岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工工法刍议

岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工工法刍议

周涛

中铁五局集团成都工程有限责任公司 

摘 要：随着国家发展，对高速铁路需求越来越大，铁路长、大、深埋及地质条件复杂隧道越来越多，一定地质条件下往往易于发生岩溶隧道涌水涌泥等难以处治或处治成本较高的地质灾害。岩溶隧道涌水涌泥是一种危害程度大、整治费用高、整治周期长的地质灾害，目前地下工程涌水涌泥已经成为了困扰地下工程界的一大难题，因为地质情况复杂多变，勘察手段有限，岩溶发育又多种多样，针对不同的地质情况，采用何种工法能低成本且有效的处治涌水涌泥情况，对于地下工程来说意义重大。

关键词：岩溶隧道；雨水型溶槽；涌水涌泥；施工工法；刍议

引言:

郑万高铁湖北段10标荣家湾隧道进口工区为极高风险隧道，隧道岩溶强烈发育，隧道掘进过程中遇中大型溶洞十多处，其中较大型涌水涌泥现象3次,小型涌水涌泥现象15次，现场采用岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工工法，安全快速有效的处治了涌水涌泥情况，极大程度的确保了施工工期，经监理、业主、地方质检站的多次联合检查，对处治方法及施工质量，多次予以肯定。

一、工艺原理

本工法的原理是根据本隧道的地质情况，通过：“一看、二清、三填、四泵、五超前、六探、七排”的方法，遵循：“化大为小、短进尺、多循环、弱爆破、强支护、快衬砌”的原则，严格按照“先排淤、后注浆、在开挖、注浆一段、探测一段、开挖一段、支护一段、成环一段”的作业程序，实现岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥的安全快速施工。

二、施工工艺流程及操作要点

（一）施工工艺流程

岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工工法工艺流程图见图2.1.

图2.1  岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工工艺流程图

（二）操作要点

1.超前地质预报

荣家湾隧道属于溶蚀中低山，岩溶槽谷地貌区，根据设计情况预测隧道最大涌水量为128838m³/d，隧道位于上扬子南部被动边缘折冲带之八面山台坪褶皱带，隧道北南部各发育一小一大背斜构造。不良地质主要为岩溶、滑坡、岩堆、危岩落石、顺层及顺层偏压，地质情况较为复杂。本隧道超前地质预报采用钻探和物探结合的方法，物探法有TST(Tunnel Seismic Tomography) 法，TST法可有效地判别和滤除侧面和上下地层的地震回波，仅保留掌子面前方回波，能有效的避免虚报和误报；地质雷达法能准确的对前方短距离进行精探；瞬变电磁法对周边隐伏岩溶进行探测。钻探法采用加深炮孔和超前钻探结合的方法。通过钻探和物探对隧道前方地质情况进行综合评判来确定前方岩溶和地质情况来指导施工。隧道施工必须牢固树立“先探后掘”的思想充分调查地质情况，才能保障隧道施工安全，提高施工进度，保证施工质量，降低施工成本。

图2.2.1-1  掌子面围岩照片

2.爆破设计

本隧道采用的是矿山法开挖，而爆破作为开挖的工具，其设计对爆破能否成功意义重大。本隧道属于溶蚀中低山，岩溶槽谷地貌区，爆破需采用弱爆破，防止围岩的扰动，爆破设计需遵从以下原则：

1）爆破设计进尺应符合设计及规范要求；

2）荣家湾隧道爆破采用水压爆破，水压爆破是利用水的不可压缩性，使爆炸能量在几乎无衰减的情况下，通过水 “钢性”传递到炮眼周围的岩体中，减少岩石的炸药消耗量。在爆炸气体膨胀作用下产生大量的“水弹”，进一步击碎岩石。炮眼中的水在爆炸气体膨胀作用下产生雾化，捕捉粉尘，降低粉尘浓度；

3）周边眼部位应多打孔少装药或者间隔装药；

4）采用多段位微差毫秒雷管，避免段位少同时起爆引起冲击波叠加，造成围岩扰动；

5）周边眼间距30～45cm，周边眼抵抗线45～60cm，相对距离（周边眼间距/周边眼抵抗线）0.75～0.80，围岩软弱时周边眼间距采取最小值；

6）装药时采用反向装药提高炸药效能和爆破效果；

7）装药时应不耦合装药，避免爆破粉碎区出现导致爆破能量削减，达不到爆破效果；

8）炮孔应采用炮泥堵塞，堵塞长度一般不小于炮孔的20～30d；

9）爆破设计应为动态设计，每循环需要根据现场围岩情况适当做出调整。

图2.2.2-1  炮泥制作照片                     图2.2.2-2  水袋制作照片

3.超前支护施工

本隧是采用新奥法原理设计和施工的，新奥法的内在含义是：保护围岩，充分调动和发挥围岩的自承能力，而超前支护是软岩隧道采用新奥法施工的重要环节之一。

本工法超前支护采用的是φ76中管棚加φ42超前小导管注浆支护，中管棚环向间距40cm,纵向间距6m,搭接长度3m,每环50根，超前小导管环向间距40cm,纵向间距2.4m,搭接长度1.6m,每环50根，针对溶蚀强烈发育区采用中管棚与小导管相互间隔，形成棚洞的形式向前支护。超前注浆是超前支护的重要环节之一，可直接决定超前支护的效果，浆液可在压力的作用下渗透、扩散至围岩孔隙或者裂隙中改善围岩的物理学性能，在开挖面周围形成一个壳状保护结构体。

注浆参数选择：

（1）注浆液选择

本隧岩性为灰岩，围岩节理发育，根据设计注浆宜采用水泥净浆，水胶比（1:1）。在断层破碎带、砂卵石层等特殊地段，可采用双液注浆，配合比一般根据现场试验确定。

（2）单孔理论注浆量计算

注浆液可根据试验确定，注浆量可计算单孔理论注浆量，来确定注浆效果

                                   （5-1）

                                                        （5-2）

式中：Q表示注浆量；

L表示两根注浆导管之间中心距离；

η表示岩体孔隙率（根据设计或试验确定）。

（3）注浆压力选择

                             （5-3）

式中：P注浆压力，kPa；

      γ表示围岩重量，kN/m³；

      h表示注浆岩体厚度（根据设计或试验确定）。

4.涌水涌泥情况处治

本隧处于岩溶槽谷地貌区，受雨水季节性影响涌水涌泥风险较大，采用岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工。处治方法如下：

（1）第一步（看）：由于本隧采用大断面施工，当正洞遇到岩溶时现场应拉设警戒线留置12小时观测时间，当探测到隐伏岩溶时候应施做泄压孔，探测溶洞类型，如遇填充形溶洞时应观察水压等情况，避免盲目施工；

（2）第二步（清）：当现场施工遇到涌水涌泥情况时，经过第一步观察后，在安全情况下，对涌出物进行清理，清理过程中应注意观察填充物形态，如果填充物单纯为红色或黄色泥浆时，溶洞可能为裂隙相对封闭形态，当填充物存在略发黑色泥土时可能为与地面联通的溶洞，相应的在隧道内点狼烟在地表进行观察进行相应的处理；

（3）第三步（填）：由于本隧道为双线大断面隧道，断面大且采用全断面施工，在涌水涌泥清理过后，进行洞渣反压回填，回填方量及高度（以盖过涌水涌泥通道1.5m为宜）根据现场实际情况进行确定；

（4）第四步（泵）：反压回填后，现场采用潜孔钻施做注浆孔，预埋注浆孔及排气孔，进行C25混凝土回填注浆，形成初支以外3m厚的保护壳；

（5）第五步（超前）：根据5.2.3条施做超前支护，形成棚洞与混个泥土回填保护壳形成一体，形成复合型的棚护体系；

（6）第六步（探）：隧道开挖需要遵循先探后挖的原则，岩溶隧道更是如此，需先探测一段，在开挖一段，当现场出现岩溶时应该结合TST报告、地质雷达，周边岩溶探测报告，对周边岩溶进行现场的钎探以及钻探，确定岩溶的发育形态及形式，以便于根据前面步骤进行相应的处理；

（7）第七步（排）：隧道涌水涌泥情况的发生往往始于岩溶发育且溶洞内内无排水通道或通道堵塞，为降低后期运营风险，做好排水显得格外重要，根据溶洞揭示后的状态确定现场排水措施，一般分为普通形溶洞，需在第五步棚户保护壳外吹沙形成反滤层，根据现场情况预留一定数量的φ200排水管，排水管采用无纺布包裹，一端伸入反滤层，一端将来接在隧道侧沟，隧道侧沟通过横向排水管与中心水沟联通，形成一整套的排水体系，本隧遇到的较大型涌水涌泥溶洞经过现场勘测为与地表联通的溶蚀裂隙槽，受雨水影响较大，现场排水措施为施做泄水洞与现场雨水型溶蚀裂隙槽联通，通过涵洞将泄水洞与正洞平导联通，形成可以抵御较大排水量的排水体系。

图2.2.4-1  现场钻探孔涌水照片            图2.2.4-2  现场反压回填后照片

图2.2.4-3  现场泵送混凝土回填照片     图2.2.4-4  现场岩溶情况钻探照片

5.初期支护

本隧道设计为单洞双线隧道，开挖面积V级围岩情况下要达到155㎡，高宽比为1:1.2，断面形状过于扁平，随着高宽比的减小隧道岩溶强烈发育，隧道开挖后围岩应力重分部更加不利，围岩内最大主应力与衬砌拱顶处最大弯矩急剧增加，外加本隧道为顺层偏压、岩溶强烈发育的一级高风险隧道更容易出现塑性区和大变形区，因此需要强大的支护结构来保持隧道稳定。隧道开挖宽度越大围岩松弛范围越大，要求产生普氏拱作用的埋深越大，在隧道埋深不能满足普氏拱作用要求时，支护结构底脚应力更加集中，隧道初期支护结构将受到更大的围岩松弛荷载，受力条件更加不利。

本隧道前期为全断面不带仰拱施工，现场突发涌水涌泥情况后经过反压回填初期支护采用的工法为三台阶加临时仰拱法，结合岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥七步处治施工法形成了一套完整的针对岩溶隧道涌水涌泥处治及支护的施工方法，支护方法如下：

（1）掌子面在开挖出渣完成后进行初喷封闭作业；

图2.2.5-1  掌子面初喷封闭照片

（2）锚杆施做：锚杆施工作用是“支承围岩、加固围岩”，对隧道开挖后周边已扰动的围岩起到限制约束围岩变形与支撑围岩的作用，在锚杆施做注浆后可以在松动围岩区形成拱状加固带起到支承作用。本隧锚杆采用的是φ25mm涨壳式预应力锚杆，具体施工步骤入下：

①锚杆施做在掌子面初喷完成后施工；

②锚杆孔定位：根据设计锚杆间距要求，悬挂中线，通过尺量对锚杆孔位采用红油漆做出标记；

③钻孔：涨壳式锚杆对孔位要求较高，需要采用十字钻头确保孔位顺直，根据涨壳大小确定钻头大小，本隧采用的是φ25杆体加φ41环向齿表面涨壳锚固件的锚杆，钻孔采用的是φ50十字钻头，钻孔后采用高压风清孔，检查孔径、孔深、孔距和钻孔顺直度是否满足设计要求。

④锚杆安装：锚杆安装时需要顺孔推送，不能锤击，不能转杆体防止涨壳打开，杆体推送完成后安装锚杆锚杆垫板、止浆塞和螺帽，锚杆垫板上有排气孔安装时应注意位置，当安装失败时需要在本根锚杆旁边重新打孔安装。

图2.2.5-2  预应力锚杆示意图

⑤预应力张拉：锚杆安装时应先将初喷位置混凝土找平确保垫板与初支基面密贴，采用风动扳手进行预应力涨拉，预应力值根据设计要求确定。

⑥锚杆注浆：注浆液根据设计确定，本隧采用1:1水泥净浆，注浆时不宜升压过快便于排出孔内空气，当压力达到设计值时需稳压3～5min，便于浆液渗透进入围岩缝隙中。

（3）挂网：钢筋网片在初喷后铺挂，使混凝土形成一体，存在滑层或者掉块造成超挖较大时需要铺设双层钢筋网片，第二层在第一层被混凝土覆盖后铺设，钢筋网搭接应为1～2网格。

（4）立架：拱架一般与锚杆、钢筋网和喷射混凝土结合在一起作为初期支护结构，钢架一般可承受较大围岩初期压力，本隧为顺层偏压岩溶强烈发育隧道在掌子面遇岩溶强烈发育时，初期支护型钢采用I25工字钢，间距80cm/榀。具体施工方法如下：

①拱架安装应该根据监控量测情况适当预留变形量；

②立架时拱架与基面间空隙2m/道安装混凝土垫块，确保拱架受力且受力均匀，避免围岩松散圈扩大造成更大的围岩松弛荷载；

③初支拱脚应支垫牢固，因为开挖宽度过大，开挖后围岩松散圈范围也越大，初支受力后拱脚处应力更加集中，这就需要拱脚必须支垫牢固增大受力面积，如果支垫不稳隧道可造成初支下沉开裂变形，进而初支失稳；

④本隧道为岩溶强烈发育隧道，为了保证初支整体性在岩溶处纵向连接需要加强，本隧在岩溶处采用I20b纵向连接型钢进行纵向连接增强，环向间距1m/道，纵向连接型钢施做可根据设计要求施做，设计未要求时可根据监控量测数值进行选择性施做，确保初支稳定性；

⑤拱架作为初期压力承受的主要结构，其稳定性极其重要，锁脚则为保证拱架稳定不发生位移的首选措施，本隧锁脚采用双排锁脚一排为φ42无缝钢管长4.5m,壁厚3.5mm，一排为φ60锁脚锚管长度根据现场情况而定,壁厚6mm，施做角度根据现场围岩节理情况尽可能垂直围岩节理，施做后进行注浆。

（5）喷浆：喷射混凝土采用湿喷机进行喷射，现场采用埋钉法控制喷射混凝土厚度，喷浆需自下而上进行，喷射角度与受喷面垂直，必要时候预留注浆管喷浆结束后进行压浆。

（6）临时仰拱：临时仰拱在中台阶初支完成后进行施做，目的是对上中台阶进行临时封闭成环，减小岩溶及爆破扰动对围岩的影响，临时仰拱在下台阶施工完成后进行拆除。

6.监控量测

监控量测作为新奥法的核心，在现场施工过程中起到了极大的指导作用，本隧主要监测项目为拱顶下沉和净空收敛，监测频率见下表：

注：根据此表量测频率按照最高频率进行量测，有特殊情况时需加大频率

表2.2.6-1监控量测频率表

三、应用实例

荣家湾隧道位于巴东北～巫山区间，全长6625m，其中进口工区占5440m，荣家湾隧道属于溶蚀中低山，岩溶槽谷地貌区，根据设计情况预测隧道最大涌水量为  128838m³/d，隧道位于上扬子南部被动边缘折冲带之八面山台坪褶皱带，隧道北南部各发育一小一大背斜构造，其岩层伴生较多次褶皱,本隧道不良地质主要为断层、褶皱、岩堆、顺层偏压，地质情况较为复杂，是本标段的重难点工程，设计为I级高风险隧道。

荣家湾隧道进口是本标段重难点隧道极高风险隧道，隧道掘进中出现上百处溶洞，其中较大型涌水涌泥现象3次,小型涌水涌泥现象15次，本工法志在解决岩溶隧道雨水型溶槽涌水涌泥安全快速施工问题，项目部组织了研究管理团队，施工过程中通过对岩溶隧道涌水涌泥及围岩变形基理研究，从涌水涌泥处治、超前支护、开挖、初期支护、监控量测、初支加固、施工组织、机械化配套安全教育培训等方面进行了科学施工管理，该工法对隧道施工的安全、工期、经济和社会效益起到了极大作用。荣家湾隧道进口工区浅埋段涌水涌泥岩溶隧道施工取得了成功，保障了隧道施工顺利，加快了施工进度，确保了施工安全、质量、进度和成本，取得了良好的经济和社会效益。在历次各大检查中隧道未出现大的安全隐患，工程实体质量经自检和第三方无损检测无实体质量问题，总体质量达标可控。

结束语:

1.在可溶岩地区隧道施工应尽量顺坡施工，有利于施工过程中涌水的排泄。在选线过程中也应合理考虑，避免无辅助坑道的单坡长大岩溶隧道。

2.

处于地下水季节循环带的岩溶浅埋隧道，在设计阶段合理估算其涌水量，避免考虑不足造成灾害或设计保守造成浪费。

参考文献:

［1］袁道先．中国岩溶学［M］．北京:地质出版社，1993．

［2］刘招伟．圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策［D］．北京:中国地质大学，2004．

［3］张雨露，冯涛．黔桂线拉岜隧道岩溶特征及整治措施［J］．铁道建筑，2011，51(8):30-33．