岩溶溶腔侵入高铁隧道先通过后治理施工技术研究

陈文尹

(中国中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 232000)

0 引 言

中国几乎各省区都有不同面积的石灰岩的分布，广西地区出露的面积最大，达12万km2，约占广西全区总面积的60%。新建南崇(南宁-崇左)铁路是中国与东盟半岛的交通大动脉的重要组成部分，具有巨大的战略、社会和经济价值。南崇铁路途经我国岩溶最为发育的广西中西部地区，分布着连绵成片、形态各异、挺拔峻峭的石灰岩山峰，如图1所示，隧道施工过程中隐伏溶洞数量多、规模大、分布无规律、施工难度大，给施工进度带来巨大的影响[1,2]。

图1 广西岩溶发育山峰图

由于溶洞的不可预见性，岩溶对洞室稳定性的影响是多方面的，岩溶的大小、位置及填充状况对隧道位移场、应力场和隧道支护结构内力变化的影响及对隧道施工都会产生影响。国内外不少学者对地下溶洞的稳定性进行了研究。一般都将溶洞看做是已经存在的天然洞室，隧道的施工可认为是近接施工，通过位移、塑性区、能量突变等稳定性判据得到相应的安全距离或研究隐伏溶洞与隧道间岩层厚度的承载力，由此判定溶洞与隧道的稳定状态。然而对于施工过程中揭示的溶洞，大多采用“先治理后通过”的方式，即先对溶洞进行处治，使其稳定后再开挖掘进，此施工方法在溶洞处治过程中停滞了隧道的开挖，严重制约了隧道的向前掘进速度，施工效益较差。

基于以上的背景，如何通过快速处治或有效快速临时加固溶洞，保证施工掘进不间断，然后再对溶洞进行处治，加快施工速度，是施工单位面临岩溶溶腔施工时面临的重要问题。

1 依托工程及溶洞分布形态

南崇铁路渠那隧道位于广西自治区扶绥线境内，全长1 345 m，隧址区地表可见洼地、溶洞、岩溶漏斗发育，岩溶强烈发育。施工过程中深埋段已经揭露或者探明的溶洞多达121个，虽然每个溶洞大小、位置、形态各异，但仍然存在着一定的规律，分析如下。

1.1 岩溶溶腔所处位置及发育走向

通过对渠那隧道深埋段已经揭露或探明的121处隐伏岩溶的相对位置和发育走向进行统计结果见表1和2。

表1 溶腔相对位置统计表

表2 溶腔发育走向统计表

通过岩溶溶腔相对位置与发育走向的统计发现：溶腔主要集中在隧道的拱顶(37.2%)、拱腰(32.3%)和拱肩(11.5%)处，拱脚和仰拱处相对较少；同时溶腔的发育主要沿隧道纵向(85.1%)，即大部分隐伏溶洞平行于隧道中心线或者溶腔主发育线与隧道中心线所形成的的夹角小于10°。

1.2 岩溶腔形态、大小及填充情况

溶腔的形态和大小进行统计结果如表3和表4所示。

表3 溶腔形态统计表

表4 溶腔大小统计表

溶腔形态主要表现为圆柱形(79.3%)；同时并不发育，主要集中在0-10 m(98.3%)，即大部分溶腔是小于0.8倍隧道跨度(跨度D为14.3 m)。

在汇总统计中发现占比90%以上的溶腔是干溶洞，且无填充，少于10%的溶腔会存在一些松散性填充物质，但均未发现该区段有富水承压型岩溶存在，溶腔整体的稳定性较好。

2 施工工艺原理

通过对于渠那隧道岩溶溶腔的调查分析，表明溶腔的整体稳定性较好，通过一定的快速处治，以拱盖的方式进行跨越，具备“先通过后治理”的前提条件，基于此提出了相应的施工工艺原理。

(1)对于顶部溶洞判别后的干溶洞利用其自身稳定较好，采用喷射混凝土进行临时封闭，确保其稳定性。

(2)在顶部空溶腔处，通过上一榀拱架作支承点，通过刚拱架+超前锚杆(管)+网片组合以小角度向外侧悬挑出去，通过喷射混凝土支护后，提前形成拱盖的方式，先对溶腔进行跨越。

(3)通过对揭示溶洞的判别分析，在岩溶溶槽中周边选择较稳定的岩体采用砂浆锚杆进行固定，利用砂浆锚杆的黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，在已插打的锚杆上挂设钢筋网进行锚喷加固。

(4)隧道开挖初支完成后对初支背后的溶洞进行回填混凝土和回填缓冲层砂层处理，同时做好隧道防排水系统。

(5)通过对隧道底部溶洞的洞渣回填处理，采用桩板结构跨越隧底溶洞并进行加固。

3 施工流程及技术要点

3.1 施工流程

岩溶溶腔侵入隧道先通过后治理的施工流程详如图2所示。

图2 施工流程图

3.2 技术要点

3.2.1 施工准备

通过地质调查分析和地质雷达扫描推测开挖工作面前方可能揭示地质情况，地质钻孔法对掌子面前方及周边的围岩地质情况探测，综合检测确定溶洞的范围、大小及有无填充物等情况。

3.2.2 超前支护

上台阶开挖前，采用单排Φ42×3.5 mm@500 mm小导管对拱腰以上进行超前支护。首先采用风动凿岩机钻孔，钻孔长度为4.5 m，外插角一般为10°～15°，可根据实际情况作调整。将超前小导管在加工厂制作完毕后，运至掌子面并插入钻孔，安装完毕后采用1:1水泥浆进行注浆，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆完毕后采用锚固剂进行封堵，至此上台阶注浆预加固处理完毕。

3.2.3 溶洞类别判定

通过开挖洞身后揭示溶洞位置情况(隧顶或隧底)，对溶洞类别进行判断，制定快速处理措施。

3.2.4 溶洞临时处理

(1)拱部溶洞。先揭示溶洞周边破碎围岩应采用机械排除，并对填充物进行清除。对溶洞内壁喷射10 cm厚的混凝土封闭溶洞，然后在溶洞内打设砂浆锚杆固定岩体，挂钢筋网片锚喷加固。采用多功能作业台架在隧道掌子面溶洞处施工超前支护钢管孔、安装锚杆，在溶洞处架立型钢拱架支撑及铺设钢筋网片。预埋回填3 m长的混凝土管和5 m长的中粗砂泵管，并在初支背后预埋直径100 mm的PVC管，管口接入集中出水点，末端直接弯入中心水沟，纵向间距1 m。最后采用湿喷机湿喷混凝土形成拱盖支护。

(2)底部溶洞。初期支护加强：对其钢架的C型接头附近位置增设6m长锁脚锚管(Ф42)，锚管与型钢骨架采用Ф22U型钢筋焊接，每榀钢架4根，左右各2根。锁脚全部施工完毕后，在纵向每排桩基的中间位置(桩间距中心大小里程侧各3 m)增加临时仰拱，并完成初喷作业。在隧底位置的溶洞回填洞渣处理，回填至标高后采用压路碾压平整。

2.2.5 开挖支护

采用光面爆破方式对上下台阶掌子面进行钻孔爆破开挖。

开挖完成后对洞身进行初喷，施作拱顶Φ22砂浆锚杆、Φ8钢筋网片、工字钢、纵向连接钢筋，对拱架拱脚处施作3.5 mΦ22锁脚锚杆，最后进行喷射混凝土封闭施工。

3.2.6 溶洞后处理

拱部溶洞：采用高压泵送回填混凝土，对于溶洞高度大于5 m的，回填C20素混凝土+中粗砂。如图3所示。

图3 预埋混凝土管和砂管示意图

①采用地质雷达扫描仪对已处理完成的初支面进行地质雷达扫描，验证混凝土和中粗砂回填的质量。

②通过监测数据的处理、分析，掌握和预测施工中围岩、支护的力学状态及稳定程度，验证支护结构施做效果，确认支护参数和施工方法的准确性。

底部溶洞：根据底部承载力情况进行桩基加固施工，保证基底的承载力。

4 施工安全数值分析

4.1 数值计算模型

根据实际情况模拟隧道所处的地形、隧道埋深及隧道开挖的开挖过程，模拟计算采用FLAC 3D有限差分元通用程序。为充分模拟隧道的空间效应，计算模型所取范围是：根据实际工程情况沿横向取120 m，深度取隧道仰拱下方25 m，拱部以上40 m；约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面；计算中地层采用弹塑性实体单元模拟，初期支护、加强初期支护采用弹性实体单元模拟。三维数值计算模型见图4所示。

图4 模型网格划分图

分别选取了先治理后通过和先通过后治理两种工况开挖模拟分析。

4.2 计算参数

围岩及衬砌材料的物理力学指标和混凝土材料物理参数根据《铁路隧道设计规范》和地勘结果选取，所确定的计算参数见表5和表6。

表5 围岩计算参数表

表6 混凝土材料物理力学参数表

4.3 计算结果分析

4.3.1 围岩位移分析

变形的数据主要采集了拱顶和边墙初期支护的变形量。分别如图5和图6所示。

图5 拱顶沉降对比图

图6 右边墙变形对比图

4.3.2 围岩应力分析

边墙部位的竖向应力的数值对于结构的稳定有重要表征作用，左右边墙的竖向应力发展规律如图7所示。

图7 左右边墙的围岩竖向应力发展规律

从图7中可以得到如下的规律：

(1)由于拱腰部位存在溶洞，受溶洞的影响，整体隧道及围岩承受明显的偏压影响，右侧的应力要明显高于左侧应力的情况；

(2)竖向应力明显大于水平向应力，边墙的竖向应力最大，拱部水平应力较大；

(3)先通过后治理的围岩应力要小于先治理后通过的情况，但是二者数值差别并不大。

4.3.3 初期支护变形及应力数据分析

初期支护在施工中将承担主要的荷载，因此其变形和受力情况对于隧道结构的整体安全有着至关重要的影响。分别取竖向变形数据和竖向应力数据进行分析，如图8～图11所示。

图8 先治理后通过的初期支护竖向变形图

图9 先通过后治理的初期支护竖向变形图

图10 先治理后通过的初期支护竖向应力图

图11 先通过后治理的初期支护竖向应力图

从图8～图11中可以得到如下规律：

(1)初期支护的变形中，拱部的竖向变形是最大的，右侧的水平向变形是最大的；

(2)先治理后通过的情况下，变形及应力均小于先通过后治理的情况，但是二者差别不大；

(3)初期支护的应力最大值为3.2 MPa，远小于材料的容许应力，表明结构有较大的安全冗余。

5 现场实测数据分析

在南崇铁路隧道开挖完成到DK58+395断面时，由于隧道的扩挖，发现拱肩处存在一个大溶洞，溶洞大小为洞径7 m(约0.5D)，位置相互关系如图12所示，距离隧道轮廓线1 m，沿隧道纵向发育10 m无水无填充的溶洞，如图13所示现场情况。

图12 隧道与溶洞相对位置图

图13 隧道现场图

埋设压力盒和应变计，其埋设位置和编号如图14所示。

图14 监测元件埋设示意图

测得的围岩压力最大值的分布规律如图15所示，钢架的弯矩和轴力如图16和图17所示。

图15 测点围岩压力分布图

图16 钢架弯矩图

图17 钢架轴力图

基于现场监测发现：溶洞位于隧道拱部时，围岩压力、初期支护的弯矩和轴力在靠近溶洞一侧都比另外一侧大，通过初步处治快速通过后，结构的安全仍然是满足要求的，表明先通过后处治的施工方法是安全且适用的。

6 结 论

本文以南崇铁路渠那隧道实际工程为依托，对该工程采取的施工方法进行分析，得到了如下的研究结论。

(1)渠那隧道岩溶溶腔数量多，规模大，以纵向分布为主，多圆柱形，不发育，以干溶洞为主，整体稳定性较好；(2)提出了先通过后处理的工艺原理和技术要点，数值计算及现场实测表明，在溶洞半径为5 m以下时，先通过后处理的方案安全性是满足要求的；

(3)先通过后处理施工技术有效减少了溶洞处理对隧洞掘进的影响，具有施工速度快，安全可靠的优点。