隧道穿越溶洞堆积物的设计与施工

1　工程概况与溶洞规模
试刀山隧道是合肥至芜湖高等级公路上最长的越岭隧道，系双管四车道工程，右线隧道长1 125 m；左线隧道长1 093 m，左右隧道相距50 m，开挖断面积约为110 m2。
隧道洞身穿越灰岩、泥炭岩、页岩、砂质泥岩及泥质砂岩。灰岩地段岩溶发育，分布20余个中小型溶洞，右线隧道开挖至44K+959处遇到大型溶洞、断层、地层交接复合带，发生顶部坍方，沿线路方向宽15 m，影响长度约30 m。溶洞内充满堆积物，塌落高度40 m以上，堆积物多为大粒径孤石，淤泥填充，最大粒径达4 m，一般为0.5～2 m，相互交错，挤压，大量堆积物从拱部塌落下来堆满掌子面，按常规方法三次清理千余方，仍是随清随坍，形成大型坍体，三块巨石卡在掌子面顶部难以处理而被迫停工。为探明溶洞规模，在掌子面左侧开挖一个4 m2的导坑，除灰岩堆积物外，夹有泥岩、砂岩剥落体，隧道底面以下溶洞被填平。根据超前导坑揭示及洞内洞外的调查，此溶洞位于石炭系灰岩与泥盆系泥岩夹薄层砂岩的接触带，垂直于隧道轴线向上延伸，上与地表“漏斗”相通，下与力寺力库关联，加之F5断层影响，地下水受泥岩隔水层的阻拦，接触带岩溶更易发育，在地下水的作用下，泥岩剥落，灰岩溶蚀切割，下至高程54.62 m仍有岩溶发育，岩溶构成如图1，溶洞堆积物与隧道关系如图2。

图1　岩溶成因示意图

图2　溶洞堆积物与隧道关系示意图
2　设计思路想与穿越堆积物的技术对策
溶洞堆积物宜固不宜清，先支后挖，强支护，开挖断面要变大为小，步步为营。因此必须加固周围的岩堆，构成整体结构受力。
施工前必须做好稳固掌子面的工程措施，防止顶部巨石下坍危险。固结块石坍体，确保溶洞堆积物的稳定。
穿越溶洞堆积物应考虑地表“漏斗”水下来后，可能造成的隧道突发性外荷力。
加固隧底堆积物，确保底部深处水流通路，把穿越部分作为特别段进行支护与衬砌设计。采用封闭式钢筋混凝土整体衬砌。隧道拱圈，矮边墙及底板整体按“地基梁”设计，使穿越结构形成一个受力整体——“管梁”，“管梁”置于加固后的堆积物上，两端属于坚固的基岩上或处理过的基础上，解决纵向承荷，如图3。
结构完工后，在拱顶部位压入“坑道填充剂”，减缓溶洞堆积物上部落石对“管梁”结构的冲击，并封填平整地表“漏斗”，减少地表水下渗。
3　开挖方法选择
根据揭露出的溶洞推物的地质情况，控制围岩的变形，防止结构下沉是成败的关键，为此根据经验选择了安全性、可靠性、稳定性好，能够严格控制围岩变形的“眼镜工法”，作为通过溶洞堆积物的施工方案。“眼镜工法”以新奥法的施作为依据，采用分部开挖，划大断面为小断面，步步封闭成环，以缩小开挖跨度，减少扰动围岩。及时施作喷锚等初期支护
，使断面及早闭合形成封闭结构，围岩变形提高围岩自身的抗荷能力。开挖断面划分见图4。

图3　钢筋混凝土“管梁”结构示意图

①侧导坑上半部开挖　②侧导坑下半部开挖　③中央上部环形开挖　④中央中部开挖　⑤中央下部开挖　⑥喷混凝土　⑦隧道周边钢支撑　⑧超前小导管　⑨注浆式锚杆　10围岩加固圈　11钢筋混凝土“管梁”衬砌　12边墙梁　13底板梁　14中央横向钢支撑　15中央隔墙钢支撑　16侧导坑上半部仰拱钢支撑　17设计开挖轮廊线
图4　“眼镜工法”开挖断面划分图
4　结构设计
穿越溶洞堆积物“管梁”结构断面采用复合式衬砌特殊设计。初期支护采用钢支撑，钢筋网，纵向小导管注浆，环向高压注浆锚杆，喷混凝土组成联合支护体系。二次衬砌采用模筑防水钢筋混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间铺设防水层，其支护结构设计参数见表1。
喷射混凝土分三次喷至设计厚度，初喷及网喷采用ZP型早强喷混凝土，各喷5～7cm厚，最后采用普通喷混凝土喷至设计厚度。要求喷混凝土必须填实钢支撑与岩壁的间隙并将钢筋网和钢支撑覆盖至少2cm以上，确保共同受力，喷射混凝土强度等级不低于C20。
表1　支护结构设计参数
初期支护二次衬砌辅助施工
措　施喷混凝土厚(cm)锚杆钢筋网钢支撑拱墙厚
(cm)底板厚
(cm)拱墙底板30环向注浆式锚杆，外径φ42，δ=3.5 mm，长3.5 m，环向间距1.0 m注水泥浆(掺膨胀剂)，φ22砂浆锚杆长1.5 m固定钢支撑用φ6As10×10 cm拱墙满铺及临时支护H175间距0.75 m纵向联结钢筋环向间距0.5 m6070拱部120°范围设置超前小导管，外径φ42，δ=3.5 mm，长2.5 m，环向间距0.3 m，注水泥浆　　溶洞堆积物岩石整体性差，采用高压注浆锚杆加固隧道周边3～5 m围岩，形成“注浆锚固加强带”，可以分担荷载。高压注浆锚杆解决了传统锚杆难以注浆的难题。通过调节注浆压力和改变浆液配比来控制浆液的扩散范围，确保锚杆锚固的质量及对周边围岩的加固效果。
“眼镜工法”控制围岩变形的关键是步步为营，环环封闭，约束变形必须采用较强的支护结构，钢支撑设计充分考虑了开挖断面划分及施工顺序的衔接，隧道周边钢支撑采用H175型钢栓接，两侧导坑上半部仰拱、中央隔墙与横向钢支撑等构件亦采用H175型钢栓接，详见图5。
为防止拱部崩坍和稳定开挖工作面，在隧道拱部120。范围内，设置了超前小导管注浆超前支护。二次衬砌设计考虑了突发性外荷力，由断面计算决定采用拱墙衬砌厚度60 cm，底板厚70 cm，在溶洞全长范围内，隧道拱圈、矮边墙及底板梁均采用φ22钢筋，按“地基梁”设计。详见图6。
根据选定的支护参数及施工方法，采用SAPS4有限元分析程序进行了模拟计算，详见结构受力分析专题报告。验证结果表明，结构是安全的。

图5　钢支撑总装图

图6　钢筋混凝土“管梁”配筋图
5　穿越溶洞堆积物施工
5.1　施工前的工程措施
强行通过溶洞堆积物之前，靠近掌子面15 m范围内，已作好初期支护，先进行一次补强，并进行部分二次衬砌，确保施工有一个稳固的“后方”。
在掌子面后面适当位置砌筑挡碴墙，用洞内弃碴回填掌子面虚碴坡脚，并抬高平台稳住虚碴，台面横架钢梁，梁端固定在两侧灰岩上，平台面浇筑40 cm混凝土，用浆砌片石封闭掌子面，并预埋压浆管，长、中、短管搭配并作好标识。如图7。
压注砂浆或混凝土填充大孤石缝隙，用较低的压力反复注浆，先长后短，注长管时掺加膨胀剂，以有效的控制注浆范围，安全且节省。

图7　稳定掌子面的工程措施
5.2　施工方法
(1)侧壁导坑开挖及初期支护，开挖前先打设超前小导管，注砂浆。每个导坑分上、下两层人工开挖，上、下层及两侧导坑前后错开，一次循环进尺在0.75 m以内，及时初喷早强喷混凝土(厚度5～7 cm)。架设导坑钢支撑，设锁脚锚杆，设环向高压注浆锚杆，及时挂网，分两层喷混凝土，使导坑及时封闭。
(2)中央上部环形开挖。先打拱部超前小导管，注砂浆。从拱部中间向两边扩挖，挖一段喷一段，初喷5～7 cm，每次进尺0.75 m以内，设拱部钢支撑，设环向高压注浆锚杆，及时挂网，再喷一层混凝土至设计厚度。
(3)中央中、下部开挖。由于隧道断面开挖跨度较大，增设两道横向钢支撑，将中央中、下部分两次开挖。中部开挖后，设横向钢支撑。下部开挖完毕后，及时初喷，架设隧道底部钢支撑。底部周边设环向高压注浆锚杆，再喷射两次混凝土至设计厚度。至此，整个断面初期支护形成。
(4)初期支护质量检验及隧底堆积物稳定确认，喷射混凝土厚度采用预埋钢筋头，设置量测标志进行检查，并实行验收制度，不合格时立即补喷：钢支撑除了严格按设计下料，组焊和安设外，喷混凝土必须完全将钢支撑喷满喷实，现场采用观察和捶击法进行检查，发现有空鼓或不实之处，凿开空洞重新补喷；初期支护完成后，采用高密度综合物探方法检查隧道周边环加固层及层外围岩情况，重点查明顶板及侧边墙5 m以内是否存在有害空洞，隧道底部压浆是否密实，特别是隧道底部高压注浆锚杆加大，施工中要编制实施性施工组织设计。要专人负责，统一指挥，严把质量关。
(5)钢筋混凝土“管梁”施工。初期支护质量检验及隧底堆积物稳定确认后，可进行“管梁”施工，先施工隧道边墙梁及底板梁，在“管梁”全长范围内，边墙梁及底板梁应一次施工完毕。待达到强度后，进行拱墙部分钢筋绑扎，连续模筑防水钢筋混凝土拱墙。直至“管梁”施作完毕。
5.3　工艺流程(见图8)
图8　工艺流程图
5.4　控制围岩变形防止坍塌安全技术措施k
(1)采用超前小导管注浆来加固工作前方围岩，坚持先护顶后开挖的原则组织施工。
(2)采用短进尺弱爆破开挖，施工中尽量减少对围岩的扰动。
(3)开挖成形成后及时进行喷混凝土等初期支护或者边开挖边支护，步步为营。
(4)严格控制每循环进尺和台阶长度，在不造成两部施工产生干扰的前提下，应尽早使初期支护封闭成环。
(5)开挖后各分部在完成规定的进尺后，必须立即喷射5～7 cm厚的早强混凝土，并架设钢支撑，认真做好钢支撑拱脚处理，以减少围岩的松驰变形。
(6)采用高压注浆锚杆加固洞周3～5 m范围内围岩，以改善支护结构的受力条件，限制其过大变形。
(7)下部开挖必须在邻近作业面的初期支护具有一定强度后实施。
(8)施工过程中对围岩及支护结构进行变位及应力量测，根据量测数据结合观察报告正确分析围岩和支护的稳定性，并采用正确的对策，当初期技护变形过大时及时喷射早强混凝土封闭掌子面，及时进行临时仰拱封底。
5.5　监控量测
监控量测是新奥法设计施工的核心，由于本段开挖断面分部较多，我们主要进行了拱顶下沉量测，钢支撑及喷混凝土应力量测，量测结果如下：
(1)拱顶下沉量测
分别进行了两侧导坑及中央拱顶下沉量测，在中央上部环形开挖时拱顶下沉量最大值发生在超前开挖的两侧导坑中，最大值约为15 mm；两侧导坑开挖时侧导坑拱顶下沉量仅为几个mm，彼此没有太大的影响。由此可以认为“眼镜工法”分别开挖对控制围岩变形是有效的，两侧导坑因自成封闭结构支护是强有力的，两侧导坑完全可以同时掘进。
中央上部环形开挖时拱顶下沉量比两侧导坑的拱顶下沉量大，约为13 mm，比两侧导坑开挖时约增加5 mm。分析认为与中央下部初期支护没有形成封闭有关。
(2)钢支撑及喷混凝土应力量测
钢支撑和喷混凝土是初期支护主要的受力结构，量测结果如下：
两侧导坑沿隧道周边的钢支撑在导坑开挖时轴力约为10 tf，而在中央开挖时迅速增大到约30 tf；中央隔墙的钢支撑，在中央开挖时，轴力增大不多，轴力的大小跟两侧导坑开挖时相近约10 tf；中央拱顶的钢支撑轴力与隧道周边钢支撑轴力的增加程度一致约为20 tf。由此结果分析认为，最大位移以中央开挖时发生的荷载为主，由隧道周边的钢支撑承担。临时支撑割除时，轴力分布规律没有发生变化，周边的钢支撑整体上增加了约15 tf的轴力。
喷射混凝土应力，在两侧导坑开挖时为5～8 kgf/cm2，中央开挖时与钢支撑应力变化规律一样，两侧导坑沿隧道周边的应力急剧增大，约为20 kgf/cm2，分布形状大致呈均匀性。
从以上监控量测结果可以得出如下结论：“眼镜工法”最大荷载在中央开挖时发生，这与两侧导坑自身是封闭结构，而中央开挖时整个断面还未形成大的封闭结构有关，说明了尽早形成封闭结构是控制围岩变形的关键技术措施，同时“眼镜工法”开挖断面划分时，尽可能把形成封闭结构的两侧导坑宽度加大，以缩小中央上部跨度，再者中央分部不宜多，以二部开挖较为有利，因开挖高度所限多于两部时，应增加横向支撑，使每部开挖后均能形成封结构。总之，能尽早形成封闭结构对控制整个断面变形是有利的。
“眼镜工法”在中央开挖时发生的最大荷载、几乎全部由隧道周边支护结构均匀地分担，说明中央隔墙支护结构可以减弱，但在整个断面形成封闭结构之前并非可有可无，一旦整个断面封闭成环，即使拆去隔墙支护结构，可以确认支护结构决不会出现大的变化
由上述结论还可以产生联想，随着控制围岩变形或地表下沉技术要求的不同，采用“眼镜工法”对开挖断面的分部亦可不同。因此，根据不同的技术要求采用“眼镜工法”时对开挖断面分部大小的研究是必要的。与此同时，对支护结构应区别对待，以节省工程费用。
6　结束语
试刀山右线隧道溶洞堆积物规模较大，顶部孤石林立，底部溶洞崩塌堆积充填，地质条件错综复杂，采用“眼镜工法”安全顺利通过，证明所采用的技术措施是恰当的。选用的“眼镜工法”及“管梁”穿越通过的施工方案是可以借鉴的经验。
处理隧道岩溶，对地质条件进行充分的分析研究尤为重要。此溶洞揭露后，由于认识上的偏差，认为只是一个普通的溶洞，采取了清方，经三次清理千余方，仍是随清随塌而被迫停工。既增加了投入，又影响工期。因此，加强超前地质预报，对地质条件进行充分的调查研究是施工过程中必须认真做好的一项重要的不容忽视的工作。
此岩溶由断层，灰岩与泥岩夹砂岩接触带等多种复杂因素构成，且上与地表“漏斗”相通，下与力寺水库关联，在国内类似工程中是罕见的，对水的处理显得更为重要，除了在结构设计上充分考虑由此产生的隧道突发性外荷力外，又要确保溶洞水流通路畅通，防止水害危及结构安全，同时，对试刀山隧道地面“漏斗”进行了认真的工程处理，确保结构物安全的要求。
另外穿越溶洞堆积物，巩固作业区“后方”，锁定危险范围的原则，对于处理任何不良地质地段及施工中的坍塌都是行之有效的通用作法