中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司 哈尔滨 150000
摘要：商合杭高速铁路站前14标太湖山隧道主要地貌为喀斯特地貌，在地下水的长期侵蚀下，溶洞大小、形态不尽相同，影响围岩的稳定性以及力学分布情况，本文以填充型溶洞处理技术为研究对象，通过现场实例分析，制定合理、有效的溶洞处理方法，从而保证隧道施工的安全及质量。
关键词：填充型溶洞；处理技术；
1引言
溶洞的形成是灰岩地区地下水长期溶蚀的结果，灰岩里不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶性的碳酸氢钙，当CO2等可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用，影响隧道的使用寿命，在施工时易发生突涌水、突泥、塌陷等危害，导致围岩失稳及支护结构变形，制约工程进度，对工程安全、质量、高速铁路运营、生态环境等方面具有严重影响，由此可见，对穿越填充型溶洞施工关键技术的研究具有重要意义。
2工程概况
新建商丘至合肥至杭州铁路太湖山隧道位于安徽省含山县境内，进口位于林头镇关口水库一侧，穿越太湖山，出口位于含山县东关镇，起点里程DK468+662，终点里程DK472+280，全长3618米，最大埋深258米，铁路设计时速为350 km／h。案例发生里程为DK468+930，埋深41m，掌子面揭示弱风化灰岩，岩溶发育，节理裂隙发育，岩体完整，稳定较好，开挖后溶洞内填充粉质黏土，塌落后形成空腔，涌泥量130m³，溶腔形态为：纵向2.5m×环向6.5m×径向4.5m，左侧拱腰发育岩溶裂隙，水流颜色为黄色。
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图1溶洞 图2填充物
3溶洞处理原则
施工中，应严格遵循“新奥法”施工原理。在溶洞处理过程中，坚持尽量保持溶洞围岩稳定性，做到“轻扰动”。
（1）安全第一：从初支到二衬，严格控制围岩累计变形量，防止突水突泥及塌方冒顶。衬砌完工后隧道不渗不漏。
（2）可操作性强：要充分考虑人员、机械的技可操作性及方案的执行能力，并尽可能降低施工难度。
（3）经济性强：在保证安全、质量并不破坏环境的条件下的投入最优。
4处理方案
4.1超前地质预报
由于隧道的不可预知性，超前地质预报工作是实现施工安全、优化工程、工程顺利进行的基础，探查前方工程地质及水文条件，对设计参数做出相应调整，制定合理施工组织及安全应急备案，避免安全事故发生，超前地质预报也是隧道施工的重中之重。
4.1.1 TSP探测
本次预报DK468+909~DK469+059段，预报距离150m，根据TSP探测成果和地质调查结果，预报段地质条件较差，围岩以中风化灰岩为主，围岩裂隙发育，围岩较破碎~破碎，局部DK468+932~DK468+848，DK468+980~DK469+014）溶蚀发育，有少量裂隙水渗漏。结构面夹泥，当几组结构面交互切割岩石，处拱顶部位时易形成不稳定块，开挖后易沿结构面滑脱、掉块，支护不当或不及时，易发生坍塌。
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4.1.2超前水平钻
经过地质预报检测，显示DK468+932岩溶发育，项目部成立应对小组，马上组织超前水平钻施工，取芯确定具体范围。凿岩机就位后对上台阶拱部左、中、右采取3孔超前水平钻预报，孔径32mm，长度20m，倾斜角5~10度，详细记录钻孔速度，芯样类型，涌水情况。
左侧超前水平钻显示：掌子面前方0~2.1m填充型溶洞，填充物为棕色粉质粘土，2.1~20m为完整灰岩，中侧超前水平钻显示：掌子面前方0~11.5m填充型溶洞，填充物为棕色粉质粘土，11.5~20m为完整灰岩，右侧超前水平钻显示：掌子面前方0~1.25m为破碎灰岩，1.25~5.25m为填充型溶洞，填充物为棕色粉质粘土，5.25~20m为破碎灰岩，岩体强度低，稳定性较差。
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图3钻孔取芯 图4溶洞示意图
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图5超前水平钻钻孔记录
4.2回填反压注浆
防止掌子面原有的受力平衡被破坏，灰岩遇水易软化垮塌，利用挖机装载机进行反压堆积填土作业，对临界面提供约束，还原平衡状态。拱顶1米范围利用编织袋采用人工反压堆土，预埋φ108泵管2根，第1根管口顶至溶洞顶部下约10cm，第2根管口顶至溶洞顶部下约50cm，为保证临时封闭强度及止浆效果，拱顶1米范围采用挂网、锚杆加强，混凝土厚度1米。采用C25湿喷对反压土封闭，混凝土厚度20cm，结束后进行泵送混凝土，观察排气孔返浆情况及封闭层外观裂隙情况，一旦异常立即停止泵送。
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图6反压土回填 图7泵送回填
4.3超前预注浆
由于掌子面前方围岩并不稳定，为加强整体性及承载能力，采用超前预注浆方式提高岩石胶结能力，增强支护效果。工艺流程如下表：
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图8超前预注浆流程图
4.3.1布孔
布孔应遵循设计原则，注浆孔布设3环，共计19个，扩散半径2m，孔底间距3m布置，开孔直径不小于108mm，终孔直径不小于90mm，孔口管采用φ108mm，壁厚5mm无缝钢管，孔口管埋设牢固，并在管口设置止浆塞，并用红色油漆喷识孔号。
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图9预注浆布孔图
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图10预注浆刨面图
4.3.2钻孔
钻机安放需平稳、牢固，底部采用木方调整水平，钻孔顺序由外向内，同一圈孔间隔施工，钻孔时采用低钻速、慢钻进方式，孔位最大偏差50mm，最大倾斜率偏差0.5%，单号为钢花管，双号采用钢管，施工时先打设钢花管，然后打设钢管。
4.3.3注浆及检查
注浆顺序与钻孔顺序相同，为由外向内，，注浆方式采用后退式注浆，注浆材料采用纯水泥浆（水灰比1：1），注浆压力（终压值）0.5~1.5MPa，注浆管一定要埋设牢固，注浆时要保证未注浆的管口全部保持开启状态，如有返浆情况及时关闭，注浆完成后要及时关闭注浆管，避免浆液回流，注浆过程作业人员应做好关于注浆压力、注浆方量、注浆时间等相关数据，以便进行数据分析。检查采用取芯方式，共选取5个点，若芯样不符合要求，二次补注浆，循环此过程，直到符合要求后，停止注浆。
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图11 注浆作业 图12 注浆记录表
4.4洞身管棚施工
注浆验收合格后进行下一道工序施工，由于掌子面前方为灰岩，遇水易软化，粘土层达11m，为保证施工安全，采取φ89洞身管棚预支护措施，进一步加强围岩稳定性。根据图纸要求，设置施工参数如表所示：
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洞身管棚设置参数表
4.4.1洞身管棚材料选取
洞身管棚材料选择Φ89热无缝钢管及钢花管，壁厚5mm，接头钢管采用φ95无缝钢管，壁厚6mm，每节钢管两端均加工成外丝，同一截面内接头数量不大于总钢管数量的50%。钢花管上钻注浆孔，孔径10~16mm，呈梅花形布置，尾部留不钻孔止浆段150mm。
4.4.2洞身管棚施工
4.4.2.1钻孔
钻机采用带导向装置钻机，避免因钻孔角度偏差导致窜孔问题。按图纸要求调整好钻取角度，时刻观察，及时调整钻取偏差。由于本段属于较软质围岩，溶洞内填充粉质黏土，钻孔时低速钻进。第一根钻杆外露20cm时，停注钻进，人工卡紧钻杆，钻机低速反钻，脱开钻杆，大臂退回原位，装入第二根钻杆，钻机低速送到第一节钻杆尾部，方向对准后联成一体。按此后面钻杆，直到钻到设计长度。
4.4.2.2管棚安装
钻孔完成后，退出钻杆，将加工好的管棚钢管连接成一个整体，钻机送管。钢管误差径向不大于20cm，相邻钢管之间环向不大于10cm，钢管与钢花管间隔布置，施工时先打设钢花管并注浆，然后打设钢管，以便检查钢花管注浆质量。
4.4.2.3注浆
（1）压水试验
压水试验的目的主要是测定岩层吸水性，核实围岩渗透性，为选择泵压浆液配合比作参考，同时检查管路及止浆塞效果。开泵前应先浆吸浆管伸入水桶待泵吸水性正常时，关闭注浆球阀，观测泵压。压力表正常时，持续5min不出故障即可。
（2）注浆过程
浆液由高速制浆机拌制，注浆材料为水泥浆，比重为1∶1，注浆前应对孔口以喷混方式进行封闭，用做止浆墙，采用注浆机将浆液注入管棚钢管内，初压为0.5～1.0 MPa，终压为2 MPa，当排气孔流出浆液后，关闭排气孔，继续注浆，增压到设计注浆压力并继续灌浆10min后，方可停止注浆，注浆时先灌注奇数孔，偶数孔用于排水。注浆结束后也对管棚灌注M10水泥砂浆，以增加管棚刚度。注浆应遵循由低向高、浆液由稀到浓的原则。
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图13 管棚钻孔
4.5开挖方案
4.5.1加深炮孔
采用风枪钻孔方式探查前方围岩情况、涌水情况，以高效便捷方式反应地质信息，没开挖循环进行，测量人员对上台阶布点3个，每孔5m，倾斜角度3~5度，做好搭接与记录。
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图14 加深炮孔记录
4.5.2地质素描
作为其他方式的补充及验证，与隧道开挖同步进行，地层岩性变化处、构造发育部位、岩溶发育等地段每循环进行一次。地质素描中应包括地质岩性、地质构造、有害气体及放射性危害源等信息，并做好相关影像资料收集。
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图15 地质素描记录
4.5.3正洞开挖
为了保证合理、安全穿越填充型溶洞，开挖功法调整为三台阶预留核心土法，衬砌参照Vc施工，钢架间距由60cm加密到50cm，中台阶设置临时仰拱钢架，钢架采用I18工字钢，沉降变形量加大到35cm，防止初支侵线导致二次衬砌厚度不足，隧道施工应坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，并结合地质预报、地质素描、超前水平钻和设计地质岩性等信息综合分析隧道前方围岩情况，根据动态数据调整施工参数。
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图16三台阶核心土法示意图
上台阶核心土长度4.5m，宽度4.53m左右，出渣完成后，立即初喷4cm混凝土封闭掌子面，架立工字钢每循环1榀，钢架连接筋焊接饱满、钢筋网搭接长度要符合设计要求，锁脚钢管加密为4根，U型连接筋焊接饱满，中台阶支护参数与上台阶相同，临时钢架喷射混凝土厚度增加的25cm。仰拱初支成环距掌子面控制在25m，超前小导管采用φ50*5双层小导管施工，导管每循环皆按设计长度打设，注浆要求饱满密实。
4.6监控量测
岩溶段周边位移量测布设断面间距为3m，其中拱顶下沉每个断面布置1个点，周边收敛每个断面布置6个测点。为保证完整反映量测变化，对量测频率进行加密，更好的对数据进行分析，拱顶沉降、净空变化频率见下表：
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量测频率表
取得监测数据后，及时由专业监测人员整理分析监测数据。结合围岩、支护受力及变形情况，进行分析判断，将实测值与控制基准值进行比较，及时绘制各种变形或应力～时间关系曲线，预测变形发展趋向及围岩和隧道结构的安全状况，从而实现动态设计、动态施工。
5结束语
通过以上关键技术，商合杭铁路十四标太湖山隧道安全顺利穿越溶洞侵蚀带，较好的解决了岩溶隧道的施工安全问题，为隧道施工及后期运营起到了关键作用。
参考文献：
《双线隧道预支护措施、防排水及施工方法》 中铁第四勘察设计院集团有限公司
《高速铁路隧道工程施工技术规程》 中国铁道出版社 Q/CR 9604-2015