中铁五局集团成都公司郑万高铁湖北段项目 总工程师
摘要：本文介绍了郑万高铁湖北段荣家湾隧道岩溶施工技术，从岩溶分类、岩溶风险、各类复杂岩溶处治技术、岩溶隧道监控、超前地质预报及岩溶探测等方面进行了简要说明，通过有效的超前地质预报和探测手段提前探明岩溶发展情况，有针对性的进行岩溶处治，保证隧道施工质量，降低岩溶安全风险，确保隧道施工安全，希望能给大家在岩溶隧道施工中提供一些参考。
关键词：岩溶溶洞隧道地质处治；风险
1工程概况
1.1工程简介
荣家湾隧道位于巴东北～巫山区间，全长6625m。隧道穿越主要不良地质为岩溶、危岩落石、顺层偏压，特殊岩土盐溶角砾岩，DK627+060～DK627+400段下穿地表岩溶槽谷底洼地带，埋深仅4.9米，DK621+630～DK627+460段穿越可溶岩，溶隙裂隙水、岩溶管道水发育，预测全隧最大涌水量128838m3/d。荣家湾隧道穿越浅埋层、岩溶发育、涌水量大，存在反坡排水施工，与既有公路交叉及临近房屋较多，是本标段的重难点工程，设计为I级风险隧道。
隧道于线路右侧35m设置无轨运输扩大断面单车道平导一座，长度4505m；施工期间平导起到提前预判前方围岩作用，运营期间平导作为排水、疏散通道。接平导预设计泄水洞，全长1395m。
1.2工程地质及水文地质
1.2.1工程地质
隧址属溶蚀中低山。岩溶槽谷地貌区、丘脊槽谷相间出现。DK621+ 620~DK627+500段地下水以岩溶水为主，隧道位于岩溶水垂直渗流带与季节交替带，地下水发育，隧道岩溶强烈发育。
1.2.2水文地质
隧址区内地表水系均属长江水系。隧址区内地下水以溶岩水为主，预测本隧道最大涌水量为Qmax=128838m³/d。
2隧道岩溶分类及风险分析
2.1岩溶分类
2.1.1按形态及规模大小分类
（1）洞穴型岩溶：指发育规模小于50m3的洞穴型干溶洞或充填型溶洞。（2）裂隙型岩溶：岩溶裂隙宽度一般的1cm~1m，平均延续性好。（3）管道型岩溶：一般管道直径规模φ≤2m。（4）大型溶洞：指发育规模大于50m3的干溶洞或充填型溶洞。
2.1.2按充填性特征分类
（1）充填型岩溶；（2）半充填型岩溶；（3）无充填型岩溶。
2.1.3按充填物性质分类
（1）充填黏土型岩溶；（2）充填淤泥型岩溶；（3）充填块石土型岩溶；（4）充填泥砾石型岩溶；（5）充水型岩溶。
2.1.4按岩溶涌水量分类
（1）特大涌水型岩溶；（2）大量涌水型岩溶；（3）中等涌水型岩溶；（4）少量涌水型岩溶；（5）微量涌水型岩溶。
2.1.5按涌水量动态变化特征分类
（1）水文型岩溶；（2）稳定型岩溶；（3）突发型岩溶。
2.2岩溶风险分析
岩溶对隧道对施工的影响巨大，溶洞的存在会使得围岩应力不均匀分布，并且这种不均匀分布通常无规律可循，这会使得隧道支护结构发生开裂，甚至引起隧道塌方，尤其是大型溶洞，不但会延误工期，造成工程投资的增加，甚至还会危及施工人员的人身安全。由于岩溶的发生、发展与水密不可分，因此一旦发生塌方，通常会伴随着突泥、突水。更为严重的是，当含水填充物不断涌入隧道，会造成隧道周边位移的扩大，导致地表开裂下沉，引发山体滑坡，使得整个工程建设毁于一旦。
2.2.1岩溶隧道涌水突泥风险
表1岩溶隧道涌水量对应风险危害表
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3岩溶隧道超前地质预报及岩溶探测
3.1超前地质预报
表2综合超前地质预报主要措施表
3.2隧底及周边隐伏岩溶探测
（1）首先采用风枪对隧道周边岩溶进行探测，是隐伏岩溶探测的最基本的手段，周围加布4~6孔验证，钻孔环向间距5m。
（2）隧底物探采用地质雷达法，物探深度在隧底以下20~30m范围内。
（3）隧底应进行钎探、风枪普查，隧底布置左、中、右3孔进行钎探，钎探深度5~6m。对发现溶洞及物探异常地段，钻探深度宜穿过溶洞底板以下5m。
4岩溶隧道施工处治技术
4.1岩溶隧道防治原则
4.1.1临界距离原则
由于岩溶隧道突水存在临界距离，因此首先采用综合超前地质勘探手段，查明岩溶的位置，然后在临界距离外，实施超前预注浆等加固措施；近距离穿越岩溶时，应减少爆破震动对围岩的扰动，确保隔水岩柱的稳定。
4.1.2关键部位原则
针对岩溶隧道突水的关键部位，重点对需加强支护部位采用超前管棚支护、小导管补充注浆加固等措施。
4.1.3垂直穿越施工原则
隧道施工需穿越岩溶地层时，应优先选择垂直穿越模式施工。
4.1.4旱季施工原则
通过对岩溶突水特征的分析，对连通型溶洞，应避开雨季施工，而对未连通型溶洞，则不受季节影响。
4.1.5“二衬紧跟”原则
由于岩溶突水主要发生在开挖和初期支护两个环节，采取“抗水压二次衬砌”支护模式及“二衬紧跟”施工技术措施。
4.1.6信息化施工原则
在隧道施工过程中，应加强对隧道围岩变形、水压力和支护结构应力、应变监测，进行信息化施工，确保施工安全。
4.2隧道大型溶厅处治技术
4.2.1溶洞揭示情况
荣家湾隧道进口平导掌子面施工至PDK622+172时，左侧拱脚揭示一空溶洞。溶洞底部基本平于平导底板设计标高，跨越隧道纵向长度为74m，横向总跨越宽度为58.5m，上部溶腔最高处高于正洞拱顶开挖线4.5m。溶洞底部高差起伏5.2m；溶洞中间有一根大溶柱，溶柱底部直径7.1m，高11.8m。下部溶洞贯穿整个平导，溶洞左侧侵入正洞10m。溶洞洞壁以弱风化灰岩为主，稳定性较好。隧道洞顶埋深72～105m。
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图1 DK622+120～+206段溶洞平面布置示意图
4.2.2溶洞勘探情况
经勘探揭示，本溶洞为半充填型溶洞，上半部分为空洞，下部为洞穴堆积充填物，充填物以软塑状黏土为主，局部见块石堆积。下层溶洞充填物厚10～18m，其中在黏土中分布2～11m厚的碳酸钙沉积物（钙板）；上层溶洞充填物厚7～10m。本段位于岩溶垂直循环带，主要以地表入渗和岩溶管道过路水为主。
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图2 DK622+120～+206段溶洞纵断面示意图
4.2.3溶洞处治措施
主要处治措施为平导绕行、溶腔防护及拱墙加固、基底处理、护墙施工、衬砌及支护加强、防排水施工等。
4.2.3.1平导绕行
为保证施工及运营安全，对平导PDK622+144～+249段进行绕行，于平导右侧15m设置一迂回平导。
4.2.3.2溶腔防护及拱墙加固
清理溶洞壁钟乳石，把错台水平岩层挖除。拱墙位于充填溶洞范围进行Φ42小导管径向注浆加固。对换填段换填面以上溶洞壁采用锚网喷防护。
4.2.3.3基底处理
隧底DK622+120～DK622+206段基底溶洞采用基础换填、钻孔桩+筏板结构。
4.2.3.4护墙施工
对衬砌露空部位施做C25砼护墙，护墙按最小3m厚控制，胸坡1:0.25。
4.2.3.5衬砌及支护加强
优化衬砌支护参数，加强支护及超前支护。
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图3错台水平岩层断面示意图
图6框架涵横断面示意图
（1）DK622+120～+138段村砌由Vc复合式衬砌优化为Vd加强型复合加强衬砌；DK622+157～+206段采用V级带底板复合式衬砌。
（2）DK622+120～+138段对应位置锁脚锚杆由Φ42锚管调整为Φ76锁脚锚管。
（3）加强支护及超前支护：采用I22a加强钢架；DK622+138～DK622+206其余段落超前支护基岩地段均采用拱部φ42小导管。
4.2.3.6防排水施工
（1）于DK622+166.25筏板结构底部设置1孔2m×2m框架涵，地下水通过过水涵引排至平导侧沟。
（2）为引排正洞岩溶水，于正洞与平导连接段设一截水沟，要求与平导左侧水沟顺接，为保证排水顺畅，对215m平导坑底进行扩挖，最大扩挖高度为3.11m。
4.3隧道半充填型溶洞处治技术
4.3.1溶洞揭示情况
荣家湾隧道平导掌子面施工至PDK622+403，拱顶塌落形成一长条形开口，横向长6米，纵向长4米，高3米；揭示一半充填溶洞，纵向向大里程长约15m，斜向上往小里程长约18米，溶洞高度约80m，横向向左右发展，宽度约为85m，洞壁呈不规则状；掌子面拱顶3米以上为空腔（该处为充填物厚度最小）；溶洞底主要为块石堆积，直径为30~300cm不等；溶洞壁为灰岩，稳定性较差；掌子面未见地下水出露。
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图7隧道拱顶半充填型溶洞揭示情况
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图8充填型溶洞
4.3.2溶洞处治措施
4.3.2.1溶洞回填
平导内自掌子面至后方岩溶坍塌体表面采用25cm厚C25喷混凝土封闭固结。坍塌体表面固结后，对掌子面前方5m范围采用C25混凝土回填，回填厚度至拱顶轮廓线外3m。回填前应预埋φ200排水管接入平导侧沟。
4.3.2.2已初支段拱顶充填注浆
对已开挖支护PDK622+390～+403段增设混凝土套衬砌，套衬施作完毕后，对该段拱墙进行径向充填注浆。
4.3.2.3加强超前支护并进行注浆固结
超前支护采用φ76中管棚+大外插角φ42小导管施工。
4.3.2.4加强支护措施
PDK622+403～PDK622+423段采用加强支护参数，边墙锚杆采用φ42注浆小导管替代。该段加强支护采用全环I20b型钢钢架，上台阶拱脚及下台阶墙角均采用4根4.0m长注浆小导管加强锁脚。
4.4隧道充填型溶洞处治技术
4.4.1溶洞揭示情况
荣家湾隧道进口掌子面施工至DK621+804，左侧出现大面积黏土，质较纯，较湿润，为可塑状，为填充型溶洞;右侧为弱风化灰岩，中厚层状，岩质较硬。
4.4.2溶洞处治措施
加强衬砌支护参数：DK621+802～+812段采用Vb型加强复合衬砌，超前支护采用加强φ42小导管。加强支护采用全环I20b型钢钢架。该段系统锚杆采用非对称布置，灰岩侧加密布置，总数量不变。并要求仰拱开挖后及时进行隐伏岩溶探测。
4.5隧底岩溶处治技术
4.5.1隧底岩溶处治流程
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图9隧底岩溶处治流程图
4.5.2项目部试验室检测及处理
隧底岩溶处理为线路左中线、线路中线、线路右中线进行探测，探测完之后只针对隧底岩溶5米以内的溶腔进行处理。现场根据位置进行打孔、吹孔、注浆处理，再复检，如复检不合格将再次进行上步处理，直到检测合格为止。
4.5.3第三方检测单位复测及处理
根据项目部自检合格之后，通知第三方检测单位进行检测，检测完之后如不合格将根据第三方检测报告对存在的问题再次注浆处理，直到检测合格为止，检测合格之后将进行下一道工序施工。
5隧道岩溶监测
5.1监测项目
监测二次衬砌外水压力值、仰拱（填充）竖向位移值。
5.2监测目的
（1）通过监测隧道仰拱（填充）竖向位移，及时发现监测断面隧底上鼓等病害；
（2）通过监测隧道衬砌背后水压，分析判断隧道结构的安全状态。
5.3数据采集及传输
通过各监测断面的传感器采集现场数据，将数据发送至采集仪主站。主站将数据通过有线的方式发送至监控单元，经DTU发送至远程服务器。当隧道监测水压达到衬砌水压预警值时或当隧底拱隆起达到预警值时，通过短信报警或声光报警等发送预警信息，及时通知相关人员以便采取措施。
6结束语
岩溶发育地段的不良地质隧道施工，除应严格按规范要求施工外，施工中还必须采用超前地质预报手段和有针对性的岩溶探测手段，对隧道掌子面前方和隧道洞周的岩溶类型、位置、规模大小、与隧道的三维关系等情况进行预判，为岩溶隧道处理提供准确可靠的第一手资料，确保处理措施有的放矢、技术可行、经济合理、安全可靠。
参考文献
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