王者鵬， 陳迪楊， 葉志華， 孫柏林， 張　健

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島　266590；　2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司， 重慶　400039；　3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南　250061；　4.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部， 湖北 宜昌　444200；　5.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計(jì)研究院， 山東 泰安　271018)

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山嶺隧道溶洞處治技術(shù)

王者鵬1，2， 陳迪楊3， 葉志華4， 孫柏林4， 張健5

(1.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院， 山東 青島266590；2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司， 重慶400039；3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心， 山東 濟(jì)南250061；4.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部， 湖北 宜昌444200；5.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 勘察設(shè)計(jì)研究院， 山東 泰安271018)

[摘要]某山嶺隧道施工中揭露縱向長(zhǎng)14 m、橫向?qū)?4 m、高7 m的大型半充填溶洞，根據(jù)溶洞工程地質(zhì)條件及隧道工程修建技術(shù)特點(diǎn)，在探明溶洞的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵循以疏為主，堵排結(jié)合，因地制宜，綜合治理的原則，選擇合理科學(xué)的溶洞處理方法，根據(jù)巖溶溶洞的發(fā)育規(guī)模及特征，采用溶腔揭示后的施工處理技術(shù)，降低和排除巖溶隧道溶洞的施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工安全和工期，在工程實(shí)踐取得的效果較好，可為相似工程提供參考。

[關(guān)鍵詞]巖溶隧道； 半充填溶洞； 突水涌泥； 治理技術(shù)

1工程概況

某山嶺隧道是一座分離式隧道。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，左線起訖樁號(hào)ZK64+292～ZK68+157，長(zhǎng)3 865 m，屬特長(zhǎng)隧道，最大埋深約485.2 m，進(jìn)洞口走向方位角125°，出洞口走向方位角143°；右線起訖樁號(hào)YK64+300～YK68+159，長(zhǎng)3 859 m，屬特長(zhǎng)隧道，最大埋深約480 m，進(jìn)洞口走向方位角125°，出洞口走向方位角143°。進(jìn)、出洞口洞門擬采用端墻式，單洞凈空10.25×5.0 m(寬×高)。

2工程地質(zhì)條件

2.1溶洞形態(tài)、規(guī)模

溶洞縱向長(zhǎng)14 m、橫向?qū)?4 m、高7 m，屬大型半充填溶洞，其貫穿左隧道。左邊墻外橫向發(fā)育寬度3～8 m，溶洞豎向發(fā)育高度4～7 m，空洞以下為粉質(zhì)黏土夾細(xì)砂、黏土等軟弱層充填；右邊墻外橫向發(fā)育寬度2～4 m，空洞高4～8 m，空洞以下為黏土、黏土夾碎石、粗砂等軟弱層充填，黏土為軟塑狀。左右邊墻外兩段溶洞通過(guò)隧底隱伏溶洞相連。溶洞發(fā)育平面見(jiàn)圖1。

圖1　溶洞平面圖Figure 1　Floor plan of karst cave

2.2地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)微地貌屬構(gòu)造剝蝕侵蝕中低山地貌，海拔高程一般約為333～802 m，擬建隧道穿越數(shù)座山體，經(jīng)過(guò)區(qū)域地表地形整體起伏大，地形陡。隧道白堊系巖層與三疊系巖層系非整合接觸，根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，隧道沿線巖層產(chǎn)狀變化不大，進(jìn)口段產(chǎn)狀290°∠22°；出洞口產(chǎn)狀292°∠21°。巖體垂直裂隙發(fā)育。

2.3水文地質(zhì)條件

某山嶺隧道所處位置區(qū)域范圍內(nèi)，有沮水河經(jīng)過(guò)。根據(jù)地表水文點(diǎn)觀察，結(jié)合地形地貌，巖性和構(gòu)造條件判斷，匯水面積大，地下水比較發(fā)育，以巖溶水及第四系孔隙水和基巖裂隙水為主。地下水的補(bǔ)給主要靠大氣降雨，排泄方式主要為地表徑流、蒸發(fā)以及通過(guò)泉水向坡腳排泄。

2.4巖溶發(fā)育情況

由于隧道白堊系礫巖的巖石成分主要為灰?guī)r，且膠結(jié)物以鈣質(zhì)為主，加上存在裂隙及地表匯水作用，導(dǎo)致部分段落巖溶發(fā)育。隧址區(qū)巖溶洼地較多，發(fā)育有落水洞，隧道開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)突水突泥等工程事故，是最大的風(fēng)險(xiǎn)因素。

3溶洞綜合治理

3.1處治原則

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量巖溶隧道施工經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)工程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)巖溶處理的經(jīng)驗(yàn)，建立在對(duì)溶洞正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，一般的處理原則是以疏為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理的原則。根據(jù)本次隧道溶洞的實(shí)情和以往處理隧道溶洞的工程實(shí)踐，確定處理隧道溶洞的總體指導(dǎo)思想是：安全、快速、保質(zhì)、節(jié)約，即溶洞處理必須安全可靠，做到萬(wàn)無(wú)一失；溶洞處理各工序要安排合理緊湊，便于操作，處理時(shí)間要最短；保證溶洞治理工程質(zhì)量，不得留有任何隱患；盡可能降低溶洞處理的費(fèi)用。

3.2處理方法

① 壓注雙液漿法。

溶洞內(nèi)注雙液漿預(yù)處理的目的是為了加固溶洞填充物和填滿溶洞空間，并達(dá)到一定的強(qiáng)度(20 MPa以上)，防止鉆孔樁施工時(shí)泥漿流失、流砂及塌孔等情況的發(fā)生，保障成孔及水下混凝土澆注等施工工序的順利完成。注雙液漿加固的特點(diǎn)是注漿材料可在十幾秒或幾十秒內(nèi)瞬間凝固，可控制漿液灌注在一定范圍內(nèi)且不流失，材料的利用率高，比較經(jīng)濟(jì)。漿材的結(jié)石率為100%，即1 m3體積的漿材可得1 m3的結(jié)石體。對(duì)溶洞中的砂、礫等土體，漿液是通過(guò)滲透作用板結(jié)砂和礫的；對(duì)于溶洞中的稀泥等土體，漿液是通過(guò)劈裂、擠密作用加固土體的；對(duì)于無(wú)填充物和半填充的溶洞，漿液是通過(guò)充填填滿溶洞的。

② 灌砂、壓漿法。

灌砂壓漿是溶洞預(yù)處理方案之一，一般適用于6～10 m無(wú)填充溶洞的處理。主要通過(guò)灌砂填塞溶洞空間，采用壓漿將洞內(nèi)砂礫板結(jié)、凝固成堅(jiān)實(shí)的混和體，防止在鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)漏漿、塌孔等現(xiàn)象。灌砂壓漿孔和注雙液漿鉆孔施工方法相同。灌砂采用干燥、潔凈的中粗砂，并進(jìn)行清篩，防止雜物堵管。一個(gè)橋墩內(nèi)各注漿管內(nèi)灌砂、注漿輪流進(jìn)行。灌砂時(shí)分幾次進(jìn)行，第一次灌砂高度約4～5 m，然后將注漿管插入灌入的砂中一定深度，向砂中壓入一定量的水泥漿。壓漿后采用清水沖洗注漿管，防止水泥漿粘附在管壁上，影響下一次灌砂、注漿。注入水泥漿初凝后，進(jìn)行下一次灌砂、壓漿，反復(fù)進(jìn)行，直至灌滿，使溶洞內(nèi)充滿砂漿。

③ 填充封閉法。

如隧道拱部、邊墻或底部存在小型干溶洞或空腔，內(nèi)部幾乎無(wú)充填物、無(wú)水，可采用砂石料、漿砌片石、干砌片石、水泥砂漿、混凝土等粗細(xì)骨料全部充填，必要時(shí)可進(jìn)行注漿加固。

④ 灌低標(biāo)號(hào)混凝土法。

對(duì)于較大的溶洞，尤其是半填充或無(wú)填充溶洞，有時(shí)采用填粘土和片石的方法難以成孔，或者成孔后灌注水下混凝土?xí)r孔壁被擠垮，這時(shí)用灌低標(biāo)號(hào)混凝土的方法處理。施工準(zhǔn)備和開(kāi)孔方法同填粘土塊和片石方法，當(dāng)擊穿溶洞頂板時(shí)，為節(jié)約混凝土灌注量，可先填粘土塊和片石，反復(fù)沖擠，待溶洞填注基本飽滿時(shí)，再灌低標(biāo)號(hào)混凝土至溶洞頂1 m以上，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后再繼續(xù)鉆孔。

3.3處治方案選取

3.3.1溶洞突水情況及總體思路

溶洞在施工期間揭露，并伴隨有多次間斷性涌水涌泥，第一次突水時(shí)瞬間涌水涌泥量達(dá)到7 700 m3，涌泥迅速涌至洞口，涌泥漲落高度約為30～60 cm；第二次泥水從漿砌擋墻中間預(yù)留排水管中噴出，水壓較大，噴射距離達(dá)5 m，大量泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚達(dá)1 m；第三次泥水涌出，水壓較大，迅速涌至隧道洞口，洞內(nèi)泥水量流量仍較大，泥沙及涌水從溶洞底部涌出，泥沙堵塞隧道路面，厚度為1～1.2 m；第四次泥水從溶洞底部涌出，水量大，流速高，在洞內(nèi)形成小型水浪，大量泥水涌至洞口，且預(yù)先埋設(shè)的60 cm排水管處于滿管排水狀態(tài)。幾次突水情況如圖2所示，根據(jù)溶洞形態(tài)、規(guī)模及地質(zhì)條件，按照“寧強(qiáng)勿弱、一次根治、不留后患”的原則進(jìn)行治理。

(a) 2013年6月突水情況

(b) 2014年3月突水情況

(c) 2014年5月突水情況

(d) 2014年8月突水情況

3.3.2治理措施

根據(jù)溶洞具體揭露情況，以及綜合比較各種處理方法，按照溶洞處置原則，此次溶洞治理選取護(hù)墻防護(hù)與充填片石相結(jié)合的治理措施。隧道巖溶處理采用疏通方案，將溶腔內(nèi)巖溶水引排至路基側(cè)向盲溝內(nèi)排除洞外。并采用片石加粘土回填，使片石和粘土保持密實(shí)，直至回填至溶洞頂部1～2 m。溶洞回填完成后，向鉆孔內(nèi)注入稠度較大的泥漿，使其自然浸入片石縫隙內(nèi)，然后采用鉆頭沖擊，使片石和粘土擠入溶洞內(nèi)，形成泥石護(hù)壁。并在打孔段布置與襯砌拱腳處Φ30排水鋼管，打孔段長(zhǎng)約1 m，孔徑為Φ4，梅花形布置，打孔段鋼管外裹350 g/m2無(wú)紡布。ZK64+891～ZK64+931為緊急停車帶加寬段，ZK64+917～ZK64+931由ST3b復(fù)合式襯砌調(diào)整為ST3a復(fù)合式襯砌。在ZK64+920路基兩側(cè)增設(shè)盲溝檢查井，檢查井需定期檢查清淤。

4處治效果評(píng)價(jià)

為保證施工安全及檢查處治方案施工的實(shí)施效果，按照要求增設(shè)了ZK64+930監(jiān)控量測(cè)斷面，分別量測(cè)隧道拱頂下沉量和收斂位移值。遵照隧道規(guī)范要求量測(cè)拱頂下沉量和收斂位移值，及時(shí)分析處理量測(cè)數(shù)據(jù)與必要的計(jì)算，得到了該斷面的累計(jì)拱頂沉降和累計(jì)收斂變形與時(shí)間的關(guān)系曲線，通過(guò)對(duì)溶洞段ZK64+930典型斷面水平收斂、拱頂沉降數(shù)據(jù)的分析，將信息反饋給施工，以便采取積極支護(hù)措施，保證隧道施工安全和圍巖穩(wěn)定。見(jiàn)圖3、圖4。

圖3　累計(jì)水平收斂、拱頂沉降-時(shí)間關(guān)系曲線圖Figure 3　Progressive curve of horizontal convergence and 　　　crown settlement vs.accumulative days

圖4　水平收斂、拱頂沉降速率-時(shí)間關(guān)系曲線圖Figure 4　Rate curve of horizontal convergence and 　　　crown settlement vs.accumulative days

由圖3、圖4可知：在處治施工結(jié)束后初期，拱頂沉降和水平收斂速率較大，但隨后呈明顯下降趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)20多d的監(jiān)測(cè)，隧道溶洞揭露段收斂速率和沉降速率基本小于0.05、 0.04 mm/d，可以認(rèn)為基本趨于穩(wěn)定。同時(shí)結(jié)合從累計(jì)變形值分析可知，圍巖變形已趨于穩(wěn)定，最終拱頂沉降和水平收斂值分別為5.32、 5.67 mm，均未超過(guò)允許變形量。綜

上所述，從圍巖變形監(jiān)測(cè)可知，溶洞治理效果較好，此段隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)語(yǔ)

① 某山嶺隧道溶洞為施工中遭遇的半充填溶洞的典型代表，溶洞穿越左隧道，發(fā)育規(guī)模大，地質(zhì)情況復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工難度大、質(zhì)量要求高，目前該溶洞處理已全部完成，隧道結(jié)構(gòu)安全、可靠，工程實(shí)踐效果較好。

② 間斷性突水涌泥處理是該溶洞的另一顯著特點(diǎn)，該溶洞的處理嚴(yán)格按照“一次根治、不留隱患”的原則。根據(jù)具體段落發(fā)育情況，有針對(duì)性地采取了排堵結(jié)合的綜合處理措施，減小裂隙水對(duì)隧道襯砌的壓力破壞，并有效的解決了溶洞的間斷性突水涌泥災(zāi)害，保證了隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。

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Treatment Technology of Karst Cave in Mountain Tunnel

WANG Zhepeng1，2， CHEN Diyang3， YE Zhihua4， SUN Bolin4， ZHANG Jiang5

(1.College of Mining and Safety Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， Shandong 266590， China；2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp， Chongqing 400039， China；3.Geotechnical and Structural Engineering Research Center， Shandong University， Jinan， Shandong 250061， China；4.Baokang-Yichang Expressway Construction Headquarter of Hubei Province， Yichang， Hubei 444200， China；5.Survey and Design Institute of Shandong Agricultural University， Taian， Shandong， 271018， China)

[Abstract]A mountain revealed large half filling karst cave in tunnel construction，which is 14 m×24 m×7 m(long×wide×high)，according to the technical characteristics of the tunnel engineering construction and engineering geological conditions，on the basis of proven water-eroded cave，strictly follow the principle of the technique of water blockage combined with water drainage for water gushing control，local conditions，comprehensive treatment.According to the development scale and characteristics of karst caves，the use of rock-salt cavity reveals the construction processing technology，reduce and eliminate karst cave construction risk of tunnel and ensure the construction safety and construction period，the effect is better in engineering practice，can provide a reference for similar engineering.

[Key words]karst tunnel； half-filling cavity； water burst and mud surge； treatment technology

[中圖分類號(hào)]U 456.3+3

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0072—03

[作者簡(jiǎn)介]王者鵬(1982—)，男，山東濰坊人，博士研究生，主要進(jìn)行礦山安全方面的研究。[通訊作者] 陳迪楊(chen729911@sina.com)

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金(51479106)；湖北省交通運(yùn)輸廳科研項(xiàng)目(BYXYKY2012-003)

[收稿日期]2015—01—05