公路隧道溶洞处理和初期支护的探讨

公路隧道溶洞处理和初期支护的探讨

摘要:公路隧道施工中根据开挖断面所在的地质年代和岩性特点,判断和分析岩溶的发育情况,进而采取经济合理的措施进行溶洞处理和初期支护，既保证了安全生产和工程质量又创造了很好的经济效益。

关键词:公路隧道；溶洞处理；初期支护 一、隧道岩溶等复杂地质情况介绍

沪蓉西高速公路八字岭隧道位于湖北省宜昌市长阳县境内，隧道洞身段地表水系不发育，无常年性地表水体，洞上方地表主沟谷呈封闭状，一般无地表径流，但溶沟、溶槽、溶蚀漏斗及串珠状落水洞发育，降水形成的地表面流汇积低洼处沿垂直岩溶管道灌入地下，转化为地下径流，洞身段地下径流是隧道涌水、突水的主要水源。对隧道施工影响较大的主要为地下水。根据设计院全面勘察，第四系孔隙水及基岩裂隙水水量较小，岩溶水水量较大，岩溶潜水主要赋存于三叠系下统大冶组上段灰岩中，分布范围广，溶沟、溶槽、岩溶漏斗、落水洞发育，且隧道洞身及出口均位于该地层中，是隧道面临的主要水文地质问题。

二、隧道超前地质预报结合地质钻机钻孔确定施工区域地质情况

掌握隧道地质条件情况，首先在施工前，根据设计院提供的设计文件和图纸，再针对对地表进行详细勘查，研究岩溶状态，估计可能遇到岩溶地段。通过超前地质预报查明岩溶分布情况，发育形态和发育规律，查明溶洞的填充情况和填充物的物理力学性质，查明溶洞内地下水发育状况以及运动规律等详细情况，通过超前探测校核和补充勘察设计成果，获取掌子面前方地质构造、软弱地层、溶洞分布范围、类型；例如溶洞的大小、有无水、岩层稳定程度和地下水流情况（有无长期补给来源，雨季水量有无增长）等，掌握了第一手准确的资料后，制定出了科学有效施工方案，安全合理的施工步骤，分别采用引、堵、越、绕等措施进行处理。

及时获取各种不良地质准确的资料，及时进行预报，为有针对性地变更设计和施工方案，制定稳妥、可靠的工程措施，采取积极有效的防范措施，确保安全稳妥的完成施工任务。

在可能的岩溶区施工时，采用了TSP超前地质预报系统及TSP与超前地质钻孔相接合的预报方法,准确探明了溶洞形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，根据这些准确有效的数据及时制定施工处理方案及安全措施。

三、隧道施工中遇到两个案例

（一）隧道无填充物或填充物很少情况施工方案（见后附图1）

施工中遇到围岩类型较好（Ⅱ、Ⅲ级），隧道拱腰以上开挖面溶洞发育深度

大于2米，溶洞宽度小于隧道开挖面采用如下处理方案如下，溶洞内无填充物或者填充物量少的溶洞，可以将填充物清除干净，设置C25钢筋混凝土过梁，梁体厚度0.5米，过梁内设Φ22钢筋网，钢筋间距20cm×20cm, 混凝土梁体两端各嵌入岩石大于50cm,梁体采用C25钢筋混凝土。梁体外围做间距1.2×1.2锚杆，锚杆采用20MnSiΦ22药卷锚杆，长度L=2.5m,锚杆深入围岩1.5米。溶洞上部采用M7.5浆砌片石填充密实溶洞空间。为了确保溶洞排水顺畅，施工过程中特别注意了埋设Φ110HDPE透水管,间距2m,所有的Φ110HDPE透水管汇聚的水再通过Ω排水管引出溶洞区域，充分保证了隧道拱部结构的安全和稳固。

施工中在拱部梁体达到设计强度后，进行隧道拱部和边墙部位的初期支护工作进行喷射混凝土初喷施工。

1、初期支护喷射混凝土施工方案

喷射混凝土施工时采用湿喷法施工，喷射用混凝土由隧道外拌合站集中拌合，混凝土罐车运输到施工区域。施工中采用了 TK-961湿喷机配合机械手喷射，分初喷和复喷二次进行。初喷在开挖后立即进行，复喷在锚杆、挂网和钢架安装后进行。

（1） 喷射前准备工作

喷射前先进行受喷面处理，除去表面危石和欠挖部分，施工前用高压风将岩面杂质吹干净，用高压水冲洗干净岩面。施工时遇到了表面水量大的情况，采取措施将水集中引排，使之在初期支护背后形成永久排水孔。

（2）湿喷工艺

施工顺序为先拱脚后拱腰，最后拱顶分区域进行。喷射时，送风之前先打开计量泵，以免高压混凝土拌合物堵塞速凝剂环喷射孔；送风后及时调整风压，使压力控制在0.45～0.7Mpa之间。若风压过大，粗骨料碰到围岩后会回弹造成质量和安全隐患，风压过小，喷射动能则小，粗骨料冲不进砂浆层而脱落，都将导致回弹量增大。喷嘴与岩面的距离保持在80～100cm之间，太近太远都会增加回弹量。施工时将喷嘴固定在了机械手上进行作业，喷射方向尽量与受喷面保持垂直，拱部尽可能以直径方向喷射；遇到受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏斜。初期喷射混凝土厚度为5cm左右，复喷混凝土采用分层施工至设计厚度。为防止回弹物附着在未喷的围岩面上而影响喷层与岩面的粘结力，按照从下往上施喷，呈“S”形运动；喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，每圈压住前面半圈的方法施工，力求喷出的砼层面平顺和光滑。

（3）混凝土复喷工艺

初喷结束后，再进行锚杆施工，施工中做到了锚杆孔与岩面垂直，孔深和间距布设严格按照设计要求尺寸进行布设。当锚杆、钢筋网片、和工字钢拱架施工完毕后，进行混凝土复喷工作，施工时采用分层进行复喷工作，每层厚度控制在

5cm左右，钢拱架保护层厚度保证在2～3cm，其施工方法与初期喷射混凝土方法相同。整个喷射混凝土面做到平整、顺直，总厚度充分保证了26cm的设计厚度。

2、初期支护中锚杆施工

隧道施工中均采用20MnSiΦ22药卷锚杆，长度L=2.5m，梅花型布设，间距1.2m×1.2m。施工前严格按照设计图纸要求进行锚杆孔位的定位工作，施工时采用了采用风动锚杆钻机或风钻利用多功能台架钻孔，钻至设计深度后，用高压风吹孔，将孔中杂质吹干净。药包先浸水，浸水前，先在其端头扎两个透气孔，然后竖直浸入水中约1～2分钟，待不冒气泡时，取出药包，按计算数量逐个依次装入孔内，再将锚杆插入，缓慢转动以破碎药包，连续转动时间不少于1分钟，以保证充分搅拌均匀。托板和紧固螺帽在搅动完毕后20分钟后进行安装。

3、初期支护钢筋网施工

钢筋网挂网作业时，钢筋网片采用Φ8的光圆钢筋，间距20cm×20cm，钢筋网与锚杆连接牢固后，钢筋网之间采用了焊接连接，与初期喷射混凝土表面紧密贴合并保证不大于3cm，钢筋保护层不小于1cm。

4、初期支护工字钢施工

进行工字钢施工工序，设计隧道初期支护采用18工字钢拱架，间距50cm。根据设计图纸组装要求，分拱部和边墙三部分分开加工，最后后组装成一个整体。为了增加其整体性和稳定性，将其与纵向连接钢筋、定位钢筋、结构锚杆、锁脚锚杆牢固的焊接在一起。工字钢拱架在安装时，做到了倾斜角度小于2度，纵向偏差小于5cm。

5、 ECB/EVA共挤防窜流复合防水板施工

当喷射混凝土达到设计强度后，进行ECB/EVA共挤防窜流复合防水板施工工作，铺设防水板之前，先检查初期支护表面是否平整，锚杆有突出部位时，端部预留5cm,其余切掉，并用塑料帽将其封好。初期支护表面没有空鼓、裂缝、松酥，表面做到平顺，凹凸值小于5cm。

防水板超前二次衬砌10m～20m施工，铺设采用专用台车，焊接采用自动爬行热焊机进行焊接。在防水板背后排水管布设，环向采用HC3.5半圆形透水管，横向透水管布设Φ110（高密度聚乙烯管）HDPE透水管,所有的Φ110HDPE透水管汇聚的水再通过Ω排水管引出溶洞区域。富水地段光爆效果差，环向排水管安设困难，喷射砼附着困难，防水板无法铺设，采取以下方法进行处理，确保防水板能正常铺设。对成股向外涌水段，根据水流量大小，采用埋设多根Φ300透水软管。在淋水段，预铺一层防水板引水，然后按设计铺设防水板。

排水管施工时，排水管预埋采用人工配合小型机具进行，横向排水管与隧道

排水沟相接，纵向排水管全线贯通。最后进行40cm混凝土二衬施工，施工实践证明用此方法进行溶洞处理和初期支护施工以及后期施工的混凝土二衬完全支撑了洞身区域溶洞围岩和溶水水头的压力，充分保证了结构的稳定和安全。见(图1)

（二）隧道有填充物情况施工方案

在围岩类型较好（Ⅱ、Ⅲ级），隧道拱顶处大范围有填充物溶洞处理时，沿线路前进方向，拱顶区域先水平施工Φ32×6mm自进式锚杆，L=500cm，锚杆间距30cm×30cm，对破碎岩层进行超前支护和永久支护。

1、 Φ32超前自进式锚杆施工要求（见后附图2）

Φ32×6mm自进式锚杆，锚杆间距30cm×30cm，锚杆外径32mm，锚杆采用厚壁6mm无缝钢管材料制作，锚杆体为中空结构、钻头采用自进式钻头，按照钻孔、注浆、锚固等工序施工。

锚杆安装采用凿岩机安装，施工前检查锚杆中孔，然后连接钻头和锚杆、连接凿岩机和钎尾、连接钻机连接套和钎尾、连接锚杆和钻机连接套，锚杆对准设计的锚孔位置，凿岩机钻进。施工时保证了锚杆与衬砌中线平行以8～12°仰角打入拱部围岩。锚杆环向间距为30cm，超前锚杆保持1.5m的搭接长度。超前锚杆尾部焊接于钢拱架上，连接成整体。在较完整岩石中钻进时，钻头水孔不易堵塞，按正常钻进程序钻进；在破碎岩层中钻进时，钻头水孔易堵塞，在钻进过程时，放慢钻进速度，多回转，少冲击。

钻进至设计深度后，用水或高压风洗孔，检查钻头水孔是否畅通，确认畅通后将钻机连接套从锚杆上卸下。若锚杆需加长，用锚杆连接套连接已施作锚杆和另一根锚杆，然后重复上述步骤，钻进至设计深度。然后用钢管将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口10cm左右，最后安装垫板及螺母。

2、锚杆注浆施工要点

注浆前先进行了现场试验，通过现场试验按设计要求和实际情况确定注浆参数。注浆采用水泥～水玻璃浆液，水泥浆水灰比1：1，水泥浆与水玻璃体积比1：0.5，水玻璃浓度35波美度。模数2.4—3.4，水泥强度42.5MPa， 注浆压力：初压0.5～1.0Mpa 终压2.0Mpa。注浆机械：采用KBY-50/70双液注浆机，浆液由水泥砂浆拌合机和TBW50/15混浆泵拌制，浆液扩散半径大于0.5m。

注浆顺序从溶洞两侧向中间区域进行，注浆过程中密切观察注浆饱满程度和设计压力值、注浆质量，发现有漏浆等情况及时处理。

注浆过程中，根据注浆饱满程度和设计压力值，调整和控制注浆进度，确保

注浆质量达到设计和规范要求。实际施工中做到注浆饱满很重要，这样可以充分提高围岩的承载力，依靠浆液的压力将破碎围岩填充固结，充分填充裂隙，通过挤密作用达到加固和堵水作用。注浆完成后，及时安装止浆塞，将止浆塞安装在锚孔内距离孔口25cm处。及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆紧密充填，增强锚杆刚度和强度。同时特别注意锚杆末段外露10cm，切不可过长或过短。

其余工序内容包括C20喷射混凝土初喷施工、20MnSiΦ22药卷锚杆施工、钢筋网施工、18工字钢拱架、喷射混凝土复喷施工、防水板施工，施工方法同前面隧道无填充物或填充物很少情况施工方案。

（三）遇到其他溶洞处理情况

1、在隧道实际施工中存在停止发育、水量很少和无充填物的溶洞，根据其与隧道相交位置及其充填情况，还可以采用混凝土或浆砌片石予以回填封闭、结构物跨越等，并根据地质情况决定是否加深边墙基础。

2、隧道在不同部位遇到溶洞跨越措施

（1）当隧道一侧遇到狭长而较深溶洞，加深该侧边墙基础通过。

（2）当隧底遇有较大溶洞并有流水时，在隧底以下施工涵管引排溶洞水，并用混凝土将隧底与涵洞顶板间空隙回填密实。

（3）当隧道中部及底部遇有深狭溶洞时，可加强两边边墙基础，并根据情况设钢筋混凝土板梁通过，施工溶洞地段时，要准备足够数量的排水设备， 施工中特别注意检查溶洞顶板部位，及时处理危石。当溶洞较大较高时，设置施工防护架或钢筋防护网。在溶蚀地段爆破作业，尽量作到多打眼、打浅眼，并控制药量。在溶洞充填体中掘进，如充填物松软时，用超前支护法施工。如充填物为极松散的砾、块石堆积或有水，开挖前采取预注浆加固。

（4）当与隧道相交的溶洞规模较大时，施工时采用了桩基础和注浆加固方案。在探明前方将出现大溶洞时，采用了超前长管棚预支护，管棚搭设在稳定围岩上。管棚施工完毕后注入双液浆，使岩溶充填物固结稳定。在长管棚的保护下先开挖桩基软弱部分，先施工初期支护，再施工人工挖孔桩、纵梁及横梁。桩基设于二衬混凝土边墙脚下，桩端嵌入稳定岩体内。纵梁和横梁同时现浇，对开挖后基础用C15混凝土整平。

四、结束语

综合所述，通过施工中不断总结溶洞处理措施和初期支护方法，使施工中遇到类似的问题都能迎刃而解，不仅提高了岩溶地区隧道的施工水平，而且确保了安全生产和工程质量，大大增加了企业效益。