刘 光

(中国中铁四局集团有限公司, 安徽合肥 232000)

国内各省区都有不同面积的石灰岩分布，广西地区出露的面积最大，达12×104km2，约占广西全区总面积的60 %。新建南崇(南宁-崇左)铁路是中国与东盟半岛的交通大动脉的重要组成部分，具有巨大的战略、社会和经济价值。南崇铁路途经我国岩溶最为发育的广西中西部地区，分布着连绵成片、形态各异、挺拔峻峭的石灰岩山峰，如图1所示，隧道施工过程中隐伏溶洞数量多、规模大、分布无规律、施工难度大，特别是洞口段存在隐伏溶洞的情况下，施工难度将进一步增加[1-2]。

图1 广西岩溶发育山峰

由于溶洞的不可预见性，对于溶洞的探测技术不断发展，从传统的钻探逐渐向钻探与物探相结合[3-4]的方式，以提高溶洞探测的精确性。对于不同溶洞的施工方法也有一定的差异，溶洞的类型，特别是填充物的形态对隧道结构的安全性将产生极其重要的影响[5]。施工与溶洞处治的相互关系对于施工的安全性及施工进度有直接关系[7]。

本文针对洞口存在溶洞的情况，进行溶洞与施工正洞先后顺序的利弊分析，提出拱盖填充进洞施工技术，有效解决了该工程难题，具有显著的经济优势。

1 依托工程背景

南崇铁路渠那隧道位于广西自治区扶绥线境内，全长1 345 m，隧道进口外侧1条断层，与线路斜交夹角约38 °，该断层影响下隧道进口岩体破碎，基岩大面积出露，地表分布有黏土，下伏基岩为灰岩，白云质灰岩，溶沟、溶槽发育，充填黏土，纵断面如图2所示，隧道进洞里程边仰坡开挖后出现岩溶溶槽揭露，并根据洞口超前大管棚的钻孔及物探探明，岩溶侵入了隧道拱腰一侧，如图3所示，断面情况如图4所示。

图2 渠那隧道进口纵断面

图3 洞口溶腔侵入隧道现场

图4 溶腔与开挖轮廓立面

通过分析，该工程存在如下的难点：

(1)隧道断面属于超大断面，未见岩溶侵入隧道洞口的类似工程案例，无施工经验可遵循参考。

(2)洞口段岩溶溶腔发育侵入拱腰，填充物极破碎，若施工不当，易造成拱顶坍塌，安全隐患大。

(3)超大断面隧道在拱腰处出现大溶洞将会出现超挖严重，后期处理费用大，同时也要做好后期运营期间渗漏水预防。

(4)关键部位支护参数如何设计直接影响到施工方案的成败，需要对支护结构受力进行深入研究。

(5)隧道支护与溶洞填充的先后顺序，直接关系到施工安全与否，也关系到施工工期，因此需要分析最佳的施工时机。

针对以上的施工重难点问题，为安全、快速地在洞口揭露溶洞溶隙的情况下完成渠那隧道进口进洞，通过认真研究和成功的施工实践，形成了本文所述的岩溶溶腔侵入拱腰高铁隧道拱盖填充进洞技术。

2 进洞方案比选

2.1 方案介绍

综合以往隧道施工经验，结合本隧道的围岩情况、溶洞情况，形成以下2套施工方案进行对比分析。

2.1.1 先处治溶腔再进洞掘进方案

根据已经揭露的围岩情况，地表进行注浆后，一榀一榀开挖隧道洞口段，喷射混凝土支护后，形成初期支护，同时将空溶洞注浆填满，再进行隧道主体的开挖和施工。

2.1.2 拱盖+填充方案

(1)隧道正洞遇到空溶腔处，利用上一榀拱架作支承点，通过超前锚杆(管)+网片组合以小角度向外侧悬挑出去，通过喷射混凝土支护后，提前形成拱盖的方式，先对侵入了隧道拱腰的溶腔进行跨越。

(2)在岩溶溶槽中选择较大的岩体采用砂浆锚杆进行固定，利用砂浆锚杆的黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起而产生悬吊效果、组合梁效果、补强效果，在已插打的锚杆上挂设钢筋网进行锚喷加固。

(3)洞口边仰坡揭露岩溶溶槽岩石破碎、裂隙发育，采用超前小导管前进式注浆，即钻孔一段注浆一段,清孔钻进后再注浆,这样循环往复至注浆孔终深，以达到填充裂隙，提高岩体整体稳定性的目的。

2.2 方案优缺点对比分析

从技术可行性、安全性、经济性、工期等方面分析如表1所示。

表1 岩溶溶腔侵入拱腰高铁隧道洞口段施工方案对比

从表1的分析可知，拱盖+填充方案在技术可行性、安全性、经济性及工期上都具有显著的优势，故在施工中选择该方案。

3 施工流程及技术要点

3.1 施工工艺流程

基于依托工程的实际情况，采用拱盖填充方案时，整体施工工艺流程如图5所示。

图5 施工工艺流程

3.2 施工技术要点

3.2.1 超前地质预报

在进洞前，针对洞口揭露溶洞，采用地质雷达及超前钻孔的方式进行探查，探明岩溶裂隙的走向，结合隧道地质钻孔资料及地质雷达扫描资料对围岩状况进行预判，从而为下一步确定整治方案做好指导工作。

3.2.2 边仰坡加固注浆

根据洞口边仰坡岩溶揭露及超前地质预报情况，20 m纵深范围内洞身位于岩溶破碎带中，为确保进洞安全，对线路右侧13 m范围采用φ42 mm小导管注浆加固，洞门段断面图及小导管构造图如图6和图7所示。

图6 洞门段断面(单位：cm)

图7 小导管构造(单位：cm)

3.2.2.1 小导管插打

在设计孔位上做好标记，用管棚钻机进行钻孔，孔径较设计导管管径大 20 mm 以上成孔后，将小导管按设计要求插入孔中，或用凿岩机直接将小导管从型钢钢架上部、中部打入，外露20 cm支撑于开挖面后方的钢架上，与钢架共同组成预支护体系。

3.2.2.2 小导管注浆

前进式分段注浆工艺是针对成孔困难的特殊地质条件下的一种可行性较高的注浆技术，遇水即注浆，再扫空，再注浆，直至设计孔深。先注外圈、后注内圈，同一圈由下而上间隔施作。当钻孔涌水量不小于50 L/min时，注入速度80～150 L/min；当涌水量不大于50 L/min时，注入速度35～80 L/min。注浆压力：一般为 0.5～1.0 MPa。

注浆结束标准根据注浆压力和注浆量来控制。一般采用定压注浆。当注浆压力逐步升高，达到设计终压并继续注浆10 min以上，进浆量小于初始进浆量的1/4，检查孔涌水量小于0.2 L/min，可结束本孔注浆；全段注浆结束标准：所有注浆孔均符合单孔结束条件，注浆后隧道预测涌水量小于1 m3/(d·m),可结束本循环段注浆；全部注浆孔注浆结束后，于断面上下左、右及中部各设一检查孔，每孔长约20 m,孔径与注浆孔相同，测孔内涌水量或进行压水试验，若满足设计要求，则可以开挖，否则进行补注浆。

3.2.3 隧道管棚施工

3.2.3.1 套拱施工

套拱采用先墙后拱方法施工，先做基础底部边墙，待边墙强度满足要求后施工拱圈部分。套拱基础开挖分三步开挖，挖至基础底部时立即对基坑进行封闭。

洞口端用1 m 长套拱(C20混凝土) 作为管棚导向墙。套拱施工采用先墙后拱法，在1 m套拱内架立2榀I18型钢拱架(纵向间距0.5 m)。在钢支撑上安装φ140×5 mm,长1 m的孔口管，导向管(即孔口管)沿拱圈环向布设，间距中对中40 cm，部分根据超前地质预报的判断对隐伏溶洞范围内的管棚进行加密，间距20～40 cm，见图8和图9所示。

图8 管棚施工正面示意

图9 管棚施工侧面示意

3.2.3.2 管棚钻孔顶管施工

长管棚施工主要工序有：搭钻孔平台、安装钻机、钻孔、清孔、验孔、安装管棚钢管、注浆、清孔、充填M10水泥砂浆。

通过管棚的施工技术参数的反馈，判断隐伏溶洞的大小和范围，通过钻出的芯样判断填充物的情况，本隧道拱部右上部分20 m范围为少量黏土为填充物的溶洞。

3.2.3.3 管棚注浆

注浆采用单液注浆，并采取分段注浆方式保证注浆能充分填充至围岩内；注浆压力达到2 MPa，并持压5 min以上，注浆浆液达到设计80 %以上时，可停止注浆，并及时封堵注浆口，防止空气进入管内；注浆结束后，对钢管口进行清孔，清孔完毕后立即用M10砂浆进行充填，增加钢管强度，并注意注浆管口埋入砂浆深度不得少于30 cm。

3.2.4 隧道洞身开挖

3.2.4.1 开挖方法

隧道进洞采用三台阶法进行开挖，开挖进尺调整为1榀钢架纵向间距，开挖方式采用弱爆破，爆破时严格控制炮眼深度及装药量，严格控制超、欠挖，加强钢架之间的纵向连接。

3.2.4.2 溶腔的初步处治

揭示溶洞后，对溶洞的形态、位置、填充物类型进行分析，针对此处洞内为右侧拱顶位置、封闭溶洞、填充物为黏土的情况，及时采用挖机配合人工对填充物进行清理，清理完成后对封闭溶洞的完整溶腔壁部采用喷射混凝土封闭溶洞表面，防止掉块的发生。

3.2.4.3 初期支护

在溶洞范围内利用上一榀钢架作为支撑点，通过超前锚杆(管)+网片组合形成纵向连接，并采用径向锚杆(管)对钢架径向进行固定，径向锚杆(管)的另一端深入溶洞壁面以内0.5 m；架设钢架及钢筋网，进行喷射混凝土支护，将径向锚杆(管)、超前锚杆(管)、钢架、钢筋网共同形成拱盖先行通过溶洞空腔，并预留注浆管，如图10和图11所示，现场施作如图12所示。

图10 洞身溶洞处治及支护立面

图11 洞身支护侧面示意

图12 “拱盖”结构

3.2.4.4 正洞掘进及溶洞处治

待正洞穿过溶腔处，开始正面向溶腔内灌入砂浆，避免了因先处理溶腔而耽误正洞施工进度。

4 施工安全数值分析

4.1 数值计算模型

根据实际情况模拟隧道所处的地形、隧道埋深及隧道开挖的开挖过程，模拟计算采用FLAC3D有限差分元通用程序。为充分模拟隧道的三维空间效应，计算模型所取范围是：根据实际工程情况沿纵向取50 m，沿横向取50 m，深度取隧道仰拱下方15 m，隧道纵深10 m，埋深15 m；约束情况为前后、左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由面；计算中地层采用弹塑性实体单元模拟，初期支护、加强初期支护采用弹性实体单元模拟。模型的地层采用IV级围岩地层。整体模型图如图13和图14所示。

图13 隧道及地层整体模型

图14 隧道支护结构模型

4.2 计算参数

围岩及衬砌材料的物理力学指标和混凝土材料物理参数根据TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》和地勘结果选取，所确定的计算参数如表2～表4所示。

表2 围岩计算参数表

表3 超前大管棚的材料参数

表4 混凝土材料物理力学参数表

4.3 计算结果分析

4.3.1 围岩位移分析

施工中的位移变形将直接影响隧道结构整体的安全性，整体的地形围岩位移如图15所示。

图15 竖向位移

从图15中可以看出，整体的变形量是非常小的，拱顶最大的沉降为1.29 mm，而仰拱隆起的位移为0.91 mm。

4.3.2 围岩应力

围岩的应力主要针对隧道结构周边的应力情况，采用第一主应力的情况进行分析，如图16所示。

图16 第一主应力

从图16中可以看出，围岩的应力集中情况较小，且最大应力值也较小。

4.3.3 初期支护的位移及应力

位移及应力分别如图17和图18所示。

图17 初期支护的竖向位移

图18 初期支护的应力

从图17和图18中可以看出，在灰岩地区，整体稳定性较好，即使有溶洞的影响，初期支护整体的位移及应力都是较小的，满足安全性的要求。

5 结论

本文以南崇铁路渠那隧道进口出现的溶洞侵入拱腰的实际工程为依托，对该工程采取的施工方法进行分析，得到了如下的研究结论。

(1)洞口段隐伏溶洞侵入隧道口拱腰的工程案例较少，缺少可供借鉴的经验，施工风险高施工难度大。

(2)对比先治理溶洞后进洞方案和拱盖+填充方案后认为后者在技术可行性、安全性、经济性及工期上都具有显著的优势。

(3)详细介绍了拱盖+填充方案的施工过程并进行了施工安全数值分析后认为，该方案安全可行，可供类似工程借鉴。