劉 光

(中國中鐵四局集團有限公司, 安徽合肥 232000)

國內(nèi)各省區(qū)都有不同面積的石灰?guī)r分布，廣西地區(qū)出露的面積最大，達12×104km2，約占廣西全區(qū)總面積的60 %。新建南崇(南寧-崇左)鐵路是中國與東盟半島的交通大動脈的重要組成部分，具有巨大的戰(zhàn)略、社會和經(jīng)濟價值。南崇鐵路途經(jīng)我國巖溶最為發(fā)育的廣西中西部地區(qū)，分布著連綿成片、形態(tài)各異、挺拔峻峭的石灰?guī)r山峰，如圖1所示，隧道施工過程中隱伏溶洞數(shù)量多、規(guī)模大、分布無規(guī)律、施工難度大，特別是洞口段存在隱伏溶洞的情況下，施工難度將進一步增加[1-2]。

圖1 廣西巖溶發(fā)育山峰

由于溶洞的不可預(yù)見性，對于溶洞的探測技術(shù)不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的鉆探逐漸向鉆探與物探相結(jié)合[3-4]的方式，以提高溶洞探測的精確性。對于不同溶洞的施工方法也有一定的差異，溶洞的類型，特別是填充物的形態(tài)對隧道結(jié)構(gòu)的安全性將產(chǎn)生極其重要的影響[5]。施工與溶洞處治的相互關(guān)系對于施工的安全性及施工進度有直接關(guān)系[7]。

本文針對洞口存在溶洞的情況，進行溶洞與施工正洞先后順序的利弊分析，提出拱蓋填充進洞施工技術(shù)，有效解決了該工程難題，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 依托工程背景

南崇鐵路渠那隧道位于廣西自治區(qū)扶綏線境內(nèi)，全長1 345 m，隧道進口外側(cè)1條斷層，與線路斜交夾角約38 °，該斷層影響下隧道進口巖體破碎，基巖大面積出露，地表分布有黏土，下伏基巖為灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，溶溝、溶槽發(fā)育，充填黏土，縱斷面如圖2所示，隧道進洞里程邊仰坡開挖后出現(xiàn)巖溶溶槽揭露，并根據(jù)洞口超前大管棚的鉆孔及物探探明，巖溶侵入了隧道拱腰一側(cè)，如圖3所示，斷面情況如圖4所示。

圖2 渠那隧道進口縱斷面

圖3 洞口溶腔侵入隧道現(xiàn)場

圖4 溶腔與開挖輪廓立面

通過分析，該工程存在如下的難點：

(1)隧道斷面屬于超大斷面，未見巖溶侵入隧道洞口的類似工程案例，無施工經(jīng)驗可遵循參考。

(2)洞口段巖溶溶腔發(fā)育侵入拱腰，填充物極破碎，若施工不當(dāng)，易造成拱頂坍塌，安全隱患大。

(3)超大斷面隧道在拱腰處出現(xiàn)大溶洞將會出現(xiàn)超挖嚴(yán)重，后期處理費用大，同時也要做好后期運營期間滲漏水預(yù)防。

(4)關(guān)鍵部位支護參數(shù)如何設(shè)計直接影響到施工方案的成敗，需要對支護結(jié)構(gòu)受力進行深入研究。

(5)隧道支護與溶洞填充的先后順序，直接關(guān)系到施工安全與否，也關(guān)系到施工工期，因此需要分析最佳的施工時機。

針對以上的施工重難點問題，為安全、快速地在洞口揭露溶洞溶隙的情況下完成渠那隧道進口進洞，通過認(rèn)真研究和成功的施工實踐，形成了本文所述的巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道拱蓋填充進洞技術(shù)。

2 進洞方案比選

2.1 方案介紹

綜合以往隧道施工經(jīng)驗，結(jié)合本隧道的圍巖情況、溶洞情況，形成以下2套施工方案進行對比分析。

2.1.1 先處治溶腔再進洞掘進方案

根據(jù)已經(jīng)揭露的圍巖情況，地表進行注漿后，一榀一榀開挖隧道洞口段，噴射混凝土支護后，形成初期支護，同時將空溶洞注漿填滿，再進行隧道主體的開挖和施工。

2.1.2 拱蓋+填充方案

(1)隧道正洞遇到空溶腔處，利用上一榀拱架作支承點，通過超前錨桿(管)+網(wǎng)片組合以小角度向外側(cè)懸挑出去，通過噴射混凝土支護后，提前形成拱蓋的方式，先對侵入了隧道拱腰的溶腔進行跨越。

(2)在巖溶溶槽中選擇較大的巖體采用砂漿錨桿進行固定，利用砂漿錨桿的黏結(jié)作用將圍巖與穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起而產(chǎn)生懸吊效果、組合梁效果、補強效果，在已插打的錨桿上掛設(shè)鋼筋網(wǎng)進行錨噴加固。

(3)洞口邊仰坡揭露巖溶溶槽巖石破碎、裂隙發(fā)育，采用超前小導(dǎo)管前進式注漿，即鉆孔一段注漿一段,清孔鉆進后再注漿,這樣循環(huán)往復(fù)至注漿孔終深，以達到填充裂隙，提高巖體整體穩(wěn)定性的目的。

2.2 方案優(yōu)缺點對比分析

從技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性、工期等方面分析如表1所示。

表1 巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道洞口段施工方案對比

從表1的分析可知，拱蓋+填充方案在技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性及工期上都具有顯著的優(yōu)勢，故在施工中選擇該方案。

3 施工流程及技術(shù)要點

3.1 施工工藝流程

基于依托工程的實際情況，采用拱蓋填充方案時，整體施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

3.2 施工技術(shù)要點

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

在進洞前，針對洞口揭露溶洞，采用地質(zhì)雷達及超前鉆孔的方式進行探查，探明巖溶裂隙的走向，結(jié)合隧道地質(zhì)鉆孔資料及地質(zhì)雷達掃描資料對圍巖狀況進行預(yù)判，從而為下一步確定整治方案做好指導(dǎo)工作。

3.2.2 邊仰坡加固注漿

根據(jù)洞口邊仰坡巖溶揭露及超前地質(zhì)預(yù)報情況，20 m縱深范圍內(nèi)洞身位于巖溶破碎帶中，為確保進洞安全，對線路右側(cè)13 m范圍采用φ42 mm小導(dǎo)管注漿加固，洞門段斷面圖及小導(dǎo)管構(gòu)造圖如圖6和圖7所示。

圖6 洞門段斷面(單位：cm)

圖7 小導(dǎo)管構(gòu)造(單位：cm)

3.2.2.1 小導(dǎo)管插打

在設(shè)計孔位上做好標(biāo)記，用管棚鉆機進行鉆孔，孔徑較設(shè)計導(dǎo)管管徑大 20 mm 以上成孔后，將小導(dǎo)管按設(shè)計要求插入孔中，或用鑿巖機直接將小導(dǎo)管從型鋼鋼架上部、中部打入，外露20 cm支撐于開挖面后方的鋼架上，與鋼架共同組成預(yù)支護體系。

3.2.2.2 小導(dǎo)管注漿

前進式分段注漿工藝是針對成孔困難的特殊地質(zhì)條件下的一種可行性較高的注漿技術(shù)，遇水即注漿，再掃空，再注漿，直至設(shè)計孔深。先注外圈、后注內(nèi)圈，同一圈由下而上間隔施作。當(dāng)鉆孔涌水量不小于50 L/min時，注入速度80～150 L/min；當(dāng)涌水量不大于50 L/min時，注入速度35～80 L/min。注漿壓力：一般為 0.5～1.0 MPa。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)注漿壓力和注漿量來控制。一般采用定壓注漿。當(dāng)注漿壓力逐步升高，達到設(shè)計終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，進漿量小于初始進漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結(jié)束本孔注漿；全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件，注漿后隧道預(yù)測涌水量小于1 m3/(d·m),可結(jié)束本循環(huán)段注漿；全部注漿孔注漿結(jié)束后，于斷面上下左、右及中部各設(shè)一檢查孔，每孔長約20 m,孔徑與注漿孔相同，測孔內(nèi)涌水量或進行壓水試驗，若滿足設(shè)計要求，則可以開挖，否則進行補注漿。

3.2.3 隧道管棚施工

3.2.3.1 套拱施工

套拱采用先墻后拱方法施工，先做基礎(chǔ)底部邊墻，待邊墻強度滿足要求后施工拱圈部分。套拱基礎(chǔ)開挖分三步開挖，挖至基礎(chǔ)底部時立即對基坑進行封閉。

洞口端用1 m 長套拱(C20混凝土) 作為管棚導(dǎo)向墻。套拱施工采用先墻后拱法，在1 m套拱內(nèi)架立2榀I18型鋼拱架(縱向間距0.5 m)。在鋼支撐上安裝φ140×5 mm,長1 m的孔口管，導(dǎo)向管(即孔口管)沿拱圈環(huán)向布設(shè)，間距中對中40 cm，部分根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報的判斷對隱伏溶洞范圍內(nèi)的管棚進行加密，間距20～40 cm，見圖8和圖9所示。

圖8 管棚施工正面示意

圖9 管棚施工側(cè)面示意

3.2.3.2 管棚鉆孔頂管施工

長管棚施工主要工序有：搭鉆孔平臺、安裝鉆機、鉆孔、清孔、驗孔、安裝管棚鋼管、注漿、清孔、充填M10水泥砂漿。

通過管棚的施工技術(shù)參數(shù)的反饋，判斷隱伏溶洞的大小和范圍，通過鉆出的芯樣判斷填充物的情況，本隧道拱部右上部分20 m范圍為少量黏土為填充物的溶洞。

3.2.3.3 管棚注漿

注漿采用單液注漿，并采取分段注漿方式保證注漿能充分填充至圍巖內(nèi)；注漿壓力達到2 MPa，并持壓5 min以上，注漿漿液達到設(shè)計80 %以上時，可停止注漿，并及時封堵注漿口，防止空氣進入管內(nèi)；注漿結(jié)束后，對鋼管口進行清孔，清孔完畢后立即用M10砂漿進行充填，增加鋼管強度，并注意注漿管口埋入砂漿深度不得少于30 cm。

3.2.4 隧道洞身開挖

3.2.4.1 開挖方法

隧道進洞采用三臺階法進行開挖，開挖進尺調(diào)整為1榀鋼架縱向間距，開挖方式采用弱爆破，爆破時嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量，嚴(yán)格控制超、欠挖，加強鋼架之間的縱向連接。

3.2.4.2 溶腔的初步處治

揭示溶洞后，對溶洞的形態(tài)、位置、填充物類型進行分析，針對此處洞內(nèi)為右側(cè)拱頂位置、封閉溶洞、填充物為黏土的情況，及時采用挖機配合人工對填充物進行清理，清理完成后對封閉溶洞的完整溶腔壁部采用噴射混凝土封閉溶洞表面，防止掉塊的發(fā)生。

3.2.4.3 初期支護

在溶洞范圍內(nèi)利用上一榀鋼架作為支撐點，通過超前錨桿(管)+網(wǎng)片組合形成縱向連接，并采用徑向錨桿(管)對鋼架徑向進行固定，徑向錨桿(管)的另一端深入溶洞壁面以內(nèi)0.5 m；架設(shè)鋼架及鋼筋網(wǎng)，進行噴射混凝土支護，將徑向錨桿(管)、超前錨桿(管)、鋼架、鋼筋網(wǎng)共同形成拱蓋先行通過溶洞空腔，并預(yù)留注漿管，如圖10和圖11所示，現(xiàn)場施作如圖12所示。

圖10 洞身溶洞處治及支護立面

圖11 洞身支護側(cè)面示意

圖12 “拱蓋”結(jié)構(gòu)

3.2.4.4 正洞掘進及溶洞處治

待正洞穿過溶腔處，開始正面向溶腔內(nèi)灌入砂漿，避免了因先處理溶腔而耽誤正洞施工進度。

4 施工安全數(shù)值分析

4.1 數(shù)值計算模型

根據(jù)實際情況模擬隧道所處的地形、隧道埋深及隧道開挖的開挖過程，模擬計算采用FLAC3D有限差分元通用程序。為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，計算模型所取范圍是：根據(jù)實際工程情況沿縱向取50 m，沿橫向取50 m，深度取隧道仰拱下方15 m，隧道縱深10 m，埋深15 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層采用彈塑性實體單元模擬，初期支護、加強初期支護采用彈性實體單元模擬。模型的地層采用IV級圍巖地層。整體模型圖如圖13和圖14所示。

圖13 隧道及地層整體模型

圖14 隧道支護結(jié)構(gòu)模型

4.2 計算參數(shù)

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)和混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和地勘結(jié)果選取，所確定的計算參數(shù)如表2～表4所示。

表2 圍巖計算參數(shù)表

表3 超前大管棚的材料參數(shù)

表4 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 圍巖位移分析

施工中的位移變形將直接影響隧道結(jié)構(gòu)整體的安全性，整體的地形圍巖位移如圖15所示。

圖15 豎向位移

從圖15中可以看出，整體的變形量是非常小的，拱頂最大的沉降為1.29 mm，而仰拱隆起的位移為0.91 mm。

4.3.2 圍巖應(yīng)力

圍巖的應(yīng)力主要針對隧道結(jié)構(gòu)周邊的應(yīng)力情況，采用第一主應(yīng)力的情況進行分析，如圖16所示。

圖16 第一主應(yīng)力

從圖16中可以看出，圍巖的應(yīng)力集中情況較小，且最大應(yīng)力值也較小。

4.3.3 初期支護的位移及應(yīng)力

位移及應(yīng)力分別如圖17和圖18所示。

圖17 初期支護的豎向位移

圖18 初期支護的應(yīng)力

從圖17和圖18中可以看出，在灰?guī)r地區(qū)，整體穩(wěn)定性較好，即使有溶洞的影響，初期支護整體的位移及應(yīng)力都是較小的，滿足安全性的要求。

5 結(jié)論

本文以南崇鐵路渠那隧道進口出現(xiàn)的溶洞侵入拱腰的實際工程為依托，對該工程采取的施工方法進行分析，得到了如下的研究結(jié)論。

(1)洞口段隱伏溶洞侵入隧道口拱腰的工程案例較少，缺少可供借鑒的經(jīng)驗，施工風(fēng)險高施工難度大。

(2)對比先治理溶洞后進洞方案和拱蓋+填充方案后認(rèn)為后者在技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性及工期上都具有顯著的優(yōu)勢。

(3)詳細(xì)介紹了拱蓋+填充方案的施工過程并進行了施工安全數(shù)值分析后認(rèn)為，該方案安全可行，可供類似工程借鑒。