隧道DK419+553～+566段仰拱溶洞处理

2011年3月18日，在仰拱开挖时揭示一基底大型溶洞：DK419+557～+560右边墙及基底揭示空溶腔，溶洞洞口开口于DK419+558右边墙底部，向边墙开挖轮廓线外发育，溶洞高1～5 m，宽1～12 m，垂直于线路向右边墙开挖轮廓线外延伸，延伸长度约14 m。溶腔壁潮湿，分布有溶隙，充填黏土，有过水痕迹。DK419+553～+566段左线线路中线右侧基底下方发育充填溶洞，呈椭球形已透镜体展布，充填物为软塑～硬塑状黏土。

从溶洞处理的经济性考虑，对DK419+553～+566段基底溶洞采用桩基托梁进行跨越处理：于DK419+560、DK419+564右侧边墙墙底设置1#、2#支顶桩，支顶桩基础嵌入基岩深度不小于1 m，并与桩心里程处设置纵向托梁及1#、2#横梁，沿线路前进方向，横梁右端与托梁搭接，左端至于基岩上，如图8所示。［8］

3.3.2 董那孟2#隧道DK420+728～+734段仰拱溶洞处理

2013年10月2日，董那孟2#隧道掌子面（DK420+728）左侧揭示一非填充型溶洞，向下延伸约30 m，向上延伸至地表，高度约10 m，开挖轮廓线外宽7 m，在洞身范围内宽约2 m，溶腔壁较光滑，无积水，如图9所示。

图8 DK419+553～+566段基底溶洞处理典型断面Fig.8 Typical Section of DK419+553～+566 Basement Cave Treatment

图9 董那孟2#隧道DK420+728溶洞Fig.9 DK420+728 Karst Cave of Dongnameng 2#Tunnel

此次揭示的溶洞口径范围不大，溶洞垂直发展较深，溶洞处理直接采用混凝土回填方式：对距离仰拱底往下2 m以下范围采用C15片石混凝土回填，2 m范围内采用C20混凝土回填。［9］

3.4 洞身穿过大型溶洞处理

广南1#隧道DK422+130～+080段洞身穿过一填充溶洞，如图10所示。此溶洞横向截面远大于隧道断面，隧道基底以下最深达20 m，不同于其他溶腔内的黏土状充填物，此溶腔内充填物已基本进化成岩，呈硬塑状，本身具有一定的硬度，如图11所示。

图10 DK422+130～+080段纵断面示意图Fig.10 Profile Diagram of DK422+130～+080

此溶洞的特点是整个洞身初期支护须较长时间地置于溶洞充填物上，在仰拱基底得以充分处理前隧道变形较大，严重影响隧道安全。所以，初支沉降的控制是溶洞处理成败的关键。

图11 掌子面揭示的溶洞充填物情况Fig.11 Cave Flling Revealed by the Face

3.4.1 初期支护

DK422+130～+080段初支采用I20型钢钢架加强支护，钢架设置50 cm预留沉降量，拱部φ60中管棚超前支护，三台阶七步作业法施工。

为了抑制初支沉降的发展，在初支内设置套拱，套拱内嵌入I18型钢钢架，套拱钢架与初支钢架一一对应。

拱墙初支及套拱施作完成后，及时施作仰拱、封闭成环，进一步控制沉降的发展。

3.4.2 旋喷桩加固基底

溶洞段仰拱施作完成后，以填充面作为旋喷桩施作平台于隧底下方施作旋喷桩加固工程，如图12所示，旋喷桩间距1 m×1 m，梅花形布置，桩径d=60 cm，旋喷桩按进入基岩0.5 m控制。［10］

图12 旋喷桩加固仰拱基底典型断面Fig.12 Typical Section of Invert Base Strengthened by Jet Grouting Pile

4 结语

⑴ 以上所列的岩溶处理案例为具有代表意义的溶洞类型，实际操作中揭示小型、微型溶洞时可灵活处理，并不都需要采取特殊的处理措施，简单清理后将溶洞回填密实即可。

⑵ 在对溶洞空腔回填混凝土过程中，须采取必要手段查看混凝土回填高度及流向情况，防止混凝土流入未探明的裂隙溶槽中，造成混凝土大量浪费。拱部溶洞回填可采用在拱部指定高度预埋钢管，通过钢管有无混凝土流出判定混凝土回填高度；仰拱下溶洞回填可通过抛石听音、测绳及抛轻飘物看流向的方式判断。

⑶当隧道洞身穿越溶洞段落距离进洞洞口较近时，在正式处理溶洞前，须确定二衬台车进场计划并及时进场拼装，保证洞口段的二衬按时施作、缩短步距。如二衬台车进场滞后，将会使现场的初支变形控制陷于被动，也会对溶洞处理效果及整个隧道的进度产生不可估量的影响。