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| 工程技术与应用 | Engineering Technology and Application2019年第8期
岩溶发育地区隧道施工技术分析
黄 建
（中铁五局集团第二工程有限责任公司，湖南衡阳421000）
摘 要：文章以拱桥铺隧道掘进过程中突发突水、涌泥现象采取的处理措施为例，阐述了岩溶发育地区隧道发生地质灾害后的应急处理措施、后期采取的超前地质预测、正洞施工的方案的选定和实施、实施工程中的监控量测和应力监测、迂回导坑及释能降压洞等施工技术。关键词：岩溶；高风险；隧道；施工技术中图分类号：U455文献标志码：A1 工程概况
拱桥铺隧道全长3866m，隧道最大埋深约167m，隧道进出口里程分别为DK112+920、DK116+786，为时速200km客货共线铁路双线隧道。隧道进口段780m为3‰上坡，出口段3086m为9‰下坡。
隧道区广泛分布马平组（Cmp）生物屑灰岩、泥晶灰岩、泥质灰岩大埔组（Cd），下部为浅灰色块状白云岩，中部为白云岩、白云质灰岩夹泥晶灰岩，上部为浅灰色块状白云岩。岩溶极其发育，地下水丰富，为Ⅰ级风险隧道。
2 现场情况
2.1 隧道施工情况
出口施工至里程DK115+551，掌子面出现溶槽，并突发涌泥涌砂情况。
2.2 第一次涌泥涌砂情况
拱桥铺隧道出口上台阶施工至DK115+547时掌子面揭示为岩溶填充粉质粘土，出渣完成后掌子面右侧发现溃口，出现岩溶涌泥，涌出量较小，后续涌出速度及涌出量增加，共计涌泥方量约4000m3，上台阶纵向65m范围被淤泥掩埋，涌出物为灰白色砂土物，随后涌泥趋势减小。情况稳定后现场采取铺设网片加喷砼在淤积体上方施做一条3m宽通道以进入掌子面，对掌子面及往后13m的淤积体进行喷砼封闭，离掌子面8～13m的淤积体进行注浆加固，使该段淤积体形成厚5m的挡泥墙，而后进行清淤工作。2.3 第二次涌泥涌砂情况
清淤工作持续了10d，清淤至DK115+560停止，现场对该段进行洞碴回填，回填至中台阶过程中，掌子面出现再次涌泥，涌出量约3000m3。现场组织机械开始对淤积体重新清理，清理过程中多次出现涌泥，持续了15d，经统计，共清理涌泥约3万m3，掌子面基本处于稳定，随后开始对DK115+562～+551进行洞碴反压置换回填。
3 工程地质情况
3.1 工程地质条件综合分析
针对拱桥铺隧道DK114+3～DK115+546段尚未开挖的段落，对勘测阶段EH4资料采用新的处理方式重新进行了处理。DK115+547～DK115+515为大面积的与地表存在连通关系的凹槽状低阻异常区，推测该段为
作者简介：黄建（1984—），男，本科，工程师，研究方向：铁路工程。
文章编号：2096-27（2019）08-0070-03
一处面积较大的岩溶凹槽。
3.2 超前地质预报的揭示与判定
（1）超前地质预报。掌子面素描显示掌子面正面挤出，自稳困难，要及时支护，岩石强度30～60MPa，弱风化，裂隙宽度＞5mm，裂隙形态夹有黏土，无涌水，Ⅴ级围岩，如图1所示。
图1 掌子面素描图
可以看出，掌子面大部分为完整灰岩，右侧拱腰偏上位置为黏性土夹砂，呈三角形，高约4.0m，底宽约5.0m，其是本次涌突（夹砂）的形成部位。
（2）TSP。TSP成果综合反映掌子面前方DK115+551～DK115+432段纵横波均存在多处强反射界面，推测预报段内围岩稳定性整体较差，部分地段溶蚀较发育且可能富水。
（3）地质雷达。H1测线前方6～30m，H2测线前方9～33m，H3测线前方12～36m段对应的隧道里程均为DK115+547～DK115+522，从三条地质雷达测线分析，该段落雷达波振幅增强、频率变低、相位凌乱，异常特征明显，对应里程范围围岩破碎，岩溶、裂隙发育。
（4）红外探水。根据探测资料分析DK115+551～DK115+521，掌子面纵向第2、4列，横向第1行红外辐射场强差值≥安全值10μw/cm2 ，洞身段红外辐射场强曲线呈较平缓的上升趋势，综合掌子面及洞身段红外探测数据分析，推测掌子面前方30m范围内有发生出水的可能性。
（5）超前水平钻。为探明隧道DK115+551前方地质情况为隧道的安全施工提供准确依据，共进行了5孔超前水平钻探探测工作，如图2所示。
结论：1#、2#孔为破碎灰岩，3#孔DK115+547～DK115+515段为黏土夹砂，4#、5#孔DK115+547～DK115+517段为黏土夹砂，推测掌子面上台阶线路左侧30m为溶腔发育。
（6）DK115+547～DK115+515溶腔岩溶地质条件综合判定。空间形态：该溶腔沿线路方向长度
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图2 超前钻孔孔位布置图
32～20m，平面上左窄右宽，垂直高度＞20m，腔壁较陡，部分可能与地表联通。充填物情况：该溶腔为充填型大型溶腔，左侧充填物为灰褐色粉质粘土夹碎石，软～硬塑，右侧为灰白色砂土状物质，软～流塑。
4 正洞处理及正洞开挖
4.1 施工平台
掌子面稳定后，在洞渣回填上施做工作平台，每级平台长度为3～3.5m，高度为1.2～1.3m，采取混凝土浇筑，采用长5m、直径42mm（壁厚3.5mm）的小导管注浆加固第一、第二台阶和掌子面及第二台阶下部，间距1m×1m，小导管伸入下台阶基岩长度≥1.5m。小导管注浆采用水泥砂浆，水泥砂浆水灰比0.5～1.0（重量比），注浆压力0.5MPa，淤积物空隙率20%。工作平台示意图如图3所示。
图3 工作平台示意图
4.2 洞内大管棚
根据掌子面地质情况揭示和岩溶异常区的范围，为顺利度过岩溶异常区，采用双层大管棚加小导管注浆加固岩溶异常区，具体实施情况如下：
（1）管棚工作室的建立，在DK115+551～DK115+562进行扩挖，在原设计隧道断面的基础上扩挖1.2m，立架、喷射混凝土进行初期支护，在施工平台上搭设管棚施工平台。
（2）在DK115+551处设置一层12mm，间距20×20cm钢筋网，采用30cm厚C25喷混凝土封闭该段淤积物表面，导向墙采用C20混凝土，截面尺寸1m×1m，导向墙按拱部120°进行施工。
（3）管棚施工。该段岩溶区隧道开挖采用超前长管棚预支护，右侧砂土状岩溶区DK115+551～DK115+511段范围采用双层管棚预支护，左侧粉质粘土岩溶区范围采用单层层管棚预支护，管棚均采用φ108钢管，壁厚6mm，环向间距40cm，管棚一次施工40m。管棚打入后采取对钢管进行注浆，水泥浆液水灰比=1︰1（重量比），注浆压力0.5～2.0MPa。注浆结束后用M7.5水泥砂浆充填钢管，以增强管棚强度。4.3 超前预注浆
管棚施工完成后对基岩进行注浆加固，注浆加固圈固结范围为开挖轮廓线外5m，每一循环注浆长度为4.2m，开挖2m，按注浆孔扩散半径2～2.5m，注浆孔直径52mm，长6m，环向间距1.2m，外插角45°，孔底间距2.0m布置，共设18环，每环16个注浆孔管。注浆管采用直径50mm、壁厚5mm的热轧无缝钢花管，管长3.5m，注浆管应埋设牢固，并采用良好的止浆措施，同一圈孔钻孔和注浆间隔施工。注浆形式采用前进式注浆，钻进过程中因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，完成注浆扫孔后再钻进。注浆材料一般情况下采用纯水泥浆液（水灰比0.6︰1～1︰1），注浆压力（终压值）1.0～2.5MPa。
4.4 迂回导坑和释能降压洞施工
（1）迂回导坑施工。迂回导坑进口设置在线路左侧方向DK115+595位置，长度为295m，开挖宽9m，初支净空8.5m。其中间设置两个会车道，根据地质情况和溶洞走向，设置45°角进行开口，方便衬砌台车通过。根据工期需要，在DK115+300位置采取与线路成45°角导出，并在DK115+200位置设置横洞，平行导坑距离线路开挖轮廓线30m。
迂回导坑施工工期为80d，通过设置迂回导坑，对正洞掌子面超前地质情况进行验证，为正洞开挖提供参考依据，同时跳过了岩溶发育期，为正洞施工和岩溶处理争取了时间，能有效保障隧道工期安排。
（2）释能降压洞。释能降压洞开口设置在线路右侧距离开挖断面DK115+597位置，长度为70m，开挖宽度5m，净空6m，根据地质情况和溶洞走向，开口位置与线路走向成45°角，平行位置距离线路开挖轮廓线10m。释能降压洞全段实施超前地质预报工作，严格遵循“先探测后开挖”的原则，接近溶腔时通过钻探对溶腔进行区域锁定，预留3m岩柱。
通过设置释能降压洞释放溶腔压力，在释能降压洞与溶腔贯通后，溶腔内填充物自然流出，对溶腔涌出物及时进行清理，统计涌出方量。待涌出物稳定后再落实正洞开挖方案，确保正洞掌子面压力释放，保证开挖安全。4.5 正洞开挖
（1）根据地质情况和现场实际采取三台阶预留核心土法进行正洞开挖，三台阶预留核心土开挖法可分为以下步骤：上部导坑开挖，施做拱部初期支护；中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护；中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。每部开挖后及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。
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（2）施工过程中掌子面左侧岩溶异常区偶发涌水现象，根据现场实际情况及时采取5m长钢管梅花状布置进行注浆，采取“疏堵”结合的方式进行排水，确保掌子面稳定，保证施工安全。4.6 支护结构
（1）初期支护。掌子面开挖每循环进尺0.5m，设置全环HW175型钢钢架加强支护，钢架间距0.5m/榀，喷C25砼，厚度25cm，以封闭掌子面。相邻钢架间采用直径22钢筋连接，间距1.0m，斜向内侧布置，并焊于钢架内翼缘处。钢架与初喷混凝土间密切接触，空隙处用砼垫块楔紧。初期支护钢架架设时，利用系统锚杆作为定位锚杆，并在拱脚及墙脚位置每处设直径42mm锁脚钢管2根。
（2）仰拱及填充。施工过程中为确保围岩稳定，保证安全步距满足要求，及时施做仰拱初支，仰拱衬砌，确保仰拱初支距离掌子面间距不大于35m。仰拱开挖每加深1m，施做地基承载力试验，并进行地质钻探。如果地基承载力不能满足要求，则对地基进行注浆加固处理。注浆完成后对仰拱开挖面采取立架喷浆的方式进行封闭，钢架与拱墙钢架链接，间距0.5m，喷射混凝土进行封闭，及时立模绑扎钢筋，浇筑混凝土，确保施工安全。
（3）二衬衬砌。施工过程中为确保围岩稳定，保证安全步距满足要求，及时进行二次衬砌施工，确保二衬距离掌子面间距≤70m。其作为主体受力结构，承担全部围岩荷载，采用厚80cm的C35钢筋砼进行混凝土浇筑，浇筑前加强防水板铺设质量控制，浇筑过程中采取分窗逐层浇筑，浇筑完成后及时进行带模注浆和拱顶压浆，保证混凝土密实，确保二衬背后无空洞。
形量增大或者周边新增塌陷区域时，加大观测频次，必要时持续观测，同时采取GPS采集塌陷范围坐标和洞内坐标进行比较，明确塌方位置与洞内溶腔的关系。5.3 应力监测
在岩溶异常区域拱脚、拱腰、拱顶相应测点埋设土压力计、混凝土应变计和钢筋测力计，持续对各点数据进行采集并绘制时间和应力关系图表，对应力变化趋势进行分析，及时为施工安全提供参考借鉴。
6 结论
（1）隧道发生突水涌泥后应及时采取应急处理措施，以保证隧道掌子面安全。
（2）通过超前地质预报和超前钻孔，能有效揭示隧道开挖断面岩溶发育情况，指导后续的施工。
（3）通过设置迂回导坑，能有效揭示掌子面前方围岩情况，为岩溶整治争取时间，以保证隧道工期满足要求；通过设置释能降压洞，能有效释放溶腔内压力，确保掌子面稳定，保证掌子面掘进安全。
（4）正洞施工通过采取超长大管棚、小导管注浆，三台阶预留核心土法，能有效地对隧道开挖断面进行围岩加固，以保证正洞开挖安全可控。
（5）通过对隧道进行监控量测、地表监测、应力监测，对隧道变形进行分析，能及时消除安全隐患，有效保证隧道开挖稳步推进。
参考文献：
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南交通大学,2006年[6]熊成宇,张强.岩溶隧道大体积涌泥处治与预控技术[J].
施工技术,2017,46(5):122-125.
5 加强监控量测和应力监测
5.1 监控量测
监控量测主要是对隧道净空水平收敛和拱顶下沉进行量测。对于岩溶异常区域，每3m设一组观测点，掌子面开挖后2h内进行布点，每天对数据进行采集，若发现数据变化异常则加大观测频次，必要时进行持续监测。5.2 地表变形监测
在地表塌陷周边埋设观测桩，每天观测一次，当变
