长庆坡隧道特大型溶洞穿越施工技术

长庆坡隧道特大型溶洞穿越施工技术

刘俊杰

中铁十局集团有限公司山东济南

摘要：云桂铁路云南段长庆坡隧道DK481+895-+974段施工中出现洞身整体穿越全充填型溶洞，且溶洞规模较大。由于拱部以上围岩溶蚀严重岩体破碎，拱脚黏土夹碎块石充填承载力较差，导致施工过程出现多次掌子面塌方，拱架大变形等情况，给施工造成很大困难。为了保证施工、运营安全及工程进度，采用超前导洞先行探明周边溶洞发育情况，扩挖过程采用超前管棚、双层钢架、拱墙初支模筑混凝土加强支护，基底溶洞采用挖孔桩-筏板结构等处治措施。实践证明，该溶洞处治技术措施可靠、合理，可以确保隧道施工安全及运营安全。

关键词：长大隧道；长庆坡隧道；全充填型溶洞；超前导洞；管棚；挖孔桩-筏板结构；双层拱架支护。

引言

我国是世界上岩溶分布面积最广泛的国家之一，主要分布在西南地区的云贵高原和四川西南部，据不完全统计，总面积达200万平方公里。随着我国高速铁路建设事业的不断发展，西南地区大量山岭隧道建成或在建设中，施工中常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量各异的溶洞。在相关研究中：针对龙鳞宫隧道大型溶洞支顶加固技术做了研究；针对云雾山隧道“＋８５２”溶洞采取了桩基＋隧道结构的处理方案；针对岩湾隧道特大型溶洞处治技术。

虽然以上研究为隧道特大型溶洞的处理提出了多种处理措施，且都取得了良好的处理效果，但施工过程揭示的溶洞形式多种多样，处理方案大部分都是根据溶洞特点制定针对措施。在隧道洞身整体穿越全充填型溶洞，周边围岩软弱的情况涉及较少且处理过程描述不清。本文将以云桂铁路云南段长庆坡隧道施工中所遇到的隧道洞身整体穿越全充填型溶洞为研究对象，结合隧道特点，采用多种措施保证隧道施工过程及后期运营安全。

１工程概况

1.1工程简介

长庆坡隧道是云桂铁路云南段一座长大隧道，隧道进口里程DK481+639，出口里程DK494+322，全长12683m，设计标准为200km/h（预留250km/h）双线铁路隧道，该隧道穿越地区属低中山剥蚀及盆地堆积地貌，沟谷纵横，地形起伏较大，地层主要为灰岩地层，地表溶蚀明显，溶缝、溶孔、溶槽、岩溶漏斗及竖向溶洞等岩溶极为发育。

本文研究溶洞里程为DK481+895～+974段，位于隧道进口至1#横洞之间，原设计DK481+920～+974段为IIA型复合衬砌，DK481+895～+920段为IIIA型复合衬砌。隧道开挖由1#横洞至进口方向进行施工，施工至DK481+971位置揭示为溶蚀破碎带，溶蚀裂隙发育，充填黄色粘土，粘土占掌子面30％多，围岩破碎，稳定性差，拱顶掉块，掌子面潮湿；施工至DK481+956.6掌子面发生突泥情况，突泥涌至DK481+970并稳定，拱部上方发现空腔；施工至DK481+944.4开挖揭示为掌子面为充填型溶洞，充填物为灰黄色粉质粘土（软塑偏硬），含粉粒较重，拱部开挖形成高约2m的空腔，掌子面未见地下水。由于溶洞规模不明，且DK481+944～+974已支护完成位置拱架变形较大已侵限，施工风险大，鉴于此，暂停掌子面掘进，修建超前导洞探测掌子面前方岩溶发育情况，同时利用导洞对周边岩溶进行探测，确定溶洞规模及形态，制定处理方案。

1.2揭示溶洞发育情况

超前导洞完成后对周边及隧底进行地质钻探，据钻探地质资料揭示，DK481+895～+974隧道拱墙及基底发育一充填型溶洞。溶洞基底形态近于鱼形（图1），顺线路方向长度约79m，垂直于线路方向宽度50m以上，溶洞高度58m，溶洞范围为拱顶以上0～9.4m，平均约为4.2m，隧道左边墙外侧为0～30m以上，隧道右边墙外侧为0～9.5m，平均约为5.7m，隧底以下深度为0～38m，平均约为22m。揭示基底为充填型溶洞，溶洞充填物为黏性土夹少量角砾，角砾一般含量5～10%，局部分布有呈孤立状碎块石土，分布呈不规律性。黏土硬塑状为主，局部软塑状，软硬分布无规律性，可能引起基底不均匀沉降，对隧道工程影响大。

图1纵向溶洞形态

2特大溶洞综合处理方案

根据已揭示溶洞形态决定加强该段开挖支护，衬砌类型变更为Vc型复合衬砌，对变形侵限DK481+944～+974段进行换拱处理，双层I25型钢支护，中下台阶增设临时仰拱，拱部采用超前大管棚进行加强支护；DK481+895～+950段采用双层I25型钢支护，上中下台阶增设临时仰拱，溶洞发育位置设置超前大管棚；初支中台阶完成一段及时施做30cm初支补强C30模筑砼；隧底岩溶整治采用挖孔桩-托梁-筏板结构设计，而后施做二次衬砌，确保后续无砟轨道沉降要求。

3特大溶洞综合施工技术

3.1超前导洞及岩溶探测技术

3.1.1超前导洞施工

为探明前方、拱墙及隧底岩溶发育情况，制定切实可行方案，将DK481+950～+944段已开挖上台阶采用C20素混凝土封填密实；于DK481+950上台阶正中处开始施做超前导洞，超前导洞开挖尺寸4m（宽度）*5.5m（高度），高度不影响正洞施工；采用曲墙带仰拱喷锚衬砌，加强支护采用全环I16型钢钢架，钢架间距0.6m/榀，超前支护采用Φ42小导管，环向间距0.4m，每环15根，每根长4m，2.4m/环。超前导洞施工至DK481+895位置，与进口正洞掌子面贯通。

3.1.2周边岩溶探测

结合施工过程岩溶探测情况以及现场实际，决定由DK481+970开始向小里程进行岩溶探测，5m一个断面在拱墙左右侧、隧底每各进行1个地质钻孔，探明岩溶发育情况，拱墙位置探测深度不少于30m，隧底钻至基岩以下5-10m深度。钻孔采用地质钻机进行，过程留置芯样，以便后期对溶洞土质进行试验，确定支护参数。

3.2DK481+950～+974变形地段洞身换拱施工技术

3.2.1总体处理方案

采用洞碴将DK481+971～DK481+950段满回填，于DK481+971向下顺坡回填形成工作平台，拱顶部位泵送混凝土回填密实，于DK481+971位置施做导向墙，超前支护采用Φ203超前大管棚支护，环向间距0.6m，每环30根，25m/根。支护采用全环I25b钢架支护，钢架间距0.6m，该段采用嵌拱，每两榀钢架间嵌入一榀I25型钢钢架，上台阶拱脚采用2根Ф42锁脚锚管锚固，每根长度4.5m，中下台阶拱脚采用2根Ф60锁脚锚管锚固，每根长度6m。拱部设2m厚C25混凝土护拱，吹沙2m，对边墙进行注浆，Φ42小导管，每根长4.5m，1.2m*1.2m梅花形布置。

3.2.2具体施工技术

（1）导向墙施工

于DK481+971处施作导向墙，导向墙砼采用C20砼，导向墙的厚度为0.8m，导向墙施工纵向长度为1m，导向墙基础嵌入管棚作业平台不小于0.5m。为保证长管棚施工精度，导向墙内设两榀I18工字钢架。钢架外缘设导向钢管，导向管则选择ф325钢管制作，壁厚为10mm。钢管与钢架必须焊接牢固，以防施作导向墙砼时造成导向管移动，管轴线与衬砌外缘线夹角1-5°。

（2）管棚钻孔、安装及注浆

钻机平台用钢管脚手架搭设，钻孔由2台钻机由高孔位向低孔位进行。为了便于安装钢管，钻头直径采用Φ300mm。钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。管棚钢管安装顶进前先进行孔道扫空作业。管棚钢管由机械顶进，采用Ф203热轧无缝钢管（壁厚10mm）制作，顶进时，采用6m或3m节长的管节交替使用，以丝扣接头连接而成（附图2），以保证隧道纵向同一断面内的接头数不大于50%，管壁上按照设计钻注浆孔。管棚顶到位后，在Φ203管棚中插入3根Φ32钢筋，钢管与导向管间隙用速凝水泥等材料堵塞严密，以防注浆时冒浆。注浆压力一般为1.0～2.0MPa，终压2MPa，持压15min后停止注浆，

图2管棚及接头示意图

（3）拆换拱架施工

1.对DK481+971～+955段坡道进行分段开挖至中台阶临时仰拱位置。在上台阶拱脚位置逐榀加设I20b型钢钢架临时斜撑，钢架翼板垂直线路，底部采用28a槽钢垫实基础，左右侧斜撑底部采用I20b型钢钢架设临时横撑，横撑做成临时仰拱弧度，方便后续中台阶临时仰拱施做（详见图3）。

2.而后由侵限起始位置开始上台阶换拱，每次开挖一榀，间距0.6m，预留变形量控制在60cm。开挖完成后初喷4cm混凝土→铺设φ8钢筋网→安装I25b钢架，拱脚采用32b型槽钢支撑稳固，每榀钢架安装Ф42锁脚锚管4根，每根长度4.5m→挂网、安装系统锚杆，复喷混凝土至设计厚度33cm→安装I20b临时仰拱钢架，安装网片，浇筑30cm厚C30混凝土。

3.中台阶左侧滞后上台阶5～10m后进行（图3②-1部）换拱，中台阶右侧滞后中台阶左侧3～5m后进行（图3②-2部）换拱，每次开挖一榀，间距0.6m，预留变形量控制在60cm。开挖完成后初喷4cm混凝土→铺设φ8钢筋网→安装I25钢架，拱脚采用32b型槽钢支撑稳固，每榀钢架安装Ф60锁脚锚管2根，长6m，每个角度各一根→钻设径向Ф22锚杆，长度4.0m，间距1.2m×1.0m→复喷至设计厚度33cm→安装I20b临时仰拱钢架，安装网片，浇筑30cm厚C30混凝土。

4.上、中台阶每完成5m支护后拆除该段临时斜撑，进行30cm厚C30初支补强模筑混凝土浇筑，内布置一层Φ12钢筋网，网格间距20cm*20cm。模板采用小木板拼装，在支护时预留φ12拉筋，间距50cm*50cm布置，方便二衬时模板加固。

图3换拱地段断面图

5.下台阶滞后于中台阶5～6m后及时跟进，左侧（图3③-1部）进行换拱施工。每次开挖一榀，间距0.6m，预留变形量控制在60cm。边墙双层I25钢架支护完成后，安装I20b临时仰拱钢架，安装网片，浇筑30cm厚C30混凝土。

6.下台阶滞右侧（图3③-2部）滞后左侧2～3m进行换拱，工序同下台阶左侧。下台阶每完成5m支护后进行30cm厚C30初支补强模筑混凝土浇筑。

7.该段完成后在隧道下台阶施做挖孔桩-筏板结构。

3.2.3拱部空腔处理

针对该段中隧道拱顶因溶洞充填物涌出后形成的空腔，采用2m厚C25砼护拱进行回填，其上回填2m厚吹砂缓冲层，埋设1根Φ100泄水管，管头外裹无纺布，直接引入隧道侧沟。初支补强模筑混凝土施工完成后，及时对拱顶空腔进行泵送C25混凝土，泵送混凝土由埋设3根Ф100泄水管泵入，泵入过程应连续一次性泵送厚度到位，厚度不下于2m，而后采用已经预埋1根Φ100泄水管吹沙2m。

3.3DK481+895～+950地段洞身施工技术

1．换拱施工至DK481+950时，在溶洞发育位置再次施做超前大管棚，DK481+950～+910段左边墙溶洞范围采用Φ203大管棚（壁厚10mm），45m/根，管棚间距0.6m，DK481+950～+925段拱部采用Φ203大管棚（壁厚10mm），30m/根管棚间距0.6m，在Φ203管棚中插入3根Φ32钢筋，并注浆封填密实，管棚末端嵌入基岩不少于3m。

2.DK481+950～+895段按正常支护进行施工，采用双层I25钢架支护，每层台阶底部设临时仰拱，完成5m后进行30cm厚C30初支补强模筑混凝土浇筑。

3.该段完成后在隧道中台阶施做挖孔桩而后再进行下台阶及筏板结构施工。

3.4隧底岩溶整治

3.4.1隧底岩溶处理总体方案

根据长庆坡隧道DK481+895～+974开挖揭示地质、超前地质预测预报及补勘地质情况，经经济技术比选，对隧底DK481+895～+974段基底溶洞采用挖孔桩-筏板结构，具体措施如下：

1.挖孔桩：DK481+895～+918、DK481+954～+974段桩采用挖孔桩，桩直径1.25m，桩长15.5m～41m，桩间距纵向4m，横向3.8m，共36根；DK481+918～+954段桩采用挖孔桩，桩径1.5m，桩长21.5m～37.5m，桩间距纵向4m，横向5.26m，共27根。桩底嵌入R3地层深度不小于3m，桩底嵌入W2地层深度不小于2m，桩顶钢筋伸入筏板1.25m。桩基孔位具体布置如图4所示。

图4挖孔桩布置图

2.筏板：筏板宽度DK481+895～+900段13.72m，DK481+900～+974段14.02m，板厚1.5m，长79m。

3.4.2挖孔桩施工

DK481+971～DK481+950段施工挖孔桩由下台阶开始，DK481+950～DK481+895段由中台阶位置开始，人工挖孔桩修建锁口，高出地面不少于50cm，每次开挖长度为1ｍ，开挖过程在桩身周围设置25cm厚的钢筋混凝土护壁。桩身混凝土整体浇筑。桩身施工至设计高程后，在孔底用风枪向下钻孔５ｍ，以探明桩底是否存在溶洞。而后以跳跃式交错的顺序对不同桩基桩身混凝土进行整体浇筑，强度等级为Ｃ35。挖孔桩施工过程严格按照相关要求进行，过程留置渣样，配置通风设备及有害气体检测设备，确保施工安全。

3.4.3筏板施工

DK481+974～DK481+950桩基施工完毕，检测合格后开挖筏板基础，将两侧初支钢架及模筑砼接至筏板底部，在筏板底部施做Ⅰ20临时仰拱，筏板每次开挖不大于2m，开挖后临时仰拱紧跟施作，及时封闭成环，支护完毕后及时施做筏板，筏板每次浇筑长度为4m，筏板施工缝在每排桩中心位置。

DK481+895～DK481+950段桩基施工完毕，检测合格后，待两端二衬施工至下台阶位置后进行DK481+895～DK481+950段下台阶分部开挖。先进行右侧开挖，开挖过程中保留下台阶顶部临时仰拱，及时顺接上台阶初期支护及下台阶临时仰拱，在隧道中线位置加设一道Ⅰ20临时竖撑，在下台阶顶部临时仰拱与初期支护钢架之间偏移初期支护钢架2m处加设一道Ⅰ20临时支腿，与下台阶顶部临时仰拱及初期支护呈45°角（见附图5），确保下台阶顶部临时仰拱安全。右侧开挖进2m后开始左侧下台阶开挖，施工工艺与右侧相同。而后进行筏板施工，工艺同上。

４溶洞处治效果

长庆坡隧道DK481+895～+974段特大型溶洞采用加强支护、挖孔桩-筏板结构的方案进行整治后，经过6个月的沉降观测，基本处于稳定，满足无砟轨道施工要求，经过2年雨季和运营实践证明，该处治措施是可靠的、有效的。长庆坡隧道特大型溶洞综合处治工序繁多，且存在交叉工程，方案确定后经过近8个月的合理施工，隧道结构顺利穿越该特大型溶洞，施工过程对支护方案、桩基布置进行优化，将原定处治工期缩短约１个月，各项监控指标满足要求，证明了该综合处治技术的合理性和可行性。

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