Value Engineering ・155・ 高速公路岩溶地区长大隧道溶洞处理技术 Treatment Technology of Long and Big Tunnel Karst Cave in the Karst Region of the Expressway 赵东升ZHAO Dong-sheng (贵州高速公路集团有限公司,贵阳550000) (Guizhou Expressway Group Co.,Ltd.,Guiyang 550000,China) 摘要:毕都高速公路毕节至都格段位于黔西北山区,地貌主要有岩溶类型、溶蚀侵蚀类型、侵蚀构造类型,主要地质以灰岩、砂岩 为主,在隧道掘进施工过程中,经常遭遏或大或小的溶洞,给隧道施工造成一定的难度。本文主要根据鸡公山隧道、鱼塘梁子隧道、龙 场隧道施工中遭遇溶洞时的处理方案,总结了高速公路隧道施工中溶洞处理技术。 Abstract:The segment of Bijie to Duge of Bidu expressway is located in the mountain of northwest Guizhou.The landscapes there are mainly karst type,karst and erosion type and erosion structure type.The geologies are mainly limestone and sandstone.There are many big or small caves in the construction process of tunnelling.which cause certain difficulty to the tunnel consturction.According to the processing schemes of encountering karst caves in the construction of Jigongshan Tunnel,Yutangliangzi Tunnel and Longchang Tunnel,this paper sums up the treatment technologies of karst caves in the tunnel construction of the expressway. 关键词:高速公路;隧道;溶洞;处理技术 Key words:highway;tunnel;karst cave;treatment technology 中图分类号:U455.49 文献标识码:A 文章编号:1006—4311(2015)09—0155-08 O引言 工爆破中对溶洞周边岩体的扰动及破坏。 岩溶溶洞是可溶性岩层受具有溶蚀力地表水和地下 2.1地质超前预报必须及时准确。准确预测、预报隧 水的化学和机械作用下而形成的地下溶蚀现象,易产生的 道围岩的地质情况是合理选择施工方案、方法、方案优化、 溶洞结构形态有沟槽、裂隙、空洞和暗河,隧道场区属长江 机械设备配置的必要前提。 水系乌江上游地区,地质属扬子准地台一黔北台隆一遵义 2.2过程管控坚持不懈。过程管控要细化到每道工序 断拱一毕节北东向构造变形区大寨背斜轴向近东一面,于 的每一环节,充分发挥人的主观能动性,使现场施工作业 ZK132+790(YK132+802)通过鸡公山隧道,岩体溶蚀节理 标准化、习惯化、精细化,做到理论与实践的有机统一,同 裂隙发育频繁,极易出现断层破碎带及溶蚀空洞,岩溶溶 时要实践与反思相结合,不断摸索、不断学习、不断积累、 洞对隧道施工的影响有洞害、水害、溶腔充填物及坍塌、洞 不断总结、不断创新,形成切实可行的溶洞处理方案及经 顶原地表塌陷、破碎带无规则滑塌、溶蚀孔洞内涌气六个 验,为后续施工提供有力的理论、实践支持。 方面。 2.3安全第一、紧抓质量。从开挖到二衬施工,严格按 1隧道溶洞类型 照相关技术规范进行操作,对隧道进行实时监控,严控隧 针对云贵高原所特有的卡斯特体貌,受侵蚀一溶蚀现 道溶洞位置的不均匀变形及沉降,预控异常涌突水情况的 象较为突出,地形条件较复杂,项目地处黔西北溶蚀中低 发生及连带冒顶塌方。做到防排水设计方案确实可行,减 山地貌区段,地形起伏落差大,在山体间低洼处多存在山 少隧道二衬施工后渗漏水的二次投入和潜在安全隐患的 间冲沟,岩溶裂隙水赋存于灰岩层,风化砂泥岩富水情况 避免。 较为明显,加之大气降水量多,地表下可溶性岩层在水的 2.4施工方案可操作性强。结合现场实际情况,充分 化学作用和机械冲刷作用下,易形成暗沟槽、裂隙、空洞 考虑人员、机械设备现场的可操作性及施工过程中的执行 等,结合杭瑞高速贵州省毕节至都格(黔滇界)公路两阶段 情况,避免施工过程中的人、机、料的衔接不合理,兼顾施 施工设计图工程地质图水文地质条件,以及现场施工过程 工人员的操作难易程度及施工中活动范围,尽可能优化现 中凸显的不确定因素,将隧道溶洞分为以下六种类型:① 场施工方案,降低施工难度,使施工进入良性运作。 隧道轮廓线外小型溶洞;②隧道拱腰以上发育大型溶洞; 2.5经济性优。在保证安全、质量的前提下,使施工方 ③拱腰以下发育大型溶洞;④隧道中心线纵向贯通溶洞; 案做到最优化。 ⑤充水型溶洞;⑥涌气型蜂窝状溶蚀孔洞。 3岩溶超前探查及施工中存在的问题 2溶洞的处理原则 工程地质勘察的目的是为设计和施工提供工程地质 施工中,应严格按照施工图纸设计及“新奥法”施工方 依据,便于施工现场施工方案的制定及比选,但在岩溶地 法施作,在溶洞处理的过程中,坚持精细组织、科学管控、 区地形起伏变化大,岩石出露无连续性和规律性,表层岩 以人为本,以设备物资保障为基础,以强化过程管控为理 层往往十分破碎。普通的地质钻探难度大,很难反映场区 念,以超前预报、监控量测、技术指导为前提,以安全、质量 的岩溶地质情况,往往在隧道施工过程中要始终坚持地质 为核心,循序渐进,确保溶洞周围岩体的整体稳定,减少施 预报先行,超前地质钻探及红外探水相结合的方法进行全 程预控,配合人工流动监测相结合进行隧道围岩及水源分 作者简介:赵东升(1975一),男,贵州桐梓人,研究方向为土木工程。 部情况的全过程管控。一般地质雷达监测图像及成果如图 Value Engineering ・l57・ / 一一 1# 22# r 1# ’ 、、\ 、 l t 。一 兰 A—A断面图 (1:1O0) 45# 66# == ~B—B断面图 :=:= = (1:200) C—C断面图 (1:2o0) D—D断面图 (1 200】 图3止水帷幕纵断面示意图 钻孔等方法探明地下水、裂隙水的发育情况,超前钻孔应 在距离预测涌突水位置前5~10m进行布设。②注浆孔自 掌子面沿开挖方向以隧道中心线为中心呈伞状布置,全断 面帷幕注浆范围为开挖轮廓线外5m,共设6环注浆孔,第 成阻水帷幕。⑤注浆前在止浆岩盘内钻 1 15钻孔并埋设 qblO8x4热轧无缝钢管作为孔口管,孔口管长3.Om,孔口 管外露20~30cm,其余注浆孔为 90钻孔。⑥注浆材料采 用水泥一水玻璃双液浆,浆液浓度应据地质及水文条件进 1~Ⅲ环每环22个注浆孔,第Ⅳ环l6各注浆孔,第V环 行调整,初拟注浆参数为:C:S(体积比):l:(0.6~1.0),水泥 l0个注浆孔,第Ⅵ环4个注浆孔,局部注浆孔数及位置可 浆水灰比为0.8:1~1:1,水玻璃模数2.6~2.8,水玻璃浓度 以根据现场实际情况进行调整。③每循环注浆长度为 25m,注浆后开挖20m,预留5m不开挖作为下一循环注浆 的止浆岩盘,施工中注浆段落位置及长度可根据现场地质 情况综合考虑进行调整。④单孔注浆液扩散半径为2.0m, 35Be ,注浆压力为0.5—1.5MPa。⑦注浆结束标准:单孔注 浆压力达到设计终压并稳定lOmin以上可结束本孔注浆, 单孔注浆量与设计注浆量基本相同,结束时的进浆量在 20~20L/min以下时可结束本孔注浆。⑧注浆堵水效果检 每循环孔底间距不大于3.0m,使注浆扩散圈。有效重叠形 查:每循环全部注浆孔注浆完成后,在主要出水点附近设 ・158・ 价值工程 置至少5个检查孔测孔内涌水量,要求全断 面涌水量小于1.0m/d.m,或进行吸水试验, 即在0.75MPa的压力下吸水量/J、于2L/min 为注浆合格,否则应补孔注浆。⑨超前预注 浆起始工作面应距预测突水位置5~lOm,以 保证足够的止浆盘,其终点应超过预测突水 段5m。 4.3隧道结构及支护。当隧道穿越软弱 围岩地带时,开挖后岩体变形大,尤其大溶 洞填充物破碎带开挖会对溶洞自身稳定造 成很大影响。导致隧道初支、二衬承受局部 应力集中,影响隧道的受力结构。因此,在隧 道施工中应与设计方密切联系,及时跟踪调 查,拟定合理的开挖方案及支护参数,编制 预留沉降量控制方案及监控量测方案,必须 时可增设套拱及双拱架进行支护,初期支护 尽早封闭成环,确保开挖断面的整体受力均 匀,二衬、仰拱及时跟进。 4.4隧道防、排水处理。对于地下水发育 的岩溶隧道,采用“以排为主、防堵结合”的 原则,在隧道施工过程中尽可能维系原地下 水排放通道,若切断原地下水排放系统可采 图6初支完成后泵送混凝土回填处理 用分流、迂回疏通的方式来闭合原有水流通 道或永久引排。对探测大型富水溶腔应先进 行集中引排处理后,在进行掘进施工,施工 中及时梳理中心排水系统,避免洞内积水带 来的安全隐患。 4.5隧道防堵气处理。对于瓦斯、涌气的 了咖 图7小型溶洞处理方案示意图 一隧道,坚决贯彻“安全第一,预防为主,依靠 科学,综合管理”的方针,施工中的管理工作必须在此方 道 ̄blOOmm软式透水管与中心排水沟相连;③对于隧道 针的基础上做到科学、简便、严密、系统。采用“短进尺,弱 仰拱及路面下发育深度小于2m的溶洞,清除溶洞充填物 5片石混凝土回填;该类型溶洞按原设计开挖方 爆破、强支护,勤监测,强通风,快喷锚”的施工原则进行 后采用Cl法均可顺利通过。(图5—7) 作业。 5_2隧道拱腰以上发育大型溶洞处理方案如下: 5施工中常见溶洞处理措施 ①对于拱腰以上发育大型无充填物(或填充物可清 5.1隧道开挖轮廓外发育小型溶洞处理方案如下: Om,间距 ①对隧道拱顶及拱腰以上发育深度小于2m的溶洞, 除)的溶洞,沿溶洞周边打设 22药卷锚杆(长3.清除溶洞充填物后在溶洞周边打设(I)22药卷锚杆(长 120xl20cm,深入基岩>1.5m),设置 22钢筋网(间距20x 2.0~3.Om,间距120xl2Ocm,深入基岩>1.Om),待初期支护 20cm)后泵送浇注C25混凝土,其最薄厚度不小于80cm, 施作完成后分次泵送C15混凝土回填;②对于隧道边墙 两侧嵌入岩石内不/J、于50cm,待混凝土强度达到70%后 发育高度小于3m的溶洞,用干砌片石回填,并采用厚度 采用吹沙回填做缓;中层i②对于拱腰以上发育大型有充填 不小于2m的M7.5浆砌片石进行封堵,并且每隔2m设置 物的溶洞,沿溶洞周边打设超前超前小导管或大管棚作为 超前支护,隧道开挖后初喷lOcm厚混凝土,然后施工 I20b型钢拱架、 6.5钢筋网20x2Ocm(双层)及喷射50cm 厚混凝土作为护拱,并设置长3.Om长 22锁脚锚杆,在 护拱保护下再施工初期支护及二次衬砌;③当施工中遇到 岩溶水时,综合采取截、堵、排、防措施进行治理,岩溶水水 量不大时,优先进行疏导,当岩溶水量较大,应根据实际情 况分别采用帷幕注浆、局部注浆等方式进行堵水,同时应 对施工可能引起水资源漏失程度做出评价,必要时对当地 生产和生活用水采取适当的保护措施。(图8—15) 图5龙场隧道右侧拱腰小型溶洞 5.3隧道仰拱及边墙发育大型溶洞处理方案如下:① 上部宽度较窄的溶洞,采用M7.5浆砌片石回填及C25钢 Value Engineering ・159・ 图8拱腰以上大型溶洞填充物垮塌 图l3二衬及时跟进施作 图9对溶洞口进行砂袋码砌封堵处理 拱腰以上大溶洞处理方案示意图 ——— 霸颈 .广—一 图14 图10溶洞口封堵完成后采用喷射混凝土封闭掌子面 图ll溶洞腔内泵送混凝土 拱腰以上太溶洞处理方案示意图 ——— 禹覆 —一图15 筋砼梁跨越,施工中预埋+lOOmm软式透水管作为泄水通 图l2长管棚加固处理 道;②上部宽度较宽的溶洞,采用工字钢砼梁跨越。开挖方 ・16()・ 价值工程 法可按台阶及预留核心土法施作。(图l6一l9) 移 测 基 道 ~、 中 毁 /一 线 。 ’,. _} 刁 薏 暑 三 兰 磊i零器 图l6上下贯通大溶洞 牝 ~0一 、 一 图l9 图17溶洞顶工字钢混凝土承台 拱腰以下大溶洞处理方案示意图 _ ・- -- __・—^ _ __ - 一 c上部较窄) 图18 图21洞内溶腔垮塌物 5.4溶洞引起的地表坍塌采取的施工措施: ①洞项覆盖层较厚,洞顶原地表采用回填夯实处理, 同时对原地表水源进行引排,同时做好地表沉降观测,洞 内采用”大管棚+小导管+临时支撑+超前帷幕注浆”进行 综合处理;②洞顶覆盖层较薄,洞项原地表采用注浆预加 固使得地表岩体得到加固,洞内采用”大管棚+小导管+临 时支撑”进行综合处理,小导管及管棚加大了支撑体系的 刚度,防止地表岩体坍塌。施工中应严格控制注浆质量,确 保其作用的发挥良好,同时做好地表排水及监控量测工 作;③此溶洞段破碎带开挖开挖可采用CD或CRD进行 施作。(图20—27) 图22掌子面管棚加固 Value Engineering ・l6l・ 5.5充水型溶洞采取的施工措施。当掌子面短距离超 前探孔内发生涌水后,可采用钻机进一步探测,探明溶洞 发育深度、充水量,取证其水流补排途径。通过钻孔排水 后,监控其水量、水压变化:地下水丰富的隧道,一般采取 “以排为主,绕排结合”的施工方法,通过增设泄水洞对溶 洞水直接排放处理。针对可能造成地下水大量流失、环境 遭到破坏的溶腔,主要以“以堵为主,限量排放,排堵结 合”的施工原则进行治理。在施工中采用全断面帷幕注浆 技术充填衬砌开挖轮廓线5m范围内岩溶腔体及裂隙, 防止开挖过程中发生突泥、突水等地质灾害,保证施工安 图23掌子面封闭注浆处理 全。(图28—29) 图24双榀拱架加强支护处理 图28隧道内涌突水严重 图25超前预注浆 图29自进式锚杆注浆止水处理 5.6针对鸡公山隧道涌气性溶蚀孔洞采用的施工措 施。鸡公山隧道ZK132+710掌子面出现不明气体从掌子 图26采用双侧壁导坑进行掌子面上导坑施作 面围岩裂隙喷出,气体压力达I-2MPa,时间不长即充盈整 个掌子面,随即出现工人呼吸困难、眩晕、浑身酸软无力、 呕吐等症状,装载机也出现熄火现象。工班长立即撤出作 业人员,掌子面揭露的岩石为灰黑一灰绿色炭质泥岩夹灰 绿色钙质泥岩,岩质软~较软,岩体破碎~较破碎,在构造 挤压作用下褶曲发育(见图30、图31);局部岩石上附着的 石英、SiO,盐类白色晶体见图32、图33),根据岩层产状和 构造情况,隧道左洞进口掌子面已快接近背斜核部,受背 斜构造影响上部岩层皱褶发育处于一种封闭环境,导致背 斜内物理、化学反应产生气体不能释放,故背斜核部积聚 气体压力大,只能通过掌子面开挖裂隙涌突,持续时间长, 给施工现场造成严重影响。 2013年9月11日,及时邀请中煤科工集团重庆研究 院工程师现场对气体取样。9月19日下发监测报告气体 成分如下:氧气(0 )3.248%,氮气(N )95.67%,甲烷(CH ) 图27原地表回填修筑排水沟 753.8PPM,一氧化碳(CO)28.48PPM,二氧化碳(CO2) ・162・ 价值工程 强通风,2台风机24小时全天侯作业。③施工作业人员全 图30掌子面揭露的泥岩1 部带氧作业,隧道内增设供氧设备集中供氧。④现场专职 安全员采用瓦斯监测仪、硫化氢监测仪等相关便携式仪器 24小时轮班对掌子面有毒、有害气体浓度进行跟踪监测。 5、现场安排应急救援物资及医疗器具,确保隧道施工人员 人身安全。⑤严控掌子面开挖进尺,及时支护,及时封闭初 支。⑥邀请相关专家亲临现场进行工序作业指导。 采用以上施工措施保障,注浆效果明显,气体涌突得 到了有效抑制,现隧道已安全通过覆盖区,二衬均已全部 封闭,无人员伤亡,鸡公山隧道涌气段施工为我们提供了 宝贵的学习及实践经验。 6注意事项 6.1反坡施工的隧道应配备满足排水所需的机具设 备,并确保设备处于良好的运行状态,对长大隧道应间隔 定距离设置集水井,采用中转进行引排,减少资源浪费。 6_2做好超前地质预报,结合地层产状,分析地质构 造,采用多方法结合,准确识别其工程地质情况,可以比较 准确地判断围岩掩体特性,制定详实可行的操作方案。 6.3施工中要高度重视监控量测工作,计算并预留足 一够的沉降变形量。 6.4加强初期支护质量,尤其围岩堆积体、破碎带位 置测量放线必须准确,保证初支及时有效,不侵限。 图3l掌子面揭露的泥岩2(呈蜂窝状) 6.5注意单次开挖进尺控制,同时仰拱、衬砌及时跟 进,确保施工安全。 6.6加强掌子面的引排水,避免积水浸泡基础。 6.7定期做好人员的安全、质量、技术教育工作。 7小结 图32局部岩石上附着的晶体 岩溶地区高速公路隧道施工遭遇溶洞和溶槽几率较 大,给施工造成一定的影响较为常见。所以对溶洞处理研 究显得尤为重要制定操作性强、安全稳妥的处理方案十分 重要。本文结合毕都高速公路龙场隧道、鱼塘梁子隧道、鸡 公山隧道遭遇溶洞时的处理方案,介绍了岩溶地区不同位 置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件溶洞的处理办 法,分别为封闭、回填、护拱、缓冲层、承台跨越、超前注浆 或管棚施工工艺。上述处理技术绝大部分经过实地验证, 经济,安全,实用;施工中要严格遵循处理原则,切实执行 处理方案,根据现场实际地质情况进行合理调整施工各参 数,保证施工安全。上述施工总结对岩溶地区高速公路隧 道溶洞处理较为实用,希望在以后岩溶地区施工中,借鉴 使用,创造最佳经济效益。 参考文献: {1 1JTG F60—21309,公路隧道施工技术规范fs1. 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