岩溶地貌隧道穿越不良地质处理技术

姜海东

(中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000)

1 工程概况

贵州省安紫高速公路旧州隧道位于贵州省安顺市旧州镇境内，起讫里程YK5+665～YK6+685，长度1 320 m，分离式长隧道，最大埋深约184 m。场区地处云贵高原向广西丘陵过渡的斜坡地带，总体地势北高南低。地貌类型为溶蚀构造型低中山地貌，山体植被发育，进出口均位于斜坡上。路线K6+305处为九龙山背斜核部，隧道和背斜交角84°，受背斜构造影响，场区岩层扭曲，背斜核部产状陡，向两侧岩层产状稍缓，区内未发现断层通过。场区岩体节理、裂隙发育，呈网格状，中风化层内节理面较为平滑，多呈闭合状，强风化层中节理裂隙多呈张开状，多为无充填，局部见粘土充填，岩体被节理裂隙切割成块状。

隧道通过区域土体的工程地质特性：碎石土，灰黄色，灰色，碎石成分为灰岩、硅质岩及泥岩，粒径20～40 mm，含量约占50%～70%，主要分布于隧道进出口地层上部，厚0～10.4 m；隧道通过区域岩体的工程地质特性：隧道区下伏基岩为薄至中厚层泥岩、硅质岩、泥质粉砂岩互层偶夹薄煤层、厚层状灰岩，根据场区的硬度与完整性，将场区岩层划分为强、中风化两层。隧道进口段155 m、出口段215 m均为V级围岩，中间950 m为Ⅲ、Ⅳ级围岩交替分布，其中Ⅲ级围岩占比20%，Ⅳ级围岩占比52%。Ⅳ、V级围岩隧道断面如图1所示。施工过程中场区不良地质主要表现为岩溶、采空区、塌腔、突泥等。

注：Ⅳ级围岩支护参数，∅8 mm钢筋网25 cm×25 cm，I14型钢拱架，间距100 cm，20 cm厚C20喷射混凝土，350 g/m2无纺土工布防水板，40 cm厚C30二次衬砌，∅20 mm药卷锚杆，L=3.0 m，锚杆间距100 cm×120 cm(纵×环)梅花形布置。V级围岩支护参数，∅8 mm钢筋网20 cm×20 cm，I20b型钢拱架，间距60 cm，26 cm厚C25气密性纤维喷射混凝土，5 mm厚聚乙烯闭孔泡沫板，1.2 mm厚CW-S型橡胶瓦斯隔离板，50 cm厚C40防腐蚀气密性钢筋砼，∅25 mm中空注浆锚杆，L=3.5 m，间距60 cm×120 cm(纵×环)梅花形布置

2 采空区处理施工技术

2.1 基本情况

设计情况：隧道埋深约60 m，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，无自稳能力，隧道浅埋，无支护时受振动易产生大规模崩塌及掉块甚至冒顶。设计阶段在ZK6+790处钻孔，未揭示存在采空区。

超前地质预报：掌子面岩体主要为中风化～强风化硅质岩，节理、裂隙较发育，局部含软弱夹泥，岩体呈破碎状，结合性较差，整体稳定性一般。地质雷达预报结果显示，掌子面前方岩体节理裂隙较发育，可能存在裂隙破碎带或小型裂隙孔洞并充填泥层，开挖过程中支护不及时易发生拱顶掉块及塌方。通过超前水平钻孔方式揭示掌子面前方地质情况，在掌子面拱顶及两侧拱腰钻孔均未发现软弱夹层及溶洞填充物。

采空区揭示：设计资料及超前地质预报均未揭示出掌子面前方拱顶存在采空区，施工过程中，开挖至ZK6+733里程处(设计为IV围岩)，采空区内填充物从掌子面拱顶塌落。对地表及洞内采取临时加固处理措施后，采用超前钻孔及地质雷达对采空区进行揭示。洞内采空区横向尺寸约7 m,纵向尺寸约8 m,深度约6 m。监控量测数据显示，洞内掌子面附近初期支护无明显变形，支护结构总体稳定，隧道开挖面上方地表出现局部沉陷，最大沉陷深度达1.5 m，沉陷尺寸约为5 m×8 m。现场状况见图2、图3。

图2 地表沉陷情况 图3 采空区填充物塌落

2.2 应急处理措施

地表：沉陷区四周开挖截水沟，顶部搭设防雨棚，表面涂抹5 cm厚水泥砂浆，附近埋设沉降观测点，专人监测。洞内：将采空区内塌落填充物进行清理，对拱顶塌腔进行临时加固封闭，掌子面拱顶采用长度2 m的I14工字钢纵向置于2榀I18环向拱架顶部，I14工字钢间距30 cm，I18环向拱架间距60 cm，挂网喷射混凝土进行封闭，见图4。

图4 洞内临时加固处理

2.3 地表处理措施

洞内空腔处理完成后，沿沉陷区边缘斜向下打设长度3.5 m的∅42 mm×4 mm钢花管，钢花管间距1 m，注水泥-水玻璃双液浆，加固周边土体。沉陷区表面铺设直径20 mm钢筋网，网格尺寸20 cm×20 cm，钢筋网与周边钢花管焊接牢固，钢筋网片搭接长度不小于20 cm并焊接连接，沉陷区范围喷射20 cm厚C25混凝土覆盖。

2.4 洞内处理措施

掌子面前方采空区影响范围初期支护施工时，对支护参数进行调整，初期支护进行局部加强处理。采用双层直径10 mm钢筋网片(网格尺寸20 cm×20 cm)代替单层直径8 mm钢筋网片(网格尺寸25 cm×25 cm)；采用I18工字钢代替I14工字钢，间距由100 cm调整为60 cm；喷射25 cm厚C20混凝土，采用长度3.5 m∅25 mm中空注浆锚杆(间距：环向×纵向=120 cm×60 cm)代替长度3.0 m∅20 mm药卷锚杆(间距：环向×纵向=120 cm×100 cm)；预留吹砂孔及泵送混凝土管，该范围初期支护施工完成后，泵送3 m厚C20混凝土护拱，再吹砂回填，吹砂厚度不小于100 cm。具体处理措施如图5所示。

图5 ZK6+733～ZK6+724采空区处理(单位：cm)

3 溶洞处理施工技术

3.1 开挖轮廓外发育小型溶洞

对隧道拱顶及拱腰以上发育深度小于3 m的溶洞，清除填充物，初期支护施作完成后分次泵送C15混凝土回填。对于隧道边墙发育高度小于3 m的溶洞，用干砌片石回填，并采用厚度不小于2 m的M7.5浆砌片石进行封堵。对于隧道仰拱及路面下发育深度小于3 m的溶洞，清除溶洞填充物后采用C15片石混凝土回填。

3.2 拱腰以上发育大型溶洞

3.2.1 基本情况

ZK6+000～ZK6+015段设计为IV级围岩，施工过程中，掌子面开挖至ZK6+000里程处，掌子面前方及拱顶出现溶洞，溶洞高度约20 m，最大宽度约15 m，沿隧道纵向长度约15 m，并有约50 cm宽裂隙向隧道大里程方向发育，裂隙内有水渗出，裂缝发育长度未见，溶洞内由黄色粘土夹杂大块孤石填充，受开挖振动影响部分粘土及孤石塌落，剩余粘土及孤石处于不稳定状态，溶洞内有点滴状水流沿侧壁下落。

3.2.2 情况分析

(1)设计情况：ZK6+600处隧道埋深约140 m，围岩为中风化泥岩、硅质岩，受背斜构造影响，节理发育，岩体较破碎，呈镶嵌碎裂结构，岩石软硬相间，自稳能力差，无支护时受振动易产生变形、挤压破坏和塌方。该段处于底层界限接触带，可溶岩岩溶化程度高，隧道开挖可能发生突水、突泥等不良现象。在ZK5+960地表处钻孔在孔深58.5～61.5 m段遇一溶洞，上部为粘土充填，下部为细砂充填。

(2)超前地质预报：掌子面较潮湿，无明显成股水流，岩体为强风化泥岩、硅质岩，夹杂软弱夹层，节理裂隙发育程度高，岩体极破碎，岩体裂隙水发育，承载能力差，岩体结合性较差，整体稳定性差，出现涌水、突泥、塌方和填充型溶洞风险较高，建议围岩等级为V级。

(3)地表调查及地下水情况：地表山体植被发育，多为灌木，地表水通过沟谷往两侧地势较为平缓谷地排泄，水体主要靠下渗及地表径流排泄，隧道设计标高高于最低排水基准面，地表水主要由大气降水补给，水量小，受季节影响明显。场区地下水类型为松散岩类裂隙孔隙水、强风化层基岩裂隙水和岩溶水。

(4)分析判定：根据设计情况、超前地质预报情况，结合地表实地调查及洞内渗水情况分析，掌子面及溶洞内均无明显成股水流，仅有表面裂隙渗水，施工时间为8月中下旬，正值雨季，降雨期施工过程中未发现溶洞内水流有明显增大情况，综合判定该溶洞与地表间未形成直接水流通道，溶洞内渗水主要通过基岩裂隙水补给产生。

3.2.3 处理方案

由于ZK6+000掌子面拱顶上方溶洞中的粘土及孤石处于不稳定状态，故采用机械设备进行洞渣回填，回填过程中预留混凝土泵送管及吹砂管，隧道两侧分别预留3根∅108 mm排水管，排水管长度7～8 m。回填至拱顶下方1.5 m时，采用砂袋码砌封口，向拱顶泵送C20混凝土，混凝土厚度不小于4.5 m，然后向混凝土顶部吹砂，吹砂厚度不小于1.5 m；后续施工过程中，ZK6+000～ZK6+020支护参数由IV级调整为V级，提高结构安全系数，超前小导管由一排增加为两排，小导管采用∅42 mm×4 mm热轧无缝钢管，长度为4.0 m，环向间距均为40 cm，纵向间距分别为2.4 m和1.8 m，角度分别为10～15°和30～40°，小导管尾端焊接Φ8 mm钢筋加强箍并固定在钢拱架上，取消双排小导管处系统锚杆；保留原设计防水板、无纺土工布结构防水层，每10 m增设3根环向排水管。具体处理措施如图6所示[1-3]。

图6 ZK6+000溶洞回填处置

4 涌泥处理施工技术

4.1 基本情况

YK6+614～YK6+604段设计为IV级围岩，开挖至YK6+614里程处，进行初期支护施工过程中，掌子面拱顶开始有水渗出，随后渗出浑浊水流，施工人员撤离现场，最后大量溶洞充填物从拱顶涌出，发生涌泥，涌出物呈流塑状，堆积体坡脚至掌子面距离约10 m，坡脚外流出泥浆状物长度30 m，平均厚度60 cm，涌出物约700 m3。受涌泥及坍塌影响，YK6+614～YK6+626段拱顶出现环向裂缝，裂缝长度1.0～1.5 m，拱顶局部产生沉降。

4.2 应急处理措施

逐段清除坍塌体至YK6+624附近，清理过程中设专职安全员观察洞内情况，若发现坍塌体有往外挤出等二次坍塌涌泥迹象，应立即停止清理工作，并及时撤出人员及机械，确保施工安全。清泥至YK6+624附近后，为便于机械行走及防止坍塌继续，逐步采用块石及石渣对坍塌体进行挤压换填，形成作业平台，清除涌泥至YK6+614附近后，对坍塌体采用20 cm厚C20喷射混凝土封闭，然后采用6 m长∅42 mm×4 mm注浆钢花管对坍塌体进行注浆加固，然后进行超前地质预报探测坍塌长度及坍塌塌腔边界。同时尽快施工右洞仰拱及二次衬砌，尽量将二次衬砌跟进至坍塌段附近，为坍塌段处治做好准备工作。

4.3 超前地质预报情况

通过采取超前水平钻孔及地质雷达探测，判定造成涌泥及坍塌的原因是：掌子面前方拱顶发育一填充型溶洞，YK6+614掌子面前方岩体局部发育裂隙破碎带并富水，裂隙间存在软弱夹层，岩体结合性差，开挖后自稳能力差，掌子面岩体易产生挤压变形，开挖后掌子面岩体产生振动，不能承受拱顶溶洞填充物的重力，导致填充物涌出。由于拱顶溶洞存在，掌子面前方10 m范围内围岩等级由IV级调整为V级。根据超前水平钻孔揭示，掌子面前方25 m范围均为岩土体充填，无溶洞发育；通过斜向上超前钻孔揭示，涌泥塌空区前方拱顶被1～2 m厚填充物覆盖，覆盖物顶部存在塌方空洞，溶洞沿隧道纵向长度约18 m(YK6+612～YK6+594)，受钻孔角度限制，未能揭示出溶洞具体高度；地质雷达有效探测范围所探测出塌空区初步尺寸：宽度为1～8 m,长度为18 m，高度为4～7 m。

4.4 掌子面前方加固处理措施

在掌子面拱顶部打设2孔泄水孔进行排水；YK6+614～YK6+630段两侧拱脚部位各补打2根3.5 m长∅42 mm×4 mm锁脚小导管，拱部120°范围内采用4 m长∅42 mm×4 mm小导管注浆加固围岩，小导管梅花形布置，间距1.0 m×0.8 m(环×纵)；将YK6+614～YK6+604衬砌类型由WS-IVa调整为WS-Va，采用间距60 cmI20a工字钢代替间距100 cmI14工字钢；采用∅108 mm超前大管棚代替超前小导管，管棚长度15 m，环向间距0.4 m，纵向排距2.4 m，共布设3排；YK6+614～YK6+604段初期支护施作过程中，在拱顶溶腔部位预埋混凝土泵送管及吹砂管，待初期支护稳定后泵送C20混凝土填充溶腔，混凝土厚度不小于3 m，混凝土泵送完成后进行吹砂，吹砂厚度不小于1 m；YK6+614～YK6+604段增设2根环向排水管排水。具体处理措施见图7。

4.5 掌子面后方影响段加固处理措施

对掌子面后方YK6+614～YK6+624段已完成初期支护进行加固处理，具体措施为：拱顶每2榀拱架间补打6根∅42 mm×4 mm注浆小导管，环向间距40 cm，对掌子面后方影响区拱顶注浆加固；每处拱脚工字钢接头部位增设2根3.5 m长∅42 mm×4 mm锁脚锚杆并注浆加固；在初支喷射混凝土内侧增加环向临时I18工字钢支护，工字钢间距1 m且应与初支紧贴。待初期支护稳定后，对侵限超过10 cm处工字钢单元进行换拱处理，换拱时掌子面不得进行施工，换拱应逐榀进行拆换。侵限未超过10 cm部分采取对二次衬砌加强措施，将原设计的二次衬砌素混凝土调整为钢筋混凝土。

5 结束语

旧州隧道施工过中遇到溶洞、采空区、坍塌、涌泥等多种不良地质，通过调整围岩等级及支护参数，采取管棚加固、小导管加密注浆、泵送混凝土及吹砂回填等措施，保证了隧道结构稳定性及运营期安全性，积累了岩溶地区复杂地质条件下隧道施工管理经验。