隧道盖挖法穿越大型无填充溶洞施工技术

摘要：文章以广西大新县境内岩溶区某高速公路隧道穿越大型无填充溶洞的处治实例，阐述了隧道盖挖法穿越大型无填充溶洞的具体施工工艺，应用此工艺使施工安全与质量均能得到有效保障，为解决隧道工程中类似不良地质状况提供了处治经验。

关键词：无填充；溶洞；盖挖法

中图分类号：U455.4A160523

0引言

随着广西公路建设规模与数量的增长，在喀斯特地貌区修建隧道的工程越来越多。当隧道穿越复杂的岩溶地区时，揭露出大型无填充溶洞较为常见，且大型溶洞极易引发施工安全与质量问题，而采用盖挖法穿越大型无填充溶洞，工艺简单、操作便捷、质量可控、安全有较大的保障。

在岩溶区修建隧道的处治方法研究方面：李治国［1］主要提出了岩溶处理的原则，探讨了隧道中不同类型岩溶的处理方法；有学者针对岩溶空腔处理措施开展了研究［2-3］。在溶洞处治与隧道施工的相互影响研究方面：史世雍等［4］结合实际隧道工程，采用数值模拟方法研究了隧道顶部不同大小、不同距离的溶洞分布对隧道围岩稳定性的影响；周雪铭等［5］采用数值模拟方法对岩溶隧道开挖对溶洞处治结构的影响进行了研究。针对无填充溶洞的研究方面：杨毅［6］采用数值模拟方法针对隧道上方大型无填充型溶洞护拱厚度进行研究，表明护拱厚度至少为2 m时才能保证初期支护拱部的安全。在岩溶隧道地基处理方面：主要以桩基础加固处理方法为主［7-9］；余波［10］以近10 km长的深埋隧洞中遇到的岩溶地基问题为例，介绍几类典型岩溶地基的地质概况、存在的工程地质问题及其地基处理方法。

1工程概况

某隧道右洞YK218+890～YK218+940段岩质为中-强风化白云质灰岩，原设计是Ⅳ级围岩，采用XSD4a衬砌类型支护（间距1 m的14 cm×14 cm格栅拱架+喷射C25混凝土，二衬及仰拱40 cm厚素混凝土）。从小桩号往大桩号方向开挖至YK218+890时，在掌子面左侧揭露出大型无充填物溶洞，溶洞轮廓参差不平，长度为45 m，溶腔最大宽度为38 m，最大高度为32 m。溶洞左侧比洞室面干燥，溶洞右侧雨季有少量点状滴水，且洞壁多發育有白色钟乳石，溶洞仍在缓慢发展中，溶腔形成时间较漫长，目前具备完全自稳能力。由于溶洞轮廓参差不平，局部有危岩体发育，经十多天的观察、监测，溶洞内未发现有线状流水，平时有基岩裂隙水滴落，判断揭露溶腔上部无串珠状溶洞。洞内平时一般并无坍塌、崩塌现象，具备完全自稳能力。经过钻探揭露溶腔段左侧沉积黏土厚约13 m，湿，可塑为主，局部硬塑；土质不均，软硬互层，局部含碎石、块石，底部揭露有细砂。

2溶洞处治方案

为保证YK218+890～YK218+940溶洞段落处治过程及后期运营安全，综合考虑现场情况，采用盖挖法“先形成保护层再进行隧道开挖施工、排堵结合、分段治理、动态施工”的总体治理方案。为确保不暴露在溶洞中施工，先利用机械臂分层泵送C20混凝土至拱顶以上2 m，形成保护壳层。将该段衬砌形式由XSD4a调整为XSD5a形式（见图1）：10 cm预留变形量、50 cm厚C25喷射混凝土、I20b型钢拱架，间距50 cm、8 mm钢筋网20 cm×20 cm（双层）、土工布。针对K218+890～K218+940段掌子面左下拱脚为黏土溶腔填充物段落采取108 mm钢管桩+桩顶C30钢筋混凝土承台的方式对仰拱衬砌底部进行处治，并进行防排水加强，全断面防水板布设，出水较大段落要在出水点增设引水管，同时加密环向排水管及横向导水管（间距2 m/道），接入隧道排水系统。

3施工工艺流程

隧道右洞K218+890～K218+940段采用CD法开挖，先开挖左上导洞加固围岩后，逐步揭露溶洞，形成施工通道及平台；揭露溶洞后对溶洞进行排险，排险后对软土基础的溶洞低洼处回填大石块或石笼，使整个溶洞基础形成透水面且不形成积水；待透水层填筑完成后先浇筑一层混凝土，形成大范围平面后，再分层泵送混凝土至拱顶以上2 m，完成保护壳施工；保护壳形成后采用松动弱爆破的方法逐榀开挖并支护，施作防排水及二衬衬砌（见图1）。

施工顺序：从左侧揭露溶洞→溶洞排险→透水层施工→保护壳施工（人造围岩）→CD法开挖及初支→锁脚钢管→钢管桩+桩顶承台→隧底防排水施工→仰拱施工→拱圈防排水施工→二衬施工→溶洞处治完成。

4施工要点

4.1溶洞段排险施工

结合现场溶洞发育情况分析，溶洞顶高度为8～32 m，溶洞内壁总体较稳定，洞壁多发育有白色钟乳石，由于溶洞轮廓参差不平，局部有危岩体发育，对施工不利，不宜采用人工排险；施工护拱前，采用可伸缩、自带振动破碎锤的高空作业设备进行排险，将溶洞洞壁表面的松散岩体排除，排险过程安排专人指挥，确保排险施工安全。排险过程主要以清除松动围岩为主，不宜对溶洞洞壁进行过大扰动，避免增加溶洞段排险施工风险。

4.2透水层施工

溶洞排险完成后，从揭露通道处利用小型设备将大块石在软土基础上填出一条可供机械通行的便道，然后根据溶洞实际情况在溶洞低洼处回填大石块或石笼，形成透水层，使整个溶洞基础不形成积水。回填前需清理底部杂物或积水，保证回填质量及密实度。溶洞揭露后加强监测及安全巡视，在监测数据和巡视无异常后才能进洞施工；在揭露通道处需设置应急通道，并设置足够的照明设施，保证出现异常时人员能按照应急通道迅速撤离。

4.3混凝土保护壳施工

溶洞底部回填处理完成后，先泵送浇筑一层混凝土使溶洞整个基础形成一个平面。泵送第一层混凝土时，根据设计图纸，在第二层的回填边界处预埋2.5 m高48 mm钢管立柱，埋入混凝土层≥0.5 m，纵向间距为0.7 m，纵向1.4 m用钢管支撑在立柱上部，形成三角撑形式，防止浇筑混凝土时模板涨模、爆模；然后用15 mm厚木板作为挡板形成上层回填边界，使用地泵泵送C20混凝土至第二层模板顶面，浇筑顺序从距离揭露口最远处开始往回浇筑；每一层混凝土初凝后再安排下一次泵送确保结构安全，依次泵送至拱顶以上2 m，形成混凝土保护壳层。泵送前在试验室做好混凝土配合比设计，保证混凝土的和易性、流动性等指标达到自密实的效果。预埋的排水管需提前安装，地泵及泵管等准备工作做好之后才能进行混凝土施工，确保泵送混凝土的整体性，减少施工人员进入溶腔内施工的时间，降低安全风险。施工过程加密监控量测频率，每天早、中、晚各监测一次，通过监控测量数据指导泵送混凝土施工。

施工过程做好各位置高程及平面位置测量的控制，回填边界时上层与下层间隔1 m宽，保护壳每层高度为2 m，最后一层高度≤3 m。

混凝土填充保护壳时，在隧道初支外侧用12 mm光圆钢筋以间距20 cm×20 cm做成1.5 m宽的钢筋网，按1 m一层沿隧道开挖轮廓放置。钢筋网搭接应≥30 cm，以加强混凝土保护壳的整体性。

4.4钢管桩及桩顶承台施工

溶洞左下角为黏土溶腔填充物，拟采取108 mm钢管桩+桩顶C30混凝土承台的方式进行处治。当右洞下台阶护拱初期支护及锁脚锚管施作完成，监控量测各项内容稳定无异常后才能进行钢管桩施工。钢管采用108 mm×6.0 mm热轧无缝钢管，横向间距为60 cm，纵向排距为80 cm，矩形布设，桩底延伸至基岩面以下2 m。在钢管上钻注浆孔，孔径为10 mm，孔间距为20 mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔的止浆段200 cm，焊接需满足规范要求。钢管内放入由三根22 mm钢筋制成的钢筋笼，然后用M30水泥砂浆充填，以增强钢管的强度和刚度。钢管桩施工采用后压浆成桩工艺：钢花管外侧填充碎石后注浆，注浆时应控制注浆压力，使浆液均匀上冒，直至泛出桩头。注浆起始压力≥1MPa，终压为2～2.5MPa，注浆材料采用超细水泥浆及M30水泥砂浆。超细水泥浆水灰比为1∶0.5，水泥砂浆砂灰比为1∶0.1，水灰比为1∶0.5，加入0.25%的减水剂。施工时先采用超细水泥进行注浆加固桩周岩土，超细水泥浆应具有良好的和易性，扩散半径≥0.5 m，然后注入M30水泥砂浆填充钢花管及碎石。实际注浆参数以现场试验为准，并严格控制注浆质量，留存好各项验收资料。

钢管桩顶部采用C30混凝土基础承台，基础厚度≥50 cm，钢管桩顶部深入混凝土承台≥40 cm。承台底部放置  16 mm、25 cm×25 cm间距的钢筋网。承台施工前使用水准仪测量好高程，保证承台与仰拱底部有50 cm距离；同时根据现场底部岩层情况，承台与岩层搭接长度应≥1.0 m。承台外侧尺寸应不小于护拱最外边。

5监控量测方案

针对溶洞处治段落，制定监测项目，包括围岩和支护结构本身状态、收敛变形、结构内力、地下水涌水量和水压力等项目的观察。在溶洞内设立永久监测和视频观测点，对溶洞的发展和变形进行长期监测。监控量测项目有：拱顶沉降和周边位移观测；围岩与初期支护接触压力；钢架内力；喷射混凝土和二次衬砌内力；初期支护与二次衬砌之间压力；溶洞内布置永久用监控摄像头；溶洞观测等。

6施工效果

通过此方案对某隧道右洞YK218+890～YK218+940段大型无填充溶洞进行处治，取得了良好的效果，钢管桩+承台能简单有效地解决隧道左侧底部基础软弱问题，混凝土保护壳在隧道穿越溶洞的施工过程起到了有效的保护作用，隧道在开挖及初期支护过程中监控量测数据正常，隧道衬砌结构施工完成后稳定安全。

7结语

在本工程中采用盖挖法施工技术在无填充岩溶隧道工程中取得了良好的效果，在施工过程中要重点注意以下几点：

（1）及时跟进仰拱及二衬，保证安全步距。在整个处治过程中做好监控量测工作，加密布设监测点，增加监测频率。在右洞K218+871掌子面处采用地质雷达+钻孔的方式对掌子面前方围岩进行探测，分段验证后再进行开挖。

（2）施工过程中尽量避免作业人员无防护暴露在溶洞施工现场。

（3）右线溶洞段施工过程中，须避免左线隧道爆破施工。

（4）施工过程中，应定期对初支进行安全检查，加强洞内及溶洞监控量测，及时反馈围岩和支护结构的动态信息，采取动态设计、施工。

（5）进行钢架施工时，应确保钢架接头处螺栓紧固，锁脚锚杆与钢架焊接牢固有效，钢架腹、背部严禁回填片石等杂物，支座钢板应位于稳定地基上，严禁出现钢架悬空的情况。

（6）提前制定各种施工事故的安全预案，防患于未然。施工前应对施工紧急预案进行研究、完善、细化，确保预案能够及时实施，最大限度保障施工人员安全。

参考文献

［1］ 李治国.隧道岩溶处理技术［J］.铁道工程学报，2002（4）：61-67.

［2］邸成，曾云川，黄华，等.铁路隧道巨型岩溶空腔处理措施研究［J］.水利水电技术，2020，51（S1）：237-242.

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［6］杨毅.隧道上方大型无填充型溶洞护拱厚度的研究［J］.湖南交通科技，2017，43（4）：183-185.

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［8］李卫平.岩溶隧道基底微型桩处理技术与监测［J］.国防交通工程与技术，2020，18（2）：78-80，77.

［9］马乃富.钢管桩法在大塘隧道底板软基处理的应用［J］.西部交通科技，2018（10）：166-169.

［10］余波.深埋隧洞中的岩溶地基工程地质问题及地基处理［J］.岩石力学与工程学报，2001（3）：403-407.

作者簡介：唐振华（1991—），工程师，主要从事岩土与隧道工程技术研究、施工管理工作。