岩溶隧道施工技术
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摘要结合新建单线电气化铁路工程昆河线玉溪至蒙自段大田山隧道的施工，介绍岩溶隧道施工所采用的综合技术：采用综合超前地质预报预测隧道岩溶的发育情况；采取超前注浆支护、短进尺、初期支护加强等技术施工，顺利通过了此隧道岩溶地段，确保了隧道安全顺利施工。
关键词铁路隧道岩溶施工技术
中图分类号：U459.1文献标识码： A 文章编号：
1 引言
岩溶隧道在中国西南地区经常遇到，主要是碳酸岩地层在水的作用下形成的各种规模及形状的洞穴、通道等。
根据以往的施工经验，对岩溶地区隧道施工技术，主要从两个方面进行，一是对岩溶发育段的预测，采用各种方法进行预报，能够比较好地预测岩溶及赋水带的方法主要为地质雷达及红外探测技术[[[] 王华，杨军生，王春雷. 地质雷达在隧道岩溶超前预报中的试验研究. 路基工程，2007，1：101-103.]] [[[] 李兴春,王宏,李兴高.红外技术在开挖隧道岩溶探测和预报中的应用. 工矿自动化， 2008，2：70-71.]]；另外就是对岩溶地区的处理。有大管棚超前处理技术[[[] 郭 群. 大管棚超前支护技术在南山隧道岩溶处理施工中的应用. 隧道建设，2008，28(3):336-338.]]，管棚结合小导管、高压注浆、桩基托梁结构、钢筋混凝土板等技术措施[[[] 张朝强. 大山隧道岩溶治理浅谈. 四川建筑, 2008,28(3): 54-56.]]，对岩溶洞穴采用顶部回填，侧板加固以及隧底溶腔注浆，溶腔壁稳定加固，设地下水排泄通道等措施处理[[[] 肖凯刚, 赵玉龙. 龙凤坝隧道DK213+ 423～+485段溶腔处理设计. 施工技术，2008，37增： 255-257.]]。超大地下溶洞采用碗扣支架、锚喷支护及圆柱形立柱共同支顶溶洞顶部的施工方法[[[] 宋长甫. 龙麟宫隧道大型溶洞支顶加固技术. 铁路标准设计，2007(9):77-78.]]。总结出隧道通过岩溶地段应本着“稳妥可靠、保证工期、经济合理、不留后患”的目标；坚持“ 防、排、截、堵结合、因地制宜、综合治理”的原则治理岩溶水；坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则通过岩溶地区。处理方法可概括为：引、堵、跨、绕 4种方法[[[] 陈文海. 隧道岩溶病害处理方法与实例分析. 企业技术开发，2008，27(7):49-53.]]。
2 工程概述
2.1 工程概况
大田山隧道位于云南省红河州建水县境内，为单线电气化铁路隧道，起迄桩号DK112+765～DK115+010，全长2245m。线路平面布置：DK112+765～DK114+122.76为曲线段，曲线半径R=1600m，缓和曲线L=190m，DK114+122.76～DK115+010为直线段，隧道纵坡坡度为12‰的下坡。隧道进口采用台阶式洞门，出口采用挡墙式洞门，边、仰坡采用人字型浆砌片石骨架护坡，隧道内均采用曲墙复合式衬砌。隧道纵剖面示意图如图1所示。
图1 隧道纵剖面示意图
2.2 地质、气候条件
隧址区属低中山剥蚀、溶蚀地貌。地形起伏较大，地面高程在1260～1390m之间，相对高差130m，隧道最大埋深100m。在DK113+760～+900段地表发育一溶蚀沟谷及溶蚀洼地，轴向长约180m，宽30～100m，深约10m，洼地内被垦为为旱地，另一溶蚀洼地，常年积水，水深2～15m，略呈椭圆形，轴向长约450m，宽40～160m。
隧址区上覆第四系全新统坡洪积黏土、坡残积黏土。下伏为断层角砾、上第三系泥岩、炭质泥岩夹砂岩，三叠系中统个旧组下段白云岩质灰岩。
线路位于区域性北西向断裂石屏－建水断裂带之东端，该断裂带属全新活动断裂带，其分支断层－燕子洞断层于DK114+180横穿线路，与线路交角为47°。
隧址区位于云南省的东南部，为亚热带季风气候。冬无严寒，夏无酷暑，雨热同季，干湿季节分明，夏季伴随着云量、雨量的急剧增加，温度相应降低，绝对最高气温出现在干季末（春季）。
2.3 工程重难点
由于隧址区地表溶沟、溶槽、洼地发育。地层中含白云质灰岩，且洞身段裂隙水受季节变动影响，这些都为岩溶的形成提供了必要的条件。根据地质勘察资料，曾在DK113+850处钻孔揭示一溶洞，垂直深度为0.9m，内有黏土充填。根据区域资料，白云质灰岩地层内岩溶强烈发育，地下岩溶形态极为发育。
3 超前地质预报技术
本岩溶隧道综合超前地质预报采用了TSP地震波地质超前预报法、红外探水法以及超前钻孔法；以DK113+780～+810段进行说明。
（1）TSP地震波地质超前预报法
①现场观测系统布置
在隧道DK113+650的左边墙和右边墙位置分别布置一个地震波信息接收孔，孔径均为50mm。在DK113+670～DK113+704段的右边墙位置，按约1.5m的间距布置24个激发孔分别激发地震波，激发孔孔深1.3m，孔径约40mm，孔向下倾斜约10º，每个激发孔装填的药量为66g。激发孔和接收孔基本保持在同一个高度上。
②结果分析
DK113+780～DK113+787段：围岩较破碎（Ⅲ级），溶蚀裂隙发育；
DK113+787～DK113+810段：围岩破碎（Ⅳ级），岩溶局部发育。
（2）红外探水法
①测点布设
在掌子面取9个或9个以上均匀分布测点，采用红外探水仪进行红外探测；从掌子面向已开挖段每隔5m布置一个测点（左右边墙以及拱部测点在同一断面），分别测得初期支护段左边墙、右边墙与拱部岩体的辐射场强值。
②结果分析
现场测得数据
对大田山隧道DK113+780掌子面前方30米进行超前探水测得的场强具体数值如表1所示。
表1
由掌子面岩体上9个测点的红外辐射场强数值可知其最大值为357μw/cm2，最小值为349μw/cm2，差值为8μw/cm2，小于允许的安全值10μw/cm2；可以看出：往掌子面方向，红外辐射场强值曲线相对起伏不大，整体上呈直线型。
根据上述1、2两种判别方法，结合已揭示的围岩情况，可以判定DK113+780～DK113+810段不存在含水构造。
（3）超前探孔法
①钻孔布设
在掌子面DK117+780处，应用MK-5型钻机进行超前钻孔作业作业对前方30米进行探测，钻孔总长124.1米，钻孔参数、位置及深度等见表2。
表2
②芯样分析
钻孔DZK16-1：孔深31.1m，整段为灰岩，浅灰、灰白色，微晶结构，钙质胶结，若风化，溶蚀中等发育，岩体自稳性好，终孔水量无变化，属Ⅴ级次坚石。
钻孔DZK16-2：孔深31.0m，整段为灰岩，浅灰、灰白色，微晶结构，钙质胶结，若风化，溶蚀中等发育，岩体自稳性好，终孔水量无变化，属Ⅴ级次坚石。
钻孔DZK16-3：孔深31.4m，整段为灰岩，浅灰、灰白色，微晶结构，钙质胶结，若风化，岩体自稳性好，溶蚀中等发育，在DK113+787～DK113+795段钻机钻进速度较快，既无卡钻现象，无钻芯试样，推测此处岩溶十分发育，含有溶洞。
钻孔DZK16-4：孔深30.6m，整段为灰岩，浅灰、灰白色，微晶结构，钙质胶结，若风化，岩体自稳性好，溶蚀中等发育，终孔水量无变化，属Ⅴ级次坚石。
（4）综合分析
根据上述三种探测方法综合分析：DK113+780～+810整段为灰岩，浅灰、灰白色，微晶结构，钙质胶结，若风化，岩体自稳性好，为Ⅲ级围岩，溶蚀中等发育，断面不含水，在DK113+787～DK113+795段靠近线路右侧边墙脚处含有一空溶洞，溶洞规模不大。
（5）本隧道揭示岩溶发育特征
1）1＃溶洞
位于DK113+670～+704段，纵向长34m，横向最宽约29m，最高约28m，底部有厚0～15m碎石土、软塑壮的黏土充填，开挖揭示溶洞空间较大，顶壁长满石钟乳，形状各异；左低右高，中部及左侧下部大面积充填碎石土、黏土；并在DK113+680线路左侧至溶洞壁附近有积水现象，但水量较小，仅见溶洞顶壁有渗滴水现象，向DK113+680线路左侧溶洞壁处的岩溶管道处排泄，岩溶管道半径约0.6m。1#溶洞开挖揭示横断面图如图2所示。
图2 开挖揭示1#溶洞横断面图
2）2＃溶洞
位于DK113+787～+795段线路右侧边墙脚，纵向长8m，横向宽4～5m，深10～15m。开挖揭示时未见有地下水流出。2#溶洞开挖揭示横断面图见图3。
图3 2#溶洞开挖揭示横断面图
将现场揭示情况与超前探测分析情况进行对照，基本相符，说明超前预报分析基本准确。
4 岩溶隧道开挖支护技术
4.1 超前支护技术
本隧道岩溶地段填充体较少，但岩溶发育，为确保施工安全，采用超前小导管注浆进行预支护，小导管在洞外加工场加工。施工前先沿开挖周边轮廓线按照设计间距准确布出孔位，采用YT-28型凿岩机钻孔，小导管采用风枪或游锤打入，浆液在现场拌制，采用液压注浆泵压注。注浆材料采用纯水泥浆，水灰比为0.5：1～0.8：1，浆液先稀后浓，注浆参数根据现场试验适当调整。
岩溶地段超前小导管支护工艺流程图见图4。
4.2 开挖方法
岩溶地区开挖方法宜采用台阶法，在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件下，当溶洞仅穿过隧道底部一小部分断面时，可采用全断面一次开挖，当隧道只有一侧遇到溶洞时，先开挖该侧，待支护完后再开挖另一侧。
（1）1#溶洞
根据超前探测情况，溶洞较大，且局部含水，对DK113+670～+710段采用上下台阶法开挖，采用微震光面爆破，严格控制装药量。开挖循环进尺控制在1～1.5米。开挖采用风钻进行打眼，在每次施作钻孔时，掌子面不同位置施作3个3.5～4m深钻孔以进一步确定前方溶洞轮廓。
（2）2#溶洞
根据超前探测情况，溶洞位于隧道线路右侧且溶洞规模不大，对DK113+670～+710段采用全断面法开挖，采用微震光面爆破，严格控制装药量。开挖循环进尺控制在0.8～1.0米。在每次施作钻孔时，掌子面不同位置施作3个3.5～4m深钻孔以进一步确定前方溶洞轮廓。
图4 超前小导管注浆工艺流程图
4.3 初期支护
岩溶地区隧道初期支护根据岩溶情况进行适当加强，采用打锚杆或施作小导管注浆及格栅钢架等进行施工。由于1#溶洞较大，采用格栅钢架进行加强支护；2#溶洞较小，且未影响支护轮廓，现场按照原设计采用初喷混凝土、锚杆支护。
（1）1#溶洞初期支护
隧道岩溶段开挖后，立即对钟乳石发育的溶洞顶部喷C20混凝土进行封闭，混凝土厚10cm。
在隧底施作50cm厚C15混凝土止浆板，然后施作Φ75钢花管桩对隧底进行注浆加固。待施作完毕，达到设计强度后，对边墙初支外侧空腔采用M7.5浆砌片石进行，回填高度至钢架B、C单元接头处。回填前对基地杂物进行清除，在设立格栅钢架断面位置处画出锚杆位置，拱部12根，每根长3m，边墙14根，每根长3m，纵、环向间距分别为1m、0.8m。回填过程中将锚杆砌入浆砌片石中，并确保回填浆砌片石与岩壁紧贴密实，外壁尽量平整，挡墙外部预留足够空间进行初期支护，防止侵限。
回填完毕后，进行格栅钢架的安装及挂钢筋网片，拱墙格栅钢架1m/榀，钢架脚架立在处理过的基底上，在格栅钢架外侧安装钢筋网片，钢筋网片采用Ф8钢筋洞外加工，网格间距25cm×25cm，由于拱部外侧喷射混凝附着物较少，钢筋网片进行加密采用安装双层钢筋网片交错安装。
钢架、钢筋网片安装完毕进行喷射混凝土作业，喷射混凝土前在拱部安装好吹砂预留管，并用塑料袋等编织物堵严，防止喷射混凝土堵住管口。
（2）2#溶洞初期支护
隧道开挖完后，对溶洞上部空间进行喷射C20混凝土封闭，厚度10cm。然后在该段线路右侧边墙空溶洞上方设I18型钢网格架，嵌入基岩1m，网格间距1m×1m，其上铺双层铁丝网，进行喷射混凝土作业，至设计厚度。
5 结束语
通过本岩溶隧道施工情况说明：采用地震波超前地质预报、红外探水、超前探孔等综合超前预报手段，成功的探测了隧道岩溶的发育情况；在此基础上采取超前注浆支护、短进尺、初期支护加强等技术进行施工，并根据溶洞大小、规模及含水情况采取不同的施工技术，确保安全、优质、高效的通过此岩溶不良地段，是岩溶隧道施工中一种有效的、安全的方法；但还要进行进一步的探讨，并在实践中不断研究，逐步完善和提高。
参考文献
[1] 王华，杨军生，王春雷. 地质雷达在隧道岩溶超前预报中的试验研究. 路基工程，2007，1：101-103.
[2] 李兴春,王宏,李兴高.红外技术在开挖隧道岩溶探测和预报中的应用. 工矿自动化， 2008，2：70-71.
[3] 郭 群. 大管棚超前支护技术在南山隧道岩溶处理施工中的应用. 隧道建设，2008，28(3):336-338.
[4] 张朝强. 大山隧道岩溶治理浅谈. 四川建筑, 2008,28(3): 54-56.
[5] 肖凯刚, 赵玉龙. 龙凤坝隧道DK213+ 423～+485段溶腔处理设计. 施工技术，2008，37增： 255-257.
[6] 宋长甫. 龙麟宫隧道大型溶洞支顶加固技术. 铁路标准设计，2007(9):77-78.
[7] 陈文海. 隧道岩溶病害处理方法与实例分析. 企业技术开发，2008，27(7):49-53.