隧道穿越岩溶及煤层快速施工技术研究

快速施工技术研究

研究阶段报告

中铁XXXX有限公司

XX高速公路XX合同段项目经理部

2006年9月

1概述

岩溶是地表水、地下水与可溶性岩层作用形成的地表和地下岩溶形态景观的总称。岩溶管道是由地表水通过落水洞或漏斗等转为地下水的竖向管道和地下各种形状的输水管道及地下水流出地表的溶洞或暗河出口，以及地表溪流转为地下水的伏流口等部分组成。它是由一系列岩溶管道子系统组成的岩溶管道系统。

地下水在可溶性岩层介质中的存在形式有呈面状分布的网状流和聚集在岩溶管中的管道流，其中威胁施工安全的是管道流，这不仅是因为岩溶管道中有大流量、高水压的瞬间突水，而且，还有地下水与沉积在管道中碎屑物质混合涌出的地下泥石流。

岩溶产生主要有三个条件：第一，可溶性岩石是岩溶产生的物质基础。例如，隧道穿越石灰岩、白云岩、泥灰岩、石膏、芒硝、岩盐等地层时，受地下水作用可能出现溶蚀现象，石灰岩以溶解作用为主，白云岩则主要通过渗透一溶蚀一分解一淋滤一崩解作用发生破坏。第二，地质构造与地层结构的千差万别确定了岩溶类型的多样性。岩体结构、构造以及岩层产状、接触关系，层厚、断裂、褶皱、节理、裂隙、软弱夹层，风化程度等地质特征决定了岩溶发育程度和规模的不同。一般情况下，向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈，向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈，背斜构造的两翼比核部岩溶发育强烈；当隧道穿越可溶岩地层的节理、裂隙、断层等结构不连续面时，易遇到溶隙、溶管、溶洞、溶腔或暗河。第三，地表水和地下水补给、径流、渗透和循环是岩溶形成和发育的必要条件。山谷、洼地、岩溶盆地，竖井、漏斗、落水洞部位，地表水汇集、下渗，容易在地层中形成水平径流带、垂直渗流带和深部滞留带，从而造成地下水补给和循环，给岩溶形成创造了必要条件，当地下水中游离或侵蚀性的CO2等的含量较大时，岩溶的发育增强。例如：大瑶山隧道全长14.295 km，断层以灰岩和砂岩为主，施工过程中，平导和正洞遇到了十多处充填饱和砂粘土的溶孔、溶洞，并发生了多次岩溶水引起的涌水、突泥事故，而且地表出现了多处陷坑，给环境带来了不利影响。斑古坳竖井位于DK1994+960.48处，井深433.2 m，1982年1月6日开工，1983年2月22日开挖到底，1984年4月19日当由竖井向断层(DK1994+600~DK1995+065)方向施工的平导开挖DK1994+213时，揭穿溶洞，发生涌水，初期涌水量达到2 000 ~3 000 m3/d，涌水中泥砂含量为1～5%，造成平导和竖井被淹，延误工期一年多。并根据出口端能顺坡排水的有利条件，将“以堵为主，堵排结合”治水原则调整为“以排为主，堵排结合”。出口端在施工过程中，也发生多次涌水突泥，1988年6月11日，DK1994+850处发生涌水，其正常涌水量为15000～28000m3/d，峰值涌水量高达42000m3/d，造成正洞200余米淹没，水深达1.4 m，淤泥淤积厚度1.0 m，被迫停工清淤。其主要原因是，隧道内的地下水不仅以垂直岩溶管道形式和地面水有水力联系，而且还通过各种裂隙、管道使断层上盘与下盘发生水力联系。南岭隧道全长6.1 km，灰岩占总长的92%，是典型的岩溶隧道，1984年6月I1日，平导施工至DK1935+745.4时，在线路右侧的炮眼中突水、涌泥，喷射距离为15m，涌水量为3600 m3/d，当继续放炮掘进时，突然涌泥2500 m3，平导淹没170 m，其中靠近掌子面70m 被泥砂充满。6月14日下午，地表DK1935+0～676出现了较大的陷坑，给施工和环境都带来了较大的影响。2001年开工的渝怀线，全长624．523 km，共有隧道2O余座，其中7 km 以上隧道7座，大部分隧道穿越了碳酸盐类岩溶地层，遇到不同规模的溶管、溶洞、暗河，发生了多次突水、突泥事故，给施工带来了很大的危害，并对环境产生了一定程度的影响。所以岩溶山区隧道的施工期岩溶处理与快速通过技术是施工的控制性因素。

对于隧道穿越岩溶地段的快速施工技术的研究主要包括以下方面：（1）隧道开挖施工影响范围内岩溶位置、形态、与隧道之间相互关系、充填状况和岩溶水压力大小的准确判定研究，这些研究成果主要体现在超前地质预报方面；（2）在岩溶地质条件明确的基础上的处置技术与方法研究；（3）超前注浆加固技术研究。

图1  方斗山隧道 图2  出口施工 

2隧道穿越岩溶区的主要岩溶类型研究

从目前岩溶地区深埋长隧道施工中所遇到的岩溶管道类型及其灾害有：1）当隧道施工揭露充满地下水的岩溶管道时，地下水似高压水笼瞬间以巨大压力喷射而出；有的则是地下水夹杂着大量泥砂和石块等混合物，似山洪暴发，势不可挡的涌入坑道，更有甚者在施工掌子面放炮时，在施工人员毫无准备的情况下，管道流突然袭来，淹没施工设备，造成人员伤亡；至此只有经过放水—排水，当水压降低，流量减小，逐渐趋于稳定时，才能重开施工；有时为尽快恢复施工，不得不作止浆墙、施工横通、迂回导坑等工程措施，先绕开岩溶管道，才能继续施工。2）有时施工遇到的是大型溶腔，而腔内有常年流水。3）有的施工时是干涸的管道，当雨季连续降雨后发生突水、涌泥，淹没坑道等，施工期间反复上演，威胁施工正常进行等。4）反坡不利于排水。由于泄水洞或排水设施能力有限等原因造成涌水淹没掌子面和隧道。总之，由于长时间的突水、涌泥砂，淹没坑道，需长时间的放水—排水或季节性突水、涌泥、淹没坑道反复无常的进行等，不仅延误工期，还提高工程造价，甚至造成人员伤亡，所以，划分岩溶灾害类型应以保证施工人员安全和以灾害对施工影响程度等为划分的基本原则；从不同角度可划分四类：①按揭露岩溶管道涌—突水量大小划分；②按揭露岩溶管道中涌—突水携带的物质成分划分；③按地下水从岩溶管道中涌—突水方式；④按涌—突水灾害的后果划分。

1、按揭露岩溶管道中的涌—突水量大小

根据揭露岩溶管道中涌—突水量可划分为无水干溶洞和充水溶洞。

1）无水干溶洞。按溶洞中有否充填物划分为：填充溶洞和无填充干溶洞。

①填充溶洞。系指溶洞基本上被化学沉积物和碎屑沉积物填充满。

②无填充干溶洞。是先期或同期被遗弃的溶洞，基本上无沉积物，洞壁裸露。

2）充水溶洞

按揭露溶洞出水量大小划分为：A、B、C、D四级，见表1。该分级是按溶洞涌—突水量对施工影响程度划分的。表中所说的地下水压力是指地下水的动水压力和静水压力的总和，如向斜蓄水构造盆地，往往是多层含水层与隔水层叠置的含水结构，既有上层潜水，又有下层承压水，其中的上层潜水不仅具有动水压力，还有由潜水位至隧道埋深的静水压力。

表1    涌－突水量分级表

目前隧道工程地质、水文地质报告中的隧道涌水量计算，采用的是把地下水作为供水资源的计算方法，不是把地下水作为岩溶地区灾害来计算涌——突水量的。把基岩山区地下水作为供水资源常采用降雨入渗法、径流模数法、水文图分割法，还有枯季径流算计法等。这些方法的出现和应用，就在于基岩山区裂隙水和岩溶水的分布极不均匀性，所以才不采用广为认知的孔隙水中的单井和井群的抽水试验取得的渗透系数（K）、影响半径（R）和单井或井群开采量等数据。采用地表水和地下水径流模数法，是把地表水和地下水量平均到每个计算单元上，即把不均匀分布的地表水和地下水量平均到单元面积上；水文图分割法则削掉水量峰值，取其平均值，使资源具有更好的保证程度，甚至采用枯季径流计算法等；可是作为岩溶灾害的地下水量，其保证程度则恰恰相反，对地表水和地下水量的观测的数据中，不仅不削峰，而且还要保证峰值对应的水量，才是岩溶地区地下水灾害评价的依据。

作为岩溶地区地下水灾害中的涌——突水量，不仅有地下水的天然补给量，而且，还必须有始终保存在岩溶管道中的地下水储存量，也就是说，当隧道施工揭露位在岩溶管道底部时，它将把该处管道上游的所有地下水疏干；这时涌——突水量等于天然补给量与储存量之和。

①地下水天然补给量估算，可采用上述计算方法中的地下水径流模数法来计算隧道施工中的涌——突水灾害水量，但其中的地下径流模数（M）和计算面积（F）都需要重新定义。

Ⅰ地下水径流模数法，其表达式：

      Q补＝M．F

式中：

M——地下径流模数（升/秒.平方公里）。其中分母中面积是指观测点已知岩溶洼地或槽谷和落水洞组合构成的汇水范围内补给区的面积。

F——地下水补给区的面积，是指计算区内所有岩溶洼地或槽谷和落水洞组合的总面积；若补给区有伏流口时，则应是汇入溪流两分水岭间的面积。

Ⅱ岩溶灾害涌——突水量计算

表达式：Qz = QB+QC = QC + 

QB =  

    Qz——岩溶灾害涌—突水量（M3/h）；

    QB——地下水的天然补给量；

——岩溶洼地、漕谷和落水洞组合产流汇水面积，溪流发源地至伏流口的汇水面积（KM2）；

C1——产流系数，表示降雨在汇水范围内能产生暂时性洪水多少的系数。

    100%=1   75%=0.75   50%=0.5   25%=0.25   不产流=0

    该系数与基岩上覆松散沉积物岩性和厚度有关与植被覆盖程度、地形坡度等有关。

    Z——降雨量。用丰水期降雨量最多月份平均值计算最大灾害涌——突水量；用枯水期平均降雨量计算最小涌——突水量。灾害涌——突水量随着降雨量的变化而变化，其变化范围在最大涌——突水量和最小涌——突水量之间。

QC——岩溶管道系统中地下水储存量，用岩溶管道最终排泄口的最小出水量代替。

② 岩溶管道中地下水储存量（Q储）

储存量是隧道施工中涌——突水量的重要组成部分，在一般水文地质计算中是不涉及的。要计算岩溶管道中地下水的储存量，首先要知道隧道揭露岩溶管道系统的体积，特别是丰枯水期地下水所占据的岩溶管道的体积，目前尚无法获得。  为此，建议采用该岩溶管道出口枯水期最低水位对应的流量。最后用该岩溶管道的最终排泄口的洪峰流量与枯水期流量之和来检验。当Q补＋Q储﹥Q丰＋

Q枯就可采用。当Q补＋Q储﹤Q丰＋Q枯则需调整Q枯。所说最终排泄口是指与当前岩溶发育阶段相适应的出水口，若出水口高悬在河流最高洪水位以上，并不存在隔水层阻隔，说明出水口已失去与地表水相制约时刻，此时地下水在寻找新的排泄口。

4）岩溶管道中地下水压力模型和水压力估算

    根据地下水类型和隧道与岩溶管道的相对位置，可划分出五种水压力模型，其中潜水有四种模型，承压水有一种模型。

    ① 潜水型

    Ⅰ 季节性充水溶洞

    季节性充水溶洞的特点是：在枯水期或雨季无降雨时刻岩溶管道中无水，仅在降大雨或连续降雨时才有地下水从岩溶管道的排泄口流出。

    Ⅰ）岩溶管道位于隧道拱顶，见图1。

图3岩溶管道位于隧道拱顶

由地下水产生的水压力（P）作用于隧道拱顶。枯水期或雨季无降雨时，则P＝0；只有大雨或连续降雨时，于岩溶洼地或槽谷四周汇集降水，并形成暂时性溪流，其水量足以使从落水洞进水口至岩溶管道集中排泄口完全充满地下水时才形成压力管道，其水压力（P）包括由落水洞进水口至岩溶管道集中排泄口的静水压力（Pj）和地下水在管道中流动产生的动水压力（Pd），表达式是：

P＝Pj＋Pd

式中Pj＝γw h

Pd＝γw i

P….总水压力

Pj….静水压力

Pd….动水压力

γw….水的重度（KN/M3）

h…...水头高度（M）

i……水力坡度

    当隧道施工揭露充水岩溶管道时，地下水就连续不断的从岩溶管道中涌——突出来；雨后一段时间就会停止，这时水压力P＝0，可见其特点是阵发性的；当地下水完全充满管道，并连续不断的持续一定时间，则水压力P达到最大值。

例如宜万线上的野三关隧道出口DK129＋830里程，属季节性涌水溶洞，补给区位于毛家井洼地，其南端有落水洞，高程为1113.8M，隧道揭露溶洞高程826.5M，从落水洞至揭露溶洞的水平距离约为1000M。

Pj＝γw h＝10×（286.5－286.5/3）＝10×191.0KN/M2＝1910 KN/M2＝1.9MPa

Pd＝γw i＝10×140‰＝140KN/M2

P＝2030 KN/M2＝2.030MPa

Ⅱ）岩溶管道位于隧道底板，见图2

图4岩溶管道位于隧道底部

由地下水产生的水压力（P）作用在隧道底板上，所以是扬压力。

例如齐岳山隧道进口DK361＋597，揭露溶洞高程约1123M；补给区落水洞高程1450M，落水洞至揭露的溶洞的水平距离为700—800M。

Pj＝γw h＝10×（327－327/3）＝2180 KN/M2

Pd＝γw i＝10×140‰＝140 KN/M2

P＝2180＋140＝2320 KN/M2＝2.320MPa

Ⅱ 由多个子系统组成的充满地下水的长岩溶管道，见图3。

依据钻孔揭露含水层中的稳定地下水位至隧道设计高程，可求得该含水层的水位差（h）；由于隧道揭露岩溶管道造成水头损失，可按供水压力管道水头损失计算，可得到静水压力（Pj）；隧道位置已远离地下水补给区范围内的竖向和倾斜管道，处于水平管道段，管道坡度在100～80‰；另外由降雨引起的管道内的动水压，由于管道路径长，地下水在流动中动水压力变得越来越小，即动水压力

图5隧道与充满地下水的压力管道相交

可忽略不计，其水压力则以静水压力为主，因此用静水压力代替总压力，但必须是整个岩溶管道中没有不充满水的管道部分出现，否则静水压力（Pj）＝0。在这种情况下取得水压力的有效办法是洞内钻探。

Ⅲ 隧道位于大型岩溶管道的溶腔内，见图4，产生的水压力为侧压力。

岩溶管道内有稳定的地下水位，在雨季连续降雨，于溶腔中形成水头差，水压力呈三角形分布，作用在隧道侧壁上。可根据地下水位监测数据来确定水压力。

② 承压水型。

见于向斜蓄水构造盆地，见图5。往往由多层含水层和隔水层组成的两端翘起的向斜蓄水构造盆地，其中的承压含水层分布呈U字形，所以由地下水的补给区到集中排泄口岩溶管道也呈U形管状。在天然状态下，承压水头为h；当隧道位于U形管的转弯处，

图6隧道位于充水岩溶管道溶腔中

该点的水压力为h’，见图5。在这种情况下可出现“爆喷型溶洞”。

2、按揭露岩溶管道涌—突水中物质成分划分为：清水、混浊水和水与泥砂混合物（地下泥石流）。

图7  向斜蓄水盆地横断面U形管道

图8  向斜两端翘起蓄水盆地纵断面U形管道

1）清水。在枯水期或雨季无降雨时从揭露的溶洞口中涌—突出的地下水，水清澈透明，不含任何碎屑物质。 

2）混浊水。在雨季连续降雨时，从补给区的岩溶洼地或槽谷中汇集的具有侵蚀能力的暂时性洪水，携带大量粘粒和岩屑，通过落水洞等竖向岩溶管道加入到原有岩溶管道中地下水流或暂时性洪水通过伏流口加入到岩溶管道中地下水；隧道内平时无水干溶洞，在连续降雨后，由地下水补给区的季节性暂时性洪水携带碎屑物质汇集到岩溶管道中形成混浊的地下水。

3）泥、水混合物型（地下泥石流）。地下水中含有粘粒、砂、砾石、岩屑等碎屑物质于管道中，以动水压力或动水压力和静水压力共同作用下沿管道流动，于岩溶管道被揭露破口倾泄或喷射而出，来势凶猛，危害性极大。这种岩溶管道的补给区往往有地表溪流从伏流口加入，或补给区范围内夷平面上有第四纪松散的沉积物，或沉积岩的风化壳的存在，为岩溶管道提供了丰富的物质来源；同时发生泥石流的岩溶管道往往有多个岩溶管道子系统，流域面积大，地下水的流程长，地下水的动水压力和静水压力较大，一般在0.5～1.0MPa以上。

3、按地下水从岩溶管道中涌—突水方式划分为：瞬间突水—地下泥石流、稳定涌水和季节性涌—突水。

1）瞬时突水—地下泥石流。是指隧道施工时揭露岩溶管道后，地下水或地下泥石流瞬间以巨大压力（1—3MPa），从岩溶管道揭露破口中向隧道内猛烈射出，其水量可达每小时几千立方米，甚至逾过万立方米，与此同时淹没了部分已施工完成的坑道和施工设施；有时射出的是泥水混合物，即地下泥石流。当地下泥石流停止后，大量泥砂淤积在已完工的坑道中，有时是几千立方米，连续喷射可达上万立方米，更有甚者造成施工人员的伤亡，后果严重。

2）稳定涌水。当隧道施工中揭露的未充满水或压力较小的充满水的岩溶管道时，这时管道中地下水在动水压力或动静水压力作用下流动，水量在施工前后变化不大，但雨季除外。

3）季节性突—涌水。是指干溶洞或充水溶洞补给区汇水面积广大，且距隧道较近，在雨季连续降雨或降大雨或暴雨，岩溶管道中迅速充满水，不仅增加了动水压力，而且增加静水压力，因此沿揭露的岩溶管道口产生突水或地下泥石流；当降雨停止一定时间后，岩溶管道中急剧充填的地下水渐渐消失，使岩溶管道恢复常态。这种涌—突水岩溶管道，刚开始被揭露并不显现，只有经过雨季才显现出来，应严加防范。

岩溶灾害的评价：灾害评价是在已划分出的岩溶灾害危险地段上进行，根据岩溶灾害产生条件、发生灾害的类型如涌——突水物质成分、水量和压力大小，涌——突水方式等，最后用灾害发生酿成后果的严重程度划分为严重危险段、中等危险段和轻度危险段等，并用灾害类型中所列的指标作出综合性评价，为施工超前预报提供方向性地段。

最危险地段

在这个地段不仅岩溶管道与隧道线路平面相交，而且预计岩溶发育管道深度在隧道设计高程以上或以下50M左右，并有可能产生突水或地下泥石流，地下水的涌—突水量在1000—10000 M3/h以上，地下水在岩溶管道中的压力＞0.5MPa，突水持续时间长达数小时或十几小时。这种危险地段往往可出现在向斜蓄水构造盆地中的潜水径流区和承压水的U形管道的转弯处至排泄区的由承压区过渡到潜水之前地段，产生的后果严重。

中等危险地段

除岩溶管道平面分布和深度与隧道设计高程相交外，还主要表现在岩溶水的补给区汇水面积较小，补给通道条件较差，涌水量在1000—100M3/h，管道中地下水压力<0.5MPa；一般季节性涌—突水多属于此类。这种条件往往出现在单斜构造和沿断层发育的岩溶管道中，产生的后果不十分严重。

危险性地段

除岩溶管道分布和深度可能与隧道设计高程相交外，还主要表现在地下水的补给区汇水面积有限，即补给区的岩溶洼地、槽谷与落水洞组合不发育，岩溶管道涌水量100—10 M3/h，一般不增加排水设备，用边沟排水基本上能满足施工要求，基本上无明显后果。

3岩溶处置技术研究

在溶洞处理过程中应本着：“方案合理、结构安全、保持水环境、施工易操作、工程成本低”的原则，安全、稳妥地保证隧道通过岩溶地段。

3.1 隧道岩溶处理的原则

根据国内大量岩溶隧道施工经验和运营工程中出现的问题，并参照国外有关岩溶处理的文献资料，岩溶处理应遵循采取以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理的原则。以疏为主，就是尽量不改变岩溶水的径流和渗流路径，保持地下水的原始循环和贮存状态，从而减少地下水的流失，保证施工、结构和环境安全，达到建设绿色环保工程的目标。堵排结合，就是根据隧道内涌水量大小、所含泥砂程度，并考虑对隧道运营安全和环境的影响，将堵水和排水结合起来，决定治理方案。堵就是对于可能或已经涌出掌子面的岩溶水或充填物进行封堵改善围岩的力学性能，提高围岩的抗渗能力，保证开挖安全和隧道建成后的防渗漏等级。但堵并不是全堵，只要能阻断岩溶水向隧道渗透的主要通路即可，其加固范围一般为隧道开挖轮廓线外(O.5～1.0)D。对于规模较大的干溶洞或暗河，当封堵困难时，可采取在隧道外部修建排水或在隧道中修建涵管或桥梁进行跨越，既达到了排水目的，又保证了施工和运营安全。因地制宜，综合治理，就是根据隧道所处的工程地质和水文地质条件及周围环境条件，采取多种方法进行综合治理。例如，当大量的水被封堵在隧道开挖范围以外后，对隧道的局部渗漏水，可采取以堵为主，限量排放的措施，并通过超前管棚、径向注浆和喷锚支护等辅助手段加固隧道顶部的围岩，防止坍塌；通过换填、钻孔桩、粉喷桩、树根桩、注浆等方法加固隧道底部的松软地层，提高其强度和整体性，防止基底沉降。

3.2基本处理方法研究

岩溶水处理一般原则为：排堵结合，以堵为主，限量排放。可以采用桥梁、暗沟、涵洞(泄水洞)、渗沟等方式排水以及浆砌片石封堵、帷幕注浆堵水等方式控制地下水流失，保持水环境的平衡。对溶洞规模较小，岩壁较为稳定、不发育、无水的溶洞，可采用浆砌(干砌)片石封闭、回填，护拱防护、加强衬砌、抛石注浆、隧道底板设梁通过等方案。当溶洞规模较大时，可采取以下两种方式通过：① 设简支梁、栈桥、拱桥、边墙拱、支托等形式跨越。② 设支承墙、支承柱、拱桥、挖孔桩等形式支顶。

根据方都山隧道的研究情况，结合相关资料分析，总结岩溶处理所示如下：

溶洞与隧道按交叉形式，可初步归纳以下几种形式。

(1)地下水不发育或干涸的小型溶洞 无论其交叉方式如何，都可用浆砌片石或干砌片石回填处理，必要时采取压浆填充。

(2)隧道与溶洞上下交叉 隧底超出10 m范围的溶洞原则上不进行处理；10 m之内的溶洞，应采用物探等方式探明其具体形态、交叉范围、富水情况等，视其状况，制定处理措施，原则上将隧底溶洞爆开孔洞，进行浆砌片石砌筑填充支顶，预留出泄水通道。

      图9   底板溶洞处理                     图10  大型穿隧道溶洞处理

(3)隧道与溶洞平面交叉若溶洞出现在隧道下部，可考虑设置涵洞和泄水洞等方式排水。若溶洞出现在隧道上方无水时可采取封闭措施，有水则留出流水通道，并保证衬砌厚度和拱顶以上回填密实，不渗水。

(4)隧道与溶洞侧壁相交 经调查岩溶发育状况、岩溶水对隧道无影响时，可回填封闭处理。隧道底部用片石混凝土回填，靠边墙1 m范围用浆砌片石回填，其余回填弃碴，空隙吹砂填满，压注水泥砂浆胶结。

        图11 增设排水暗沟          图12  排水设施               图13 支撑墙加固

(5)隧道穿越垂直的溶洞 在溶洞无充填物、干燥，洞身高大，洞壁有溶蚀裂隙，但已停止发育。隧底以下部分用块石、碎石回填密实，隧底1 m范围用浆砌片石回填，拱顶以上用浆砌片石施作护拱，厚度不小于l m，以防溶洞顶部有落石掉块，对拱部混凝土起到保护和缓冲作用。

(6)隧道底部为已填充的小型溶洞 可用加设底板梁加强衬砌的方式通过。将隧道底板或仰拱设计为平板型，底板及边墙下部加布设钢筋，灌筑钢筋混凝土，使边墙和底板(或仰拱)共同形成钢筋混凝土梁，增强和改善受力性能。

(7)隧道底部为较大规模溶洞可采取以下方法

① 可采用支承墙加固。具体为：清除填充物，用浆砌片石墙支顶加固溶洞，底部水流通道处设置涵洞，以利排水，隧道边墙应设置检查孔道，以利穿越检查，并做好相应防护措施。

              图14  拱部溶洞加固                     图15   架桥通过

② 可采用支承柱加固。处理措施，根据溶洞形态的不同，采用支承柱，嵌外加固溶洞顶板，回填空隙并压浆加固溶洞基底。支承柱采用圬工支承，加强顶板承压状态，减少顶板悬空跨度，柱的间距可根据顶板的厚度、节理发育情况、溶缝形态等，考虑稳定性及受力条件设置。

③拱桥支顶加固。若溶洞内填充物松散、厚度较大，不宜采用墙、柱等支顶或回填加固不牢靠或采用注浆施工工程费用较高时，可选用钢筋混凝土拱支顶加固。

④ 挖孔桩支顶加固。对于深度较大的溶洞，可采用桩基础加固。通过人工挖孔，实现成桩，桩底面嵌入基岩内，桩顶钢筋伸入钢筋混凝土底板内，与底板联成一体，形成稳定的受力体。

(8)采用跨越式通过溶洞

如果溶洞较大，采用封堵、加固、支撑等方式处理时，费用较高；溶洞较小时又不宜回填堵塞，工作面小，不易操作；若溶洞填充松软时不易建造基础，可采用布设结构物直接跨越通过溶洞的办法处理。

①简支梁跨越 可采用隧道衬砌用拉杆拱、边墙梁结构墙身跨越溶洞，隧道底部采用简支梁跨越通过。

②栈桥跨越采用钢筋混凝土板梁作底板，承托边墙。托梁分别支承于支墩和悬臂横梁上，悬臂横梁采用锚杆锚固于基岩内，施工简便，效果良好。

③拱桥跨越可采用设置拱桥的方式，以拱桥结

构直接跨越溶洞并承托道床及墙、拱衬砌，若有岩溶水则可从桥下流过。

④边墙拱跨越将边墙拱拱脚设在边墙底部，拱顶定位在衬砌拱圈的拱脚下，通过配置钢筋加强衬砌形成边墙拱跨越溶洞跨越。

无论采取何种方式处理，都应遵循“先预报、预加固、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、快衬砌”的原则，采用微振爆破技术，掘进按微台阶、短台阶法，加强初期支护，强化排水系统，采用布设防水板、防水混凝土、膨胀性混凝土等方法，安全、稳妥通过溶洞。

3.3 大面积渗漏和局部渗漏岩溶水的处理

对于大面积渗漏水、局部滴漏水或小股状岩溶水，如水量(2m3/h≤Q<10m3/h)和水压(O.2MPa≤P径向注浆：如隧道周边存在大面积湿渍或渗漏水现象，则应采取径向注浆进行封堵。注浆加固范围一般为隧道开挖轮廓线外(O.5～1.0)D，D 为隧道直径。

图16  超前注浆                           图17 加固后开挖

钻孔及安设注浆管：(1)根据岩性、岩层走向、倾向、节理、溶隙位置初步判断来水方向，合理布置钻孔；(2)在出水部位置及其附近钻孔，钻孔机械可以采用风或小型液压钻机，钻机直径为440mm左右，单线隧道钻孔深度应为3.O～5.0 m，钻孔应呈梅花型布置，在集中出水点处，间距应控制在0.5～1.0 m，在一般渗水处间距应控制在1.O～1.5 m。在钻孔过程中，一方面应保证大部分钻孔中都能钻到内部的出水部位，另一方面，应判断孔内出水点距离隧道开挖轮廓线的距离，为以后的注浆服务。

安设注浆管并设置止浆墙：注浆管采用432mm钢管，根据钻孔出水部位，在钢管前端2.0 m～3.0 m 的范围内开花孔，花孔直径应不小于48mm，间距为1O～15cm。如注浆管安设比较困难，用钻机顶入，如果出水部位距离孔口较近，可安设2.0m左右的孔口管进行注浆。管外壁或孔壁之间的空隙用快凝水泥或树脂等锚固剂进行封堵。注浆管安设完毕后，应保证大部分水从注浆管中流出。

止浆墙采用网喷混凝土，首先对岩壁上的凹凸不平部位进行处理，然后在注浆管周围挂钢筋网，网格尺寸应为15×15cm，网格外侧应用420mm 左右的钢筋将注浆管焊成整体，然后喷射15cm 厚的C20混凝土。

注浆材料和配比：为了保证注浆材料在地层中达到设计的扩散距离，并且固结体具有较高的后期强度和耐久性，注浆材料应选用超细水泥浆、普通水泥浆、TGRM 水泥基灌浆料或其他特种注浆材料，如水量较大，水泥浆在地层中凝固困难，可在浆液中加入外加剂，缩短其凝胶时间，或者使用少量水泥一水玻璃浆液及化学浆液。浆材料配比：超细水泥为1：1～2：1，普通水泥浆为0.6：1～1．5：1，TGRM水泥基特种灌料的配比为(O.35～0.45：1)，水泥浆和水玻璃的配比一般为1：0.6～1：1，可以依靠注浆泵的压力或排量阀进行调整，化学浆液一般需根据各组分用量，进行现场配置。

机械设备和注浆参数：注浆机械可选用中低压力的双液泵、单液泵、砂浆泵和化学注浆泵。其泵压应大于2.0 MPa。在一般的灰岩地层中注浆，由于节理、裂隙宽度和延伸的方向很不规则，因此虽然地层的孔隙率很小，但局部吸浆量有时却很大，所以，注浆量也只能根据实际情况确定。为了防止破坏止浆墙和浆液从距离注浆孔较远处的围岩中冲出，注浆压力一般应控制在为0.5～ 1.5 MPa。由于注浆压力较低，止浆装置可选用机械式或水压、气囊止式浆塞。浆液扩散半径，一般情况下为0.3～1.0 m。

注浆结束标准：(1)单孔注浆结束标准，以注浆量和注浆压力作为控制标准，根据经验，注浆终压应控制在1.0 MPa左右；单孔进浆量应小于101/min；(2)检查孔控制标准，检查孔涌水量一般地段应小于0.21 m3/min，严重破碎地段应小于0.41 m3/min，涌水压力小于0.2MPa,如进行压水试验，在1.0 MPa下，进水量应小于0.021m3/min；(3)全段控制标准，我国《地下工程防水技术规范》(GB50108—2001)明确规定了隧道衬砌后所应达到的防水标准，但对于初期支护或围岩表面的允许渗潜心水量没有制订统一的控制标准，因此实际施工中往往初支表面渗漏水量过大，再加上防水结构存在局部缺陷，导致隧道二次衬砌施工完毕后，地下水纵向连通，渗漏水超标。因此，为了不影响混凝土衬砌，初期支护表面严禁有雨淋状漏水现象，任何一处的小股出水用一根直径为30 mm 的橡胶管可以完全排出，且水压应小于0.2MPa。

局部出水的注浆封堵：如岩层的溶隙、软弱夹层的局部有股状涌水现象。出水比较清澈，受大气降雨影响不大，其处理方法为直接封堵法和间接封堵法。直接封堵法，对于涌水压力P≤0.5 MPa的股状出水点，如来水方向可以确定，可采用直接封堵法进行处理，沿着出水部位和出水方向直接钻孔，孔间距应控制在0.5～1.0 m之间，钻孔深度应为开挖轮廓线外(0.5～1.0)D，如孔内的出水部位距离孔口较远，可安设和钻孔长度一样的注浆花管；如孔内的出水部位距离孔口较近可安设2.0 m左右的孔口管，每根注浆管前端应开花孔，保证水从管中排出。管口均应安装球阀，管外壁和孔壁之间的空隙用锚固剂填充，注浆管安设完毕后，应进行挂网，网格外侧应用20 mm 左右的钢筋将注浆焊成整体，然后喷混凝土2Ocm作为止浆墙。注浆材料可选用普通水泥浆、TGRM 浆，如局部出现漏浆可采用水泥一水玻璃浆液进行封堵。注浆前应作压水试验，以确定注浆压力，注浆压力应大于2～3倍涌水压力，由于注浆压力较高，注浆管和注浆泵之间应采用丝扣连接 注浆泵应选用中、低压力的注浆泵(压力大于2.0MPa)。注浆顺序应从上到下，当发生未注浆管的子串浆时，应及时关闭球阀，直到最后一根流水的注浆管堵住为止。

间接封堵法：对于涌水压力0.5 MPa溶管水的处理：溶管连通方法，为了不改变地下水的流动规律，溶管水的处理应首先选择连通方案。通过多种地质手段，探明隧道周围溶管的发育方向，对于流动路径比较明确的溶管水，如确系隧道将溶管截断，可以通过在拱顶、边墙或底部适当部位增加辅助通道将溶管连通，不改变地下水总的流动趋势。由于溶管水一般含有大量泥砂并且可能受大气降雨影响、因此这样的辅助管道一方面应有较大的过水断面，另一方面应有一定的坡度，防止泥砂淤积。采用疏导方法的优点是：第一可以避免采用各种封堵方法引起工程造价成倍增加和工期延误，第二，可以防止隧道周围水压力升高，使结构产生附加应力。

注浆封堵法：隧道在岩溶地段施工时，如超前探孔表明掌子面前方溶管比较发育情况，当探水孔出水量和水压较大时，为了防止突水、突泥，应根据溶管发育的位置和方向，采用局部预注浆截流和全断面预注浆封堵；如果任一个探水孔出水量Q>2O m3/h或水压P>1.0 MPa，应考虑采用全断面注浆封堵。如果任一个探水孔出水量1O如何任一个探水孔出水量2.03.4溶洞的处理

全断面注浆封堵方法：如果溶洞规模较大，内部填充了大量的泥砂，且含有丰富的地下水，一旦揭穿，可能发生大规律的突水、突泥，则应采用全断面预注浆加固的方法，具体做法如图3所示。注浆加固范围应为隧道开挖轮廓线以外1～2倍洞径，注浆段长应取30 m 左右，注浆孔孔径应为90 mm～108 mm，注浆终止压力应为水压力的2～3倍，浆液扩散半径为0．5"2．0 m。根据注浆压力，第一循环混凝土止浆墙厚度应为1．O～3．0 m，注浆方式可根据水压大小、成孔难易，采用袖阀管后退式注浆和安装孔口管分段前进式注浆，注浆材料可选用水泥一水玻璃双液浆和普通单液浆，注浆后应检验注浆效果，当达到开挖要求时，每循环可开挖25,--27 m，留3～5 m 作为止墙浆。如开挖后存在薄弱部位，采用长管或短管进行局部补充注浆。

置换注浆方法：璃双液浆和普通单液浆，注浆后应检验注浆效果，当达到开挖要求时，每循环可开挖25,--27 m，留3～5 m 作为止墙浆。如开挖后存在薄弱部位，采用长管或短管进行局部补充注浆。如掌子面为含水的粉细砂或致密的粘土，砂粘土，采用渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆都十分困难时，可采用置换注浆法，即在掌子面进行注浆工程中，在距离注浆孔2 m 左右，预留几个排泄孔并安设孔口管和阀门，将泥砂适量排除，用浆液充填其留下的空隙，起到加固地层的目的。该方法可以降低注浆压力，促进浆液的扩散。材料宜选用普通水泥或超细水泥浆，注浆压力不应大于1.0 MPa，注浆管上端应和仰拱相连，以提高支护结构的强度和刚度。

填充封闭：如隧道拱部、边墙或底部存在小型干溶洞或空腔，内部几乎无充填物、无水，可采用砂石料、浆砌片石、干砌片石、水泥砂浆、混凝土等粗细骨料全部充填，必要时可进行注浆加固。如空腔内有少量水流动，则填充不应完全阻断地下水的过水通道。

基底处理:如隧道底部为松散或软塑状的粘土或砂粘土沉积物，为了防止列车运行过程中结构产生固结沉降，应加强对基地的处理，隧道底部的处理可采用注浆加固、换填、桩基等方法。基底换填:如果基底溶洞充填物的厚度小于2.0 m,可以考虑采用换填方法，换填材料可以选用浆砌片石、混凝土等。基底注浆加固:如基底溶洞充填物的厚度为隧道仰拱以下2.O～10.0 m，可考虑采用注浆加固法,钻孔深度应深人基岩3.0 m 左右，孔间距为1.O～2.0 m，注浆管宜选用无缝钢管，直径为76 mm～108 mm，注浆材料宜选用普通水泥或超细水泥浆，注浆压力不应大于1.0 MPa，注浆管上端应和仰拱相连，以提高支护结构的强度和刚度。桩基处理:如基底加固厚度超过10.0 m，可考虑采用挖孔桩、钻孔桩或粉喷桩等进行加固。

地面注浆方法:如隧道埋深不太大，一般应小于100m，并且通过地表钻孔、水化学分析、连通试验、地面沉降和地下水位变化观测等手段，确定了溶管或溶洞的位置和方向，如岩溶发育情况比较简单，可通过地面局部注浆、帷幕注浆等方法阻断岩溶水下渗的通道并对地层进行加固，保证隧道开挖不受岩溶的影响。孔深大于100m的地面注浆造价较高，煤炭和矿山部门使用较多，铁路隧道施工中很少采用。地表注浆的注浆压力应随着钻孔深度而变化，一般不超过上覆土压和水压之和的0.5倍。值得注意的是，进行地面注浆时，一定要严格控制注浆压力和浆液扩散范围，一定要防止对煤层采空区、采矿巷道、附近建筑物的影响和对井、泉 农田的污染或破坏。

放水减压方法:如岩溶水是从坚硬、完整的基岩中流出，几乎不含泥砂，且水量、水压均不大，并能够确定溶洞水排放对周围环境和隧道结构安全不会造成太大的影响，可采用掌子面直接排放或平行导坑、排水洞、横洞、迂回导坑排水等方洪讲行曲水减乐 需幕桴薛的县。如果溶洞中泥、砂含量较大或与地面存在较强的水力联系，长时间排放可能影响周围环境、隧道稳定性和运营安全，因此不宜长期、大量排放。

3.5暗河的处理

涵、管跨越:如隧道底部存在小体积的溶洞空腔或暗河，且宽度和深度都较小，可在隧道底部设置暗涵、跨越。如顶部存在溶洞空腔，有水流过，则应在顶部设置暗管跨越或将水引入隧道底部跨越。

桥梁跨越:如隧道底部存在大体积的溶洞空腔，且宽度和高度都较大，可采用桥梁跨越。但施工做墩、台时，一定要探明河底的地质情况，合计选取桩的受力形式，确保基础具有足够的承载能力。

4 岩溶注浆加固技术研究

4.1注浆机理研究

注浆就是利用气压、液压或电化学的原理，把某牲能固化的浆液注入各种岩土体的裂隙、孔隙，以改善其物理力学性质，降低渗透性。通过向地层灌人各类浆液，以减少地层的渗透性，并提高地层的力学强度和抗变形或抗液化能力。所以，就其效果而言，任何一类注浆，都可归属于防渗注浆或加固注浆的范畴。加固注浆和防渗注浆虽然目的不同，所用注浆材料和工艺也有些差异，但这两种注浆法所用的浆材都具有一定的力学强度，而且注浆结果都必然会减少物体的孔隙率和提高物体的密度，所以防渗注浆和加固注浆的功能总是并存的。注浆是指一切使浆液与地层发生填充、置换、挤密等物理和化学变化的地基处理方法，包括压力灌浆、高压喷射、深层搅拌等，但习惯上仍是指压力注浆。压力灌浆的理论主要有渗入性灌浆、压商灌浆、劈裂灌浆三个加固原理组成。在渗入性灌浆中，浆液在介质中的运动，是以不破坏介质原有的结构和孔隙尺寸为前提的。浆液在压力的作用下，使裂隙中存在的气体和自由水被排挤出去，浆液充填裂隙或

图18  注浆机理示意图

孔隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。对于粒状浆材如水泥、膨润土等)，最多只能灌入粒径不小于0.1mm的细砂及以上的土层或比细砂直径更大的裂隙；对于化学浆材，最多只能灌入粉土，压密注浆是用极稠的浆液(坍落度25-50mm)以高压快速通过钻孔强行挤入弱透水性土中的灌浆方法。由于弱透水性土的孔隙是不进浆的，因此，不可能产生传统充填型的渗人性灌浆，而是在注浆点集中地形成近似球形的浆泡，通过浆泡挤压邻近的土体，使土体被压密，承载力得到提高，在浆泡的直径或体积较小时，压力主要是径向(水平向)的，随着浆泡的扩大，在地层内部出现了复杂的径向和切向应力体系。在灌浆体邻近区，出现大的破裂、剪切和塑性变形带。这一带的岩土密度由于扰动而降低。随着地基土距注浆体接合面距离的增加，岩土变形逐渐以弹性变形为主，土密度得到明显的增加。压密注浆的最大优点是它对于最软弱土层区域能起到最大的压密作用。压密注浆法一般用于比中细砂细的粉细砂中，也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土进行加固。劈裂注浆是指在较高的注浆压力作用下，将较稀的浆液通过钻孔施加于弱透水性的地基中，当浆液压力超过地层的初始应力和抗拉强度时，使土层内产生水力劈裂，浆液进入裂隙扩散到更远的区域，浆液的可灌性和扩散距离都得到增大，加固范围大大扩大。劈裂注浆初次出现的劈裂面往往是阻力最小的小主应力面；劈裂压力与岩土体中的小主应力及抗拉强度成正比，液体愈稀，注入愈慢，则劈裂压力愈小，当液体压力超过劈裂压力时，劈裂面突然产生并且迅速扩展，浆液进入裂隙，注浆压力下降。在土体劈裂后继续注大量浆液，则注浆压力会缓慢提高，小主应力所增加。一旦注浆压力提高到大于土中的中间主应力，就会在中间主应力面产生新的劈裂面。如此继续进行，在钻孔附近形成网状浆脉。形成浆脉网的另一原因是岩土体的不均匀性以及薄弱结构面的存在。浆脉网在提高土体内的法向应力之和的同时，还缩小了大小主应力之间的差值，既提高岩土体的刚度，又提高岩土体的稳定性。由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固邻近上体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面却很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔处相差不大。因此，劈裂灌浆适合于大体积土体的加固。

4.2注浆工艺研究

4.2.1试验研究

方斗山隧道出口段穿越F1、F2两条断层，断层及背斜核部构造裂隙发育，岩体破碎，相应降低围岩等级，EH－4显示煤层及背斜核部、断裂带电阻率低，尤其是F5断层，电阻率急剧降低，形成“黑洞”效应，其余地段岩体较完整。尤其注意F5断裂带，具有长远纵向补给，对应的地表塌陷、大型漏斗极为发育，表明其连通性好。该段隧道穿越二叠系吴家坪组地层以灰岩为主，含少量燧石结核、黑色炭质页岩、及杂色粘土岩的下部煤系地层，岩体较完整。该段受F5、F6两条断层影响，断层及背斜核部构造局部地段溶隙、溶槽发育，局部地段发育线状、股状溶隙水。该段对应的地表塌陷、大型漏斗极为发育。

隧道超前地质预报显示存在较大岩溶洞穴，结合该段施工进行了超前注浆处理岩溶的试验研究

  注浆设计分为全断面注浆、径向注浆和特殊点注浆。

图19  全断面注浆                               图20  径向注浆

注浆方案的确立：根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对前方出现的岩溶管道水，经过反复研究，制订了“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，封堵岩溶管道，加固破碎地带”的施工方案。根据溶洞区工程及水文地质复杂性，选用“深浅孔结合复式全断面注浆”堵水措施。

顶水注浆和小导管周边注浆：在开挖面施作2m厚混凝土止浆墙，两个探水孔的孔口管预埋入止浆墙，然后对其进行顶水注浆。由于混凝土止浆墙与开挖面周边密封施做的不够严密，导致顶水注浆时周边跑浆严重，在止浆墙周边进行小导管注浆。(1)小导管注浆管长L=3 m，采用 32 mm焊接钢管。注浆管前端加工成圆锥状并封死。花管部分长2m，在花管段上间隔30~40 mm，按梅花形布设 (4—6)个的溢浆孔。管尾部分采用两道 8 mm的圆形钢筋焊箍，其中一道用于缠上60 mm左右的麻丝后用于止浆，另一道采用丝扣和注浆管连接。(2)小导管沿隧道开挖轮廓线布置，略向外倾斜，外插角为50一100。(3)注浆材料采用水泥一水玻璃双液浆和HSC浆液，其配比为 C：S=1：1，凝胶时间为30S至3 min。超细水泥ME浆，其水灰比为(1：1)~(0.6：1)，HSC浆液水灰比为(1：1)~(0.8:1)，凝胶时间为30~60 min。(4)注浆结束标准采用定压结合定量的原则，注浆终压为2~3 MPa，单孔注浆量为0.2~0.4m3。

图21 小导管注浆布置

超前预注浆加固:全断面超前预注浆是在整个断面上布孔，通过注浆形成截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外5．0 m，注浆段长30 m，注浆设计见图22、图23。

注浆孔采用MKD－5S型钻机成孔。开始用大直径钻头钻进2 m后安设 108 mm无缝钢管作为孔口管。再改用 90 mm钻头钻至15～30 m。孔口管长度150 cm，孔口处缠60 cm的麻丝，并用HSC浆锚固。钻孔深度以达到钻人岩层2～3 m为原则，采用前进式分段钻进和注浆工艺。在岩溶管道段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带注浆是以加固地层为目的。因此在浆液配置及单孔注浆顺序上予以区别对待：用引水管将水引出后，封闭开挖面。注浆时关闭阀门，形成静水压力注浆。对破碎无水岩层，初始注浆可注入稀浆(1.5：1)～ (1：1)，因稀浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用下对冲开及沟通裂隙能够起到润滑剂的作用，一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。对于涌水量较大岩层，凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。

图22  超前预注浆孔位布置（单位：cm）

图23 超前预注浆纵断面布置

注浆材料:注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥一水玻璃双液浆(CS)。

注浆工艺:采用前进式分段注浆工艺，钻一段，注一段。分段长度根据钻孔情况确定，若出现大的涌水或泥砂(注浆量Q>10 m3／h)则按1～2 m分段；若涌水涌泥(砂)较小(Q<10 m3／h)或轻微卡钻，则钻孔注浆段长度可适当加大至3～5 m。如无涌水涌泥(砂)和卡钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行。

注浆顺序：注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则(工序孔采取跳孔，II序孔采取间隔跳孔，M序孔为余下孔位)，垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。

注浆结束标准:采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80％以上，即可结束注浆。

效果检查与补孔注浆:根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合注浆过程中P-p- f曲线分析，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查,必要时可取芯检查。

图24  注浆效果                             图25  注浆效果

4.2.1.1超前帷幕注浆

注浆堵水目标为隧道建成后平均出水量不大于1 m3／m·d。研究中对堵水方案和措施进行了精心设计，以达到隧道建成后平均出水量不大于1 m3／m·d的目标。帷幕注浆条件是掌子面总涌水量大于l0 m3／h时，进行全断面帷幕注浆；掌子面总涌水量虽小于10 m3／h，但个别探水孔出水量大于2 m3／h时，则需对这些孔眼进行局部超前预注浆。加固范围，根据水量、水压的不同。实际施工中根据具体情况调整使用。浆液扩散半径，单孔浆液扩散半径按2.5 m 考虑，因此，为保证堵水帷幕的形成，注浆终孔间距应不大于3 m。注浆压力,一般情况下，注浆过程中的注浆压力为实测水压力+1.0 MPa；注浆终压为2倍～3倍的实测水压力。止浆岩盘,如掌子面围岩较好，或处于连续的帷幕注浆过程中，一般不施作专门的混凝土止浆墙，而是通过加固岩体作为止浆岩盘。如掌子面节理发育，裂隙连通性较好，或超前探孔没有探测到水，施工中揭示出水，掌子面岩盘厚度不能满足帷幕注浆安全岩盘厚度，则施作一定厚度的混凝土止浆墙。不同水压力情况所采用的注浆材料及注浆方式。设计中采用的主要注浆材料为水泥一水玻璃双液浆,根据不同的出水情况选用合适的注浆材料及相关参数。

径向注浆,隧道开挖后，围岩较差，节理较发育，洞室周边漏水、渗水点较多，但水压力较小或无水压，采用系统的径向注浆措施对围岩予以加固并堵水，注浆材料为水泥一水玻璃双液浆。隧道开挖后，若围岩较好，节理裂隙不发育，只有局部点以股状水流出，采用径向局部注浆予以封堵，采用注浆材料为水泥一水玻璃双液浆。注浆时以出水点为中心布孔，先外圈，后内圈，层层注浆，最后对出水点集中注浆。

4.2.1.2特殊点注浆

通过对隧道局部径向注浆，固结、封堵开挖轮廓线5m范围内溶隙和溶槽，避免雨季由于贯通的溶隙和溶槽大量积水直接作用在二次衬砌的压力，从而减少直接作用在衬砌结构上的荷载，从而保证结构安全。通过径向帷幕注浆，达到减少地层透水系数，“以堵为主，限量排放”的防排水方案；

注浆方案:地层径向帷幕注浆设计根据已揭示的地层，以及物探资料，按“探灌结合”原则加强过程控制，在探测过程中进一步探明周边可能隐伏的岩溶发育情况，并根据注浆过程、注浆孔探测及注浆效果检查等决定是否对注浆段落进行调整。以确保达到注浆的目的。注浆孔方向、间距、深度及数量见图26和图27。

图26  裂隙面状出水                      图 27  裂隙股状出水

注浆前期准备工作包括以下几个方面:

注浆前辅助工程及设备准备:在准备注浆前对该段的初期支护必须完成；在设计注浆的地段用油漆准确标注注浆孔的位置。根据标注的注浆位置，按照垂直初期支护表面方向施作注浆孔，注浆的间距、深度等必须符合设计要求；

注浆试验:注浆前，首先进行注浆试验，掌握浆液填充率、注浆量、浆液配合比、凝结时间、浆液扩散半径、注浆终压等参数，以现场动态调整相关注浆参数，保证注浆质量，从而达到注浆的目的与注浆效果。

注浆实施工艺流程:注浆孔施工－安装孔口管－注浆设备检查－注浆材料准备－注浆孔检查-注浆实施。

注浆设计：径向注浆孔口管采用Φ50mm，壁厚3.5mm的热扎无缝钢管，钢管长1m，注浆孔布设按环向间距3m，纵向间距2.6m布置；注浆材料采用普通水泥单液浆，浆液配比为W:C＝0.6:1～1:1；注浆结束标准以定压为主，注浆终压为1.5～2Mpa；

注浆参数见表3所示。

表3  注浆参数表  　　　

注浆过程控制：注浆过程中，要随时注意泵压及流量变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间上不去，应查明原因，如工作面漏浆，可采取封堵措施，如跑浆可通过调换浆液种类、调整浆液配合比等措施，必要时采用间歇注浆，以达到注浆目的；对注浆过程中发现有大的空洞等，需要及时与设计单位联系另行处理；注浆过程中严格施工顺序，按照设计方案及相关规定、规范办理。

注浆结束标准：单孔结束标准：① 注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10min以上；② 注浆结束时的进浆量小于5L/min。

效果检查及局部补注浆：注浆效果评定是决策开挖施工方案的依据。

采用地质雷达结合抽样钻探检验注浆质量，达不到设计要求的进行应进行方案调整、补充设计和补孔注浆，检查孔应根据现场情况随机抽取，但必须重新成孔，不可利用即有注浆孔，检查孔抽查率按总注浆孔的5～10%抽取；

根据现场钻孔所揭示的地质状况，注浆结束后，可采用分析法即结合注浆过程中P-Q-t曲线及反算注浆后地层的浆液填充率判定注浆效果；

对检查孔进行注浆，压力应很快上升，且进浆量很小；

检查孔应无流泥，成孔好，无坍孔现象，涌水量小于0.2L/m·min；

监控量测：加强拱顶下沉、周边收敛及周边围岩检查观察，特别是破碎地段的监控量测，准备好加固措施，并作好预案；避免由于局部地段注浆堵水后导致其余地段压力上升，从而造成隐患。

质量保证措施：(1)应严格按照设计参数进行钻孔。钻孔孔位及角度偏差符合相关规范规定，若现场钻孔孔位因为客观条件不能满足设计要求，应进行移位并进行计算确定参数，必要时应进行补孔。(2)注浆材料应满足设计要求，严禁使用过期结块的水泥，必要时进行检验。(3)浆液配比应符合设计要求，配浆时最大误差为：水泥、水±5%。(4)浆液搅拌应均匀，一般水泥浆、TGRM浆搅拌时间为3～5分钟，但不得超过30分钟。未搅拌均匀或沉淀的浆液严禁使用。(5)注浆过程中，时刻注意泵压和流量的变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间不上升，应查明原因，如工作面漏浆，可采取封堵措施。如跑浆可通过调换浆液、调整浆液配比，缩短浆液凝胶时间，进行大泵量、低压力注浆，必要时采用间歇注浆，以达到控域注浆目的。(6) 注浆过程中压力突然升高，应及时查找原因，进行处理。 (7)一台泵发生故障时，应立即换上备用泵继续注浆。(8)注浆过程中，应保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断。(9)严格按照注浆设计的段落进行注浆，不得任意减少注浆长度，必要时可进行重复注浆，以确保注浆质量。(10)严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业。当未达到注浆结束标准时，应进行补孔注浆。

安全保证措施：(1)注浆期间，严格按隧道施工规范加强量测，并加强周边初支护的观察。(2)注浆管路及连接件须采用耐高压装置，当压力上升时，要防止管路连接部位爆裂伤人。(3)止浆塞要安装固结牢固，施工期间严禁人员站在其冲出方向前方，以防止止浆塞冲出伤人。(4)注意机械使用、保养、维修，注意用电安全，经常进行检查杜绝漏电，并派专人操作和维修，非机电修理人员不得随意拆卸设备。(5)钻孔过程中时刻观察地层变化，应做好防范措施，以防止突发性涌水涌泥冲出伤人。(6)台阶上施工时应设防护围栏，防止人员高空坠落。(7)需高空作业时，应搭设稳固安全的脚手架和施工平台，防止机翻人伤事故发生。(8)注浆后隧道开挖应按“三快一抢”(快挖、快支、快封闭和抢时间)的原则进行，确保隧道施工安全。

4.2.2岩溶涌水段快速通过施工技术应用

方斗山隧道地质状况极其复杂，地下水十分丰富，隧道施工时掌子面突然涌水、涌泥，针对此情况，我们进行了认真的分析并及时采取了科学合理的施工方法，顺利地通过了岩溶涌水段，确保了工程的安全。

涌水、涌泥情况：(1)涌水量较大，约8m³/h，且储存量大，径流途径较通畅。(2)涌水时伴有泥砂贝壳碎瓦片等涌出。(3)涌水、涌泥时间为17：30～上午9：20，呈间歇性。(4)隧道涌水时水压较大，峰值衰减较快，从峰值衰减到正常时段约16小时。(5)涌水水温约20℃。(6)涌水完毕后，渗出的为清水。

涌水、涌泥段处理方案：采用周边双层超前长管和掌子面超前管预注浆堵水加固为开挖创造条件，短导管注浆堵水加固，支护参数加强相结合的方法进行处理。

施工步骤：(1)封闭塌体掌子面，首先对塌体掌子面采用C20喷射混凝土全断面封闭，后15cm，加设方格状20×20cm，Ф8钢筋网，然后施做管棚。(2)施作双层管棚，采用Ф42无缝钢管，沿开挖轮廓双层布置；第一层在拱顶曲率中心两侧45°范围内间距18cm，拱顶曲率中心45°～90°范围内间距28cm，起拱线以下范围内间距38cm，导管外插角4°长 8m，导管搭界长度1.6m。第二层，在拱顶曲率中心两侧45°范围内间距25cm，拱顶曲率中心45°～90°范围内间距35cm，起拱线至轨道标高范围内间距45cm，导管外插角10°长8m，导管搭界长度1.5m。长管棚注双液浆。见图38、图39。

图38  长管棚布置正面

施作掌子面长导管：掌子面范围内，采用Ф42无缝钢管长8m，搭接长度2m，沿隧道轴向梅花型布置，间距1.5×1.5m，注单液浆，有大量股水涌出时，可据实际情况在涌水处注双液浆进行封堵。

图39  长管棚布置侧面图

图40  掌子面封堵示意图

施作环向导管：初期支护完成后施作环向导管，采用Ф42无缝钢管长4m，沿隧道径向梅花型布置间距1.0×1.0m，注双液浆。

注双液浆参数：(1)材料，新鲜425＃普通硅酸盐水泥。水玻璃：浓度35～45%，模数2.4～3.4。(2)注浆压力：按公式P=（2～4）MPa+P0 计算式中P——注浆终压(MPa)，P0——涌水压力(MPa)，注浆终压：0.5～0.7Mpa。

注浆量：按现场实际注浆量确定。

浆液配比：水泥浆：水玻璃 = 1:1 (体积比)，水泥浆的水灰比 = 0.8～1.2

注浆胶凝时间：当进浆量很大，泵压长时间不升高时，选1～2分钟；当进浆量中等，泵压稳定升高时，选3～4分钟；当进浆量较小，泵压很快升高时，选5～6分钟。

施工要点：（1）钻孔，钻孔位置要准确，施钻时风尽量贴近岩面；开空要加轻压，慢速，以保证开孔质量，换钻杆时要注意检查钻杆是否弯曲。（2）安设管棚，钢管前端要加工成尖状，在距管口2m后钻6注浆孔，间距15cm，梅花型布置，架设格栅时要与管棚焊接牢固。（3）注浆，水泥浆配好后用lmm筛过滤一遍，注浆管须先检查，确认畅通后再接入注浆系统；启动注浆泵，先注单液浆再注双液浆，先稀后稠，先大后小的顺序；注浆完毕后系统清洗干净。

开挖及支护强化方案：探测，开挖之前，在掌子面上导位置钻l～2个注浆效果检查孔，长度小于第一层管棚有效长0.5m，无水时即可进行开挖作业，有水时对掌子面进行超前预注浆处理。开挖，采用短台阶法，上导留核心土环形开挖，进尺0.5m，下导两侧错开开挖，进尺0.5m,下导错开1.0m。支护，格棚间距从原来0.8m缩小为0.5m，连接筋间距从原来设计0.8m缩小0.5m，锁拱脚锚管由原设计4根增加为8根。喷射混凝土水泥采用早强型，以增加初期支护早期强度。围岩预留收敛量从原设计的拱部15cm，边墙l0cm，扩大为拱部20cm，边墙15cm。(4)拱部支护增加临时仰拱，施作长度5m，采用16工字钢半径5.2m，间距0.5m，与拱部格栅焊接。

5 基本认识

（1）通过注浆效果检查评定，在该淤泥质溶洞地段采取的注浆钢管桩是一种有效的方法，施工取得了较好的效果。

（2）采用中铁隧道集团科研所专利产品TSS管进行注浆施工，可以有效地降低发生串浆的频率，能确保注浆加固效果，是一种值得推广的方法。

（3）对技术数据的统计和反分析，对进一步研究该溶洞地质构造会有一定的借鉴价值。

6隧道穿越煤层快速施工技术研究

隧道穿越煤层地段坚持煤层地段超前钻探和瓦斯工区实时检测的原则；制定防治煤与瓦斯突出措施的原则和方法；隧道衬砌全封闭的原则和气水分离的原则。通过超前地质钻孔探测、瓦斯测定仪检测等手段，检测地层中瓦斯等有害气体种类、赋存条件，评判其危害程度，不断优化衬砌封闭措施、排放措施、衬砌结构及建筑材料。

穿越煤层快速施工技术重点研究内容包括有害气体的实时监控体系研究，煤层软弱围岩的支护加强手段研究和小导管注浆封堵与加固技术研究等。

已结合施工进展完成现场试验工作，下一阶段将重点进行试验资料总结分析工作。

7下一步工作计划

充分分析现场试验资料，通过计算分析和理论总结，形成隧道穿越岩溶和煤层地段快速施工技术方法体系