高瓦斯隧道岩溶富水段隧底冲击钻孔桩施工技术研究

陈富贵CHEN Fu-gui

（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121）

0 引言

随着我国综合国力的提升及交通事业的迅速发展，高速铁路施工技术愈发成熟，“高铁”俨然成为我国新时代走向全世界的一张亮丽名片。国内近年来高速铁路已向西南、西北等偏远地区辐射，尤其是川藏铁路线的建设施工，在未来即将形成一条贯穿我国东西地区的高速通道，我国高速铁路事业也将迎来一个新的高峰。与此同时，高速铁路施工过程中遇到的地质情况也越来越复杂，施工难度也越来越大。

成贵高速铁路线观音山高瓦斯双线隧道全长4294m，主要不良地质有：浅埋、煤层瓦斯、岩溶、断层破碎带等，复杂的地质条件给隧道施工带来了极大的施工难度及极高的安全风险。为确保隧道施工及后期运营安全，参建各方会商研究了多种针对性处理技术措施，其中高瓦斯段附近的隧底填充型深岩溶采用桩基筏板结构加固处理，由于高瓦斯煤系地及桩基筏板结构均在一般隧道施工中不常见，一般桩基施工技术措施不能安全有效的适用于高瓦斯隧道，故对高瓦斯隧道岩溶富水段隧底冲击钻孔桩施工技术进行了研究，增加了有效的安全保障技术措施、改进了桩基施工工艺及工法、提高了施工质量、确保了施工安全及进度，并降低了人工成本。

1 工程概况

新建成贵铁路观音山隧道位于贵州省毕节市大方县境内，全长4296m，中心里程为D3K413+027，为高瓦斯隧道。隧道穿越地层主要为三叠系灰岩、泥岩，二叠系燧石灰岩、硅质岩夹页岩、页岩夹煤层以及白云岩，以Ⅳ级、Ⅴ级围岩为主。不良地质主要为岩溶、浅埋、煤层瓦斯、断层破碎带等，隧道初始风险等级评定为“极高”。其中隧道1900m 位于地下水水平循环带上，隧道平常涌水量为16801.8m3/d，雨期最大涌水量为33603.6m3/d，岩溶及岩溶水强发育。

2 隧底填充型深岩溶的危害

隧底填充型岩溶具有发育形态复杂不规律及隐蔽性强等特征，对铁路、公路隧道工程的危害主要体现在施工期间及后期运营两个方面。

2.1 对隧道工程施工期间带来的危害

隧底填充型岩溶对隧道工程施工的危害主要有两个方面：一是填充型岩溶本体对隧道施工的危害，施工过程中易发生突泥涌水、掉块等事故；同时填充型岩溶影响范围内围岩应力分布不均匀，容易造成隧道初支及衬砌结构不均匀沉降，从而支护、衬砌砼变形开裂或掉块。二是其与地表及地下水系联通，为岩溶水危害隧道工程的通道，尤其是在雨季时，随着岩溶水水量增大，隧道周边水压力增大，致使填充型岩溶影响段极有可能发生隧道结构物开裂、突起、掉块，严重时突泥涌水、坍塌，更严重时可能造成山体滑塌、开裂，给施工单位造成不可预估的损失，为社会稳定带来不良影响。

2.2 对后期运营带来的危害

隧底填充型岩溶对隧道工程后期运营的危害主要有两个方面：一是隧底填充型岩溶发育形态复杂不规律，设计及施工单位对其认识不足，设计加固处理措施不足够强、施工技术措施不到位，致使隧底围岩加固处理效果不能保证后期运营需求；二是隧底填充型岩溶隐蔽性强，虽然在施工过程中对隧道周边5m 范围内围岩进行了隐伏岩溶探测，但仍有部分填充型深岩溶未能及时发现处理，后期运营时在地震、暴雨等外界条件的影响下，岩溶影响范围的隧道衬砌结构发生变形、开裂、掉块、隆起、出水等现象，造成公路或铁路不能正常运营，严重时危及人民生命财产安全、影响社会稳定。

3 隧底填充型岩溶加固处理技术措施

针对隧底填充型岩溶，施工现场常用的加固处理技术措施主要有3 种，分别为混凝土换填处理、钢花管注浆加固处理及桩基筏板结构加固处理。若隧底填充型岩溶位于岩溶富水段、竖向发育较深且影响范围大，为确保加固处理效果，最好选用桩基筏板结构加固处理；在高瓦斯隧道中，为确保施工安全及桩基筏板结构受力效果，桩基采用冲击钻钻孔桩。

4 高瓦斯隧道隧底冲击钻孔桩施工技术措施

为确保高瓦斯隧道冲击钻孔桩施工安全，现场组织施工时，首先是要严格落实高瓦斯隧道施工安全保障措施，其次是对岩溶段已支护结构进行二次套撑加固且加强围岩监控量测，然后才是根据隧道内断面尺寸及其他作业施工情况，积极研究改进冲击钻孔桩施工技术，安全、快速、有效的组织施工。

4.1 高瓦斯隧道冲机钻孔桩施工安全保障措施

图1 瓦斯检测及通风设备平面布置图

图2 瓦斯检测及通风设备立面布置图

根据瓦斯隧道施工技术规范及其他行业标准的相关要求，为确保高瓦斯隧道施工安全，施工前必须采取相应安全保障措施，具体有：持续加强对钻孔桩施工及管理人员就高瓦斯隧道施工安全管控措施及钻孔桩施工技术方面进行培训学习，增加射流风机、局扇等通风设备，施工期间不间断通风，避免瓦斯及其他有毒有害气体积聚；增设瓦斯监测检测设备，与自动监控系统连接，对该段瓦斯浓度时时监控；配置专职瓦检员、安全员，施工时不间断进行瓦斯检测及安全管控，一旦发现异常及时指正整改；严格落实高瓦斯隧道动火作业审批制度，施工作业时瓦检员、安全员、监理人员必须全程盯控；对所用设备电力线路进行防爆更换。

4.2 原初支结构加固及围岩监控措施

4.2.1 隧道拱部初支增设套拱加固措施

冲击钻钻孔桩施工周期较长，冲孔震动及岩溶水冲蚀容易引起拱部填充型岩溶及岩层滑动沉降，致使原初支结构变形、开裂、掉块，严重时会坍塌，存在极高的安全隐患。为确保钻孔桩施工时原初支结构稳定及作业人员、机械设备安全，施工前在原初支内侧增设套拱加固，套拱结构由型钢钢架+喷射砼组成。

4.2.2 围岩监控量测措施

原初支结构套拱加固完成后，重新钻孔布设监控量测点，每5m 一个断面，每个断面5 个点，分别为拱顶、两侧拱腰、两侧拱脚。测量人员每天测设2 次，然后进行收敛、沉降数据分析，掌控周边围岩变化情况，一旦发现异常及时采用应急措施，确保施工安全。（图3）

图3 围岩监控点重新预埋示意图

4.3 钻孔作业平台位置的选择

受隧道断面尺寸及交叉作业环境的影响，高瓦斯隧道内冲击钻钻孔作业施工难度大、危险高，钻孔作业平台位置的选择非常重要。隧道内可作为钻孔平台的平面位置有两处，一是仰拱底平面，二是仰拱填充顶平面。经比选将仰拱填充顶平面设为钻孔作业平台，优点：施工安全性高，不开挖仰拱可更好的确保原初支结构的稳定性且避免了隧道内深基坑施工、移动栈桥施工风险及深基坑内瓦斯积聚风险；施工进度快，可满足至少2 台钻机同时施工且不影响其他作业面施工，保证了隧道整体施工进度；降低了废弃泥浆抽排成本，废弃泥浆碴体可自然流入中心水沟排至洞外。

4.4 泥浆池位置的选择及钻孔顺序的规划

4.4.1 泥浆池位置的选择

为方便施工及泥浆清排，泥浆池选择在桩基施工段靠下坡端端头，靠端头施作一条排水沟，可将废弃泥碴自然排放至中心水沟流走，节约抽排费用。根据施工段两端桩基的深度，确定泥浆池隧道在左、右侧位置，为确保施工进度，泥浆池位置选择短桩侧。

4.4.2 钻孔顺序的规划

为确保施工进度且不阻断交通影响其他作业面施工，施工现场根据桩基施工区域场地的大小选择几台冲击钻孔设备。在选用2 台以上冲击钻机同时施工时，钻孔顺序的合理规划是隧道内冲击钻施工的重要环节，直接影响施工进度、质量、安全。规划时要注意：各台钻机必须分左右两侧错开布置，纵向间距不小于10m，不能在同一横断面施工，要充分考虑多台钻机同时施工所产生的冲击振动叠加对隧道初支、孔桩泥浆护壁带来的危害；要确保多台钻机同时施工时，不阻碍交通，隧道内各工作面施工正常。（图4）

图4 钻孔桩及泥浆池位置阶段布置示意图

4.5 桩位测量放样

4.6 钢护筒安装

钢护筒钢板材质必须符合设计要求，内径应大于设计桩径200mm，其上部开设1～2 个溢浆孔。钢护筒采用挖机或随车吊安装，安装时钢护筒中心与桩位中心对中，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于20mm，护筒的倾斜度不大于1% 且护筒顶高出作业平台不小于30cm；护筒外侧基坑回填要层层压实，确保护筒安装稳定。护筒安装好后，必须埋设十字定位护桩，便于后期桩位检测，十字定位护桩外露部分缠绕贴设反光条，警示且保护定位桩不被破坏，若破坏及时补设。

4.7 钻机就位

钻机设备转运至隧道内作业面开始组装，钻机基座下必须安放枕木或工字钢，确保钻机安装平稳，施工中不移位、不倾斜；冲锤钻头中心与护筒中心必须对中，误差不得大于20mm；钻机支架设备顶部低于初支面不小于15cm，确保冲击施工时震动不破坏初支结构。钻机安装完成后，在护筒内注入泥浆，进行试机，对钻机的稳定性、运行情况、用电安全等进行全面检查，在检查安全、合格后方可正式施工。

4.8 冲击成孔

冲击钻孔是钻孔桩基施工中的关键工序，在冲钻过程中，应认真注意地质变化情况，严格掌握钻进过程中各阶段桩底标高、桩孔内泥浆面标高、泥浆比重、冲程及松绳量等基本数据，并应经常检查钻头转动装置是否被钻碴卡住、钢丝绳是否有断丝现象、孔位是否偏移等，确保施工安全及质量。

4.8.1 冲击钻孔

冲钻开孔时，宜采用小冲程（0.5～1.0m），使成孔坚实、竖直、圆顺，对继续钻孔起导向作用；当钻进深度超过钻头全高+冲程后，则可进行正常冲击，冲程可采用2～3m，此时要多投粘土，增大泥浆浓度，以利浮碴，提高钻进速度。正常冲钻时，起落锤速度要均匀，保持冲程，低锤勤击，以免造成斜孔、卡钻、塌孔、漏浆等故障。同时在钻孔过程中要收集孔内碴样，以便复核桩基周边地质情况。

4.8.2 成孔检查

桩基冲钻深度至设计位置后，检查桩底碴样，若碴样为碎小灰岩等硬质岩且桩基整体碴样反应地质情况与设计相符，则开始检查钻孔孔径、钻孔垂直度，检查合格后开始清孔；若碴样为泥岩及少量泥块，则现场钻孔揭示地质情况与设计存在差异，需暂停施工，及时向设计单位反应，研究处理措施。

马克·吐温是美国著名的幽默讽刺大师，他的小说在幽默诙谐的反讽中夹杂着对社会腐败黑暗和人性自私丑恶的讽刺和批判，因此，反讽是其作品最重要的艺术特色之一。而陈光明的《马克·吐温幽默小品欣赏》译本选取的是马克·吐温的早期作品[1]，其主要风格特色为幽默反讽，其中的选文典例十分符合本篇论文要研究的主题：马克·吐温反讽修辞的传译方法与效果。

4.9 清孔

清孔分为两个阶段，第一阶段清孔：在桩基成孔之后，是为了清除终孔后滞留在孔底及泥浆中的石碴，检测孔深第二阶段清孔：在钢筋笼安装之后，是为了清除吊装钢筋笼时沉底的泥夹碎石浮碴，检查浮碴厚度，确保孔深。两个阶段均采用换浆法，待孔底沉碴厚度及孔内内泥浆各项指标符合验标要求后，清孔完成。

4.10 钢筋笼的加工及吊装

4.1 0.1 钢筋笼加工制作

钢筋笼的加工制作与钻孔同步进行，且钢筋的材质及加工质量必须符合设计及验收标准，钻孔结束后可以立即吊装施工，确保施工进度及钻孔质量。钢筋笼加工时，必须考虑隧道内钢筋笼吊装空间及机械设备的吊装能力，5m 以上桩基钢筋笼要分节加工编号，单节结构尺寸主要分为三种：桩底单节钢筋笼、中间各单节钢筋笼、桩顶单节钢筋。

4.1 0.2 钢筋笼转运吊装

受隧道断面尺寸限制，钢筋笼转运及吊装设备采用10t～15t 的随车吊，单节钢筋笼之间连接采用焊接方式，螺旋箍筋与竖向主筋之间采用绑扎连接。安装到位后采用与主筋同规格钢筋将钢筋笼与钢护筒连接，确保砼灌注时钢筋笼不上浮。

4.1 0.3 声测管的加工及安装

声测管材料及数量必须符合设计要求，每根桩基声测管的加工长度与单节钢筋笼尺寸基本一致，但在桩顶位置时，声测管顶端要高于桩顶标高不小于20cm。为避免声测管堵塞，每根桩基的声测管加工完成后，要进行气密性试验，确保声测管加工及安装质量；现场安装时声测管声测管与钢筋笼绑扎连接牢固可靠，且声测管顶部采用圆木楔塞堵，外部采用土工布包裹密实且绑扎牢固。

4.11 导管安装

导管采用灌注砼专用钢管，导管顶部与钢漏斗连接。钢漏斗的直径及深度与桩径的大小及水下砼灌注作业有关，加工制作时要做好计算。

整个导管灌注结构采用钻机设备钢丝绳吊悬，可以上下活动，使用前先进行试拼、试压，并自上而下作标尺和编号。底节导管管口距桩基距离约为导管直径加10cm，导管下到最深时，钢漏斗底部搭设工型钢井字架上，井字架扣于护筒口上，防护导管倾斜。导管安全完后，现场施作气密性试验，检查导管及导管连接质量，若存在漏气，及时更换或重新安装。

4.12 水下砼灌注

导管安装及孔内泥浆各项指标均检测合格后开始水下桩基砼灌注。砼出站必须检测合格，砼灌注工作应连续进行，避免中途停顿。在灌注过程中，应经常探测孔内混凝土面位置，及时调整导管埋深，导管的埋深不宜小于1m，但也不宜大于3m。当导管埋深随混凝土面逐渐提高超过一节管长时，可在支架处拆除漏斗下的一个管节，拆除导管动作要快，并防止螺栓、橡胶垫及工具等到掉入孔内，然后接好导管继续进行灌注。当导管内混凝土不满，含有空气时，后续混凝土灌注应徐徐灌入，不可整斗的灌入漏斗而进入导管，以免造成混凝土出现夹层、离析或堵管。混凝土灌注顶面控制在桩顶设计桩高以上0.8～1.2m，以便清除浮碴，混凝土顶面以测绳配以钢筋杆触探确定，避免出现短桩。

4.13 破桩头及桩基检测

为确保破桩头时桩基顶部混凝土及钢筋不被损坏，影响桩基施工质量，现场采用环切法破除，破除高度为桩顶标高以上10cm。桩头破除后，首先按照桩基检测相关要求对桩头砼进行人工处理，然量测声测管长度，查验是否存在堵塞现象。若无堵塞，立即联系第三方质检单位人员采用声波透射法进行桩基检测；若堵塞立即疏通处理。堵塞长度过大，无法疏通时，采用取芯钻机重新钻设检测孔。

4.14 钻孔桩施工环保技术措施

在钻孔灌注桩施工中泥浆全部通过中心水沟排至洞外，在洞口经三级沉淀池沉淀后排至地方沟渠，沉碴定期清理至弃碴场晾晒处理，杜绝现场泥浆乱排现象。在钻孔沉碴转运时派专人对施工道路以及当地道路进行清理，防止沉碴内泥水造成施工道路和当地道路泥泞。

5 效益分析

通过对“高瓦斯隧道内岩溶富水段隧底冲击钻孔桩施工技术”的研究与应用，成贵高铁线观音山隧道安全、高效的完成了隧底填充型深岩溶软基加固处理194 延米，完成桩基122 根，冲击钻钻孔总深度2748m，桩基无质量问题，经检测均为为Ⅰ类桩，节约成本76.78 万元。施工过程中将高瓦斯隧道及冲击钻钻孔施工安全技术措施严格落实到位，有效避免了突泥涌水、有毒有害气体等安全风险，未发生任何安全事故；施工质量可靠，隧底深岩溶软基加固效果良好，可持续时间长，减少了隧道内富水软基段仰拱凸出、沉降现象，直观有效的保证了后期运营安全。为成贵线高瓦斯隧道内桩基筏板结构顺利安全完工做出了示范性贡献，得到了建设及监理单位的一致认可，具有良好的推广前景。

6 结束语

本冲击钻钻孔桩施工技术研究主要适用于双线或三线隧道内岩溶富水段深岩溶软基加固处理，尤其是高瓦斯隧道。但在技术方案比选时要注意隧道断面尺寸，靠近两侧边墙位置的隧道垂直空间高度是否满足冲击钻设备的工作高度，若不满足且不能进行方案优化时不建议考虑冲击钻灌注桩施工。在岩溶隧道施工过程中，要高度重视岩溶对隧道工程施工及后期运营的危害，要加强落实超前地质预报及隐伏岩溶探测技术措施，及时发现且采用科学有效的技术措施进行加固处理，将岩溶隐患消除在施工阶段。积极研究隧道岩溶处理技术措施，确保隧道施工及结构安全，提高施工质量及处理长久效果，保证后期运营顺利、稳定、安全。