溶洞处理施工技术

断层破碎带隧道溶洞处理施工技术总结中铁十四局集团贾文龙【摘要】当大跨度公路隧道处于断层破碎带并穿越溶洞时，因地质条件复杂、围岩整体稳定性差，使得当前和后续施工的质量和安全保证难度更大、要求更高，所以，在确定施工方案尤其溶洞处理技术方案时，必须本着“确保当前，兼顾后续”的原则。本文介绍了中铁十四局集团在龙潭隧道左线施工中的溶洞处理技术方案，该技术方案以“逐步揭露、逐段稳固，各种支护结构协同作用”为主旨、“自稳塌体，填实腔体，固结岩体”为步序，在实现顺利穿越溶洞的同时，加强超前支护保障后续施工。关键词隧道断层破碎带溶洞确保兼顾一、工程概况龙潭隧道位于湖北省长阳县土家族自治县境内，是一座双线分离式公路隧道，左线起讫里程ZK65+516∽ZK74+209，全长8693m，是目前我国第二公路长隧。隧道设计为三心圆曲墙式衬砌形式，建筑界限宽9.75m，净高5.0m。隧道正洞洞身最大开挖跨度12.55m,开挖高度10.76m,开挖断面大。隧道穿越区地层呈单斜构造，次级断层，隧道区属于中等偏高地应场区。地质勘探表明左洞有540延米，右洞有830延米段属岩溶与岩溶水发育段，围岩不完整，存在溶洞，且为链状，渗水量大。该隧道出口端岩质多为中厚层壮碳酸岩，山体沟脊相间，最高山脊处洞身埋深约500m，最低沟谷处洞身埋深80m。二、溶洞情况介绍龙潭隧道左线从两洞口相向开挖，出口端从大里程向小里程施工。ZK71+150∽ZK72+810段为裂隙水、岩溶水发育的岩溶区，而ZK72+723∽ZK72+777段为岩溶区段内的F2断层破碎带，岩体破碎、地质性状差，且岩溶比较发育。当施工至ZK72+770里程时遇到溶洞，溶腔位置位于掌子面右侧自开挖底板向上2m左右的范围，溶腔在开挖轮廓范围内，约3m2，溶穴内被含水性黄土和石块充填，有渗水，局部渗水形成滴落。由于溶腔被揭露的部份较小，充填的土石体未出现坍塌，但溶腔范围逐渐扩大有向上部扩展的趋势施工至ZK72+767里程时，掌子面及拱顶发生塌方，塌方体为溶腔内的土石充填物，约40m3左右，溶腔被进一步揭露：溶腔范围扩大至隧道掌子面右侧拱部开挖轮廓线以外，由于控制了掘进进尺，溶腔未全部揭露，但溶腔的右上部已经向前上方延伸2-3m（溶腔断面见图1所示），当溶洞揭露部分处理完毕，以小进尺掘进至ZK72+764里程时，掌子面及拱顶再次发生大规模塌方，塌方体仍为溶腔内的充填土石，溶腔被全面揭露（溶腔断面见图2所示），溶腔壁为岩石夹泥，有渗水，局部成股留下。溶穴范围以外的围岩节理裂隙发育，节理面内充填湿泥层，岩体稳定性差，容易发生岩体沿节理面滑落的危险。三、溶洞处理技术方案1．方案简述溶洞的处理，本着边揭露边稳固的原则，先将前期揭露的腔体做砼充填、加强支护保证后期施工空间安全后，再逐步揭露、处理。对ZK72+767里程揭露的溶腔，首先继续由塌穴自然坍塌直至达到自然稳定，然后利用机械排险后喷射砼封闭掌子面及整个溶腔壁表面；喷射混凝土达到一定强度后，清理拱脚架立型钢拱架；拱架施作完成后及时施作连接钢筋和钢筋网片，并预埋泵送砼管，然后喷射砼形成初期支护壳体；待初期支护壳体达到承载强度后，向塌穴内分层泵送压入砼。对ZK72+767里程揭露的溶腔，由于塌穴范围大并且间歇性有小规模土石塌落，所以处理时各种支护措施都相应增强。首先继续由塌穴自然坍塌直至达到自稳；然后回填洞碴施作下台阶（后续洞身掘进采用台阶法，同时作为塌方处理的作业平台）；利用机械排险后喷射砼封闭掌子面及整个溶腔壁表面；喷射混凝土达到一定强度后，对掌子面欠挖处进行补挖处理，至到设计轮廓线后，再进行喷砼封闭；补挖及喷砼施作完成后，施作超前钢管棚架并注浆，超前管棚同时又作为型钢拱架施作时的支撑梁和滑轨；拱架施作完成后及时施作链接钢筋和钢筋网片，并预埋泵送砼管，然后喷射砼形成初期支护壳体；待初期支护壳达到承载强度后，向塌穴内泵送压入充砼施作砼护拱；最后向砼护拱上方吹入砂子作为缓冲层。2．施工工艺流程(1).溶腔全部揭露前的施工流程图及处理方案示意图分别见图3、图5：充填物充填物自然塌落达到自稳机械排险初喷封闭掌子面及溶腔壁架设型钢拱架，预埋泵送管喷射砼形成初期支护壳体砌筑堵头墙施作连接筋及网片泵送混凝土施工护拱短进尺开挖掘进图3(2).溶腔全部揭露后的施工流程图及处理方案示意图分别见图5、图6：回填洞碴施作下台阶回填洞碴施作下台阶机械排险初喷封闭掌子面施作钢管棚架，注浆喷射砼形成初期支护壳体压注砼，充填塌穴形成1.5m砼护拱架设型钢拱架护拱背后吹入砂子作为缓冲层台阶法施作洞身充填物自然塌落达到自稳图53．各施工步序说明①．溶腔坍塌后，不要急于扰动岩体及塌方体，因为该段隧道处于断层破碎带，且有溶洞出现，根据岩体渗水情况看，该段地下水丰富，对以泥质为主的岩体稳定行有很大影响，大规模塌方过后随时可能出现小的坍塌体。所以，要任溶穴自由坍塌一段时间直至达到自然稳定方可进行下步处理。②．回填洞碴施作下台阶为保持掌子面岩体稳定，防止继续大规模坍塌，同时作为溶腔处理的作业平台和后续洞身台阶法施工的台阶，先用右洞的石碴在掌子面堆填8～10m左右长度的平台，平台顶面距离设计开挖轮廓拱顶5.5m，并在平台范围外做出斜坡道供机械等上下（见下图7所示）。施作要点：堆填所用的石碴必需选用石质较好、砾径适中的，尤其两拱脚部位，必须保证不宜下沉、有足够的承载力。③．机械排险下台阶平台堆填完成后，其他机械设备到位前，首先对掌子面进行排险。排险采用挖掘机完成，机身在已经施作完成的初期支护范围内。操作要求：务必保证排险彻底，不留隐患。④．初喷封闭掌子面排险后立即初喷封闭掌子面。根据实际情况，初喷采用素喷砼，喷射范围为整个塌穴表面及塌穴范围外的裸露岩体；喷射厚度35～40cm。喷射砼时必须有专职安全员在场盯班，以保证施作过程安全。⑤．施作钢管棚架，注浆为保证后序施工安全进行超前管棚支护，同时保证目前塌方的溶腔范围内进行各种施工的安全，并作为钢拱架施作时的支撑管架，初喷掌子面后，在拱部范围打设一环钢管。钢管采用φ108钢管，环向间距50cm；长度保证前方（以里程减小方向为前）进入掌子面岩体不小于15m、后方在已经施作完成的初期支护内1m左右；为保证钢管棚架有足够刚度，打设完成后其内压入水泥浆，浆液水灰比为0.4；为保证有足够支承力，在钢管外端端头施作一榀支撑钢拱架。支撑钢管施作示意图见下图8（修改）、图9钢管棚注浆施工工艺流程图见下图10所示。封闭工作面封闭工作面准备工作制造花钢管安设管棚机具设备检修连接管路及密封孔口压水检查达到要求注浆压力流量达到要求求是钻孔拌浆结束是否否图10⑥．架设型钢拱架架立钢管施作完成后，架设型钢拱架。利用钢管挠度，钢管外端与已经施作完成的初期支护内壁形成间隙，同时，利用钢管的支撑作用和滑道作用，在间隙内将拱架水平推入至设计位置，避免操作人员直接进入塌穴范围内，保证施工安全，按照设计要求布置到位后连接固定完成架立。钢拱架架立时，预留15cm的沉降量。因掌子面右侧基底较为软弱，为防止钢架拱脚下沉，拱架右侧进行扩大拱脚处理，见下图11所示：钢拱架架立完成后，为保证钢拱架的整体稳定性，及时施作连接钢筋和钢筋网并焊填饱满，增强拱架、连接钢筋、钢筋网片的整体牢固性；在每榀拱架右侧拱脚处焊接I14工字钢将拱架连接起来（以面对掌子面方向为前），以避免因拱脚岩体软弱造成拱架下沉，同时增加拱架的整体稳定性；为使喷射混凝土腔壳容易形成，在拱架外部交错铺设双层钢筋网，钢筋网外敷复合式防水板作为拱背封挡；喷射砼壳体厚度为26cm。拱架及其他钢筋部件施作完成后，焊接固定预埋泵送砼管。泵送管预留时顶端距离塌穴顶50cm，预留在喷砼护拱下部的管口端不少于30cm。⑦．喷射砼形成腔壳喷射砼前先将预留泵送砼管口封堵，以防止喷砼堵塞管道。喷射砼时严格按照施作要求进行，务必保证喷砼层的密实度和整体厚度，以达到承载要求。⑧．压注砼，充填塌穴待腔壳喷射砼强度达到80%以上以后，遂泵送压注砼充填塌穴。充填砼型号为C25，分层压注，每层压注厚度1.0m左右。施作要点：压砼前，估算塌穴尺寸计算需要压入砼的方量，以避免压入量不足或压入过多；后一次压砼必需在前一次压入的砼强度达到设计强度的80%以上方可进行；安设拱架时，根据塌穴的总高度确定每次压注厚度后，埋设每层混凝土压注时的检查管，检查管采用φ42钢管，埋设位置尽量在溶穴最高处并保证浇筑过程中不会被混凝土堵塞。充填砼施作完成后，利用喷射砼设备向砼护拱上方吹入砂子填充护拱和塌穴壁间的空隙作为缓冲层。以上塌穴处理措施实施完成，待充填砼达到设计强度后，即可对洞身按照台阶法进行施作。4．安全保证措施①．由于施工作业面存在坍塌、落石等危险，在隧道通过溶洞的施工过程中，务必严格控制施工人员选配，抽调技术熟练的职工组成施工工班，本着精简、干练的原则组织人员进行施工，严禁多余人等进入工作面。②．塌方处理施工期间，必须加强隧道内的通风、照明及材料供应的及时正常。③．初喷砼封闭掌子面及塌穴壁的施作是处理措施中重要的一环，关系到后续施作的安全和能否正常进行，所以，初喷施作必需保证受喷面充分、喷射厚度充分、初喷时间及时。④．下台阶施作完成后，在掌子面以外用沙袋堆筑一道60～100cm高的挡护墙，以防止掌子面突发坍塌造成更大危险。四、结束语岩溶地层是影响隧道施工的比较常见也是比较严重的特殊地质之一，处理溶洞的具体方法多种多样，各有所长。施工中必须掌握围