岩溶隧道溶洞处理详解

   

岩溶处理方案    

由于溶洞处理费用很高，对于一般的建构（筑）物不考虑对溶洞进行处理，基础可采用桩基础形式，将桩的底端进入到岩面或者穿过溶洞进入到溶洞底板作为桩的持力层；而地铁是修建在地下的结构物，当隧道底有溶洞而地基承载力不能满足要求时，则必须对其进行处理。隧道有其特殊性，考虑施工条件和经济的合理性等，难以采用钻孔桩、冲孔桩、沉管灌注桩来支撑隧道的管片，可以对溶洞进行填充处理提高地基的承载力或增加溶洞顶板的厚度来保证地铁施工和运营的安全需要。

溶洞处理的原则：

⑴ 溶洞处理采用地面上加固的方法，即溶洞处理+岩面注浆。

⑵ 溶洞处理钻孔要钻到溶洞底部，由底部向上进行溶洞加固，岩面注浆钻孔要进入岩面0.5米后开始注浆。

⑶ 溶洞处理利用加密注浆孔进行。

⑷ 重点对隧道一定影响范围内的溶（土）洞填充物进行处理。

⑸ 溶洞处理效果要通过控制参数和抽芯试验确定。

溶洞是否需要处理的判定：

溶洞不是全部进行处理，而是针对溶洞与隧道的位置关系，对隧道周边一定范围内的溶洞进行处理：

隧道结构底板下5m内（隧道底板到溶洞顶板的距离不计沙层的厚度）和结构边线外5m之内的溶洞。

为确保施工和使用安全的其他要求。

岩溶处理方法：

溶洞处理方法主要三种：岩面注浆、吹砂夹石、注浆。

因溶洞的不规则性，决定了其处理的最有效和比较经济的方法是灌浆法、回填砂及碎石等综合施工方法。

A、全填充溶洞处理

全填充溶洞处理的原理是：通过高压注浆，使填充物被压溃、劈裂、挤压、水化、置换等物理填充和化学填充，达到封堵溶缝隔断水源，并将填充物转变为具有一定强度的结石体或硬塑状土。具体加固方法见图。 

B、半填充、未填充溶洞处理

采用吹砂夹石+灌浆的方法。对于溶洞高度大于2m，且少填充的情况采用吹砂夹石回填，然后静压灌浆的方法。对于溶洞高度小于2m，且半填充或未填充时采用水泥浆直接填充，见图2。吹砂夹石施工工艺如下：

选择探到有溶洞的钻孔，放入钢套管并固定，将注砂管（采用喷射混凝土用的黑皮胶管）放至溶洞上，在注浆前灌砂。用高压风机将干砂压入，为防止洞内高压阻止灌砂，利用其它钻孔作为减压孔，待达到计算的填充体积，压力稳定时，即可停止。或采用石料充填，钻大直径钻孔，下入钢套管护壁，然后直接从孔口投入小石料充填溶洞。对于小于2m的溶洞直接灌入水泥浆进行回填。

溶洞填充物填满后采用静压化学灌浆法，与全填充溶洞处理方法相同。

大体积半填充、未填充溶洞注浆加固图

⑴ 灌浆方法及工艺

① 灌浆法的加固机理：对溶洞中的粘土、砂和碎石等，浆液是通过渗透作用板结砂和碎石的；对于溶洞中的粘土、砂等，浆液是通过劈裂、挤密作用加固土体；对于无填充物和半填充溶洞的空间，浆液是通过充填作用填满溶洞的。浆液在充填物的渗透扩散方向是往小主应力面方向，浆液固化后，小主应力面得到加固，而原次小主应力面变成小主应力面。这样反复不断的，渗透、挤密和加固溶洞，从而提高溶洞中充填物的强度。

② 灌浆采用袖阀管(PVC花管)注浆，袖阀管采用φ48mm PVC管，袖阀管下到溶洞底面，在溶洞段的管壁上钻花眼φ6@300作为出浆孔，外包橡皮箍作为单向阀。对于高度0～2m的溶洞，把送浆管直接连通花管，对溶洞内的充填物进行压力注浆；对于高度2m以上的溶洞，在袖阀管内下入双塞芯管，对溶洞内的充填物分层进行压力注浆，分层厚度为0.5～1.0m。

③ 单液浆（水泥浆）设计配比参数：

a、注浆压力0.2～1.5MPa；注浆压力从0.4 MPa逐步提高，达到注浆终压1.2MPa并继续注浆10min以上；

b、水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥；水灰比= 0.5：1～1：1；

c、注浆速度：30～70L/min；

d、注浆扩散半径设计为1.5m；

e、每个注浆孔每米的灌浆量初步按8.0立方米考虑。实际灌浆参数根据现场实验确定。对于溶洞水有流动性时，周边孔应在浆液中加入速凝剂或采用水泥-水玻璃双液浆，浓度Be＝30～40。

⑵ 灌浆设备

①采用BW-150型注浆机，设置回浆管路和溢流阀，在设计范围内可调节注浆压力，当工作压力超过设计压力时，溢流阀会自动开启，油缸停止工作，起到安全保护作用。

注浆泵主要性能要求：流量80L/min，最大压力4.5Mpa，动力7.5KW，重量516kg。

②浆液搅拌采用自制的500L快速搅拌筒，转速250r/min，制浆量为6m3/h。

③灌浆管采用φ32×2.5无缝钢管和φ32五层钢丝编织胶管，工作压力为9Mpa。

⑶ 灌浆法加固的实施要点

①注浆孔布置

区间钻孔间距2.0m×2.0m，对于有管线和建筑物的地方施作斜孔。

② 单孔注浆结束标准

要求少量多次、反复灌浆；每孔注浆都正常进行，至少复灌两次以上。

注浆终压达到设计终压，注浆量达到设计注浆量的80% ；或虽未达到设计终压，但注浆量已达到设计注浆量，即可结束本孔注浆。

溶洞处理施工机具及材料：

⑴ 钻孔

①成孔设备

选用GY-1A型钻机，不同的孔径采用不同的钻头。

钻孔护壁：

采用优质稀泥浆护壁。当砂层较厚、孔内塌孔时，用φ108mm套管护孔，待孔内注入套壳料并下入袖阀管后，才将φ108mm套管提出孔外。

钻孔深度：

溶洞处理孔至溶洞底部。

注意事项：

钻孔布置注意避开管线和既有建筑物基础。

钻机必须保证安放水平、牢固。

确保钻孔深度满足要求。

⑵ 安装袖阀管(花管)、浇注套壳料及固管止浆

①成孔后清水洗孔，立即将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合浓度要求的原浆液为止。

②依次下入按注浆段配备的袖阀管（花管）和芯管，下管时及时向管内加入清水，克服浮力，顺畅下入至孔底。

③套壳料采用粘土和水泥配制，配比为水泥：粘土：水=1:1.5:1.88，浆液比重约为1.5，粘度24-26s；实际施工时应通过多组室内及现场试验，选取最佳配比。根据工程中的要求，套壳料凝固时间和强度增长速率应控制在2-5d内可灌浆。

④袖阀管（花管）采用φ48的聚氯乙烯塑料管，在管子注浆段上每隔30cm钻一排（3-4个）孔眼，孔眼直径6mm。针对每排孔眼，在管子外面套上一段长10cm厚1-2mm紧贴的橡皮箍并加以固定。

⑤固管止浆：在袖阀管（花管）与孔壁之间的环状间隙处下入注浆管，在孔口上部2米孔段压入止浆固管料，直至孔口返浓浆为止。止浆固管料采用速凝水泥浆，水:水泥=1：1.5。可采用水玻璃或氯化钙作速凝剂。

袖阀管结构示意图

⑶ 待凝

要待孔口段止浆料凝固后才能灌浆。待凝时间控制在2～5天以内。

⑷ 开环注浆

①浆液：采用32.5普硅水泥，注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。

②开环：注浆的前期阶段，使用稀浆（或清水）加压开环。在加压过程中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示已经“开环”。开环后即按设计配比开始正式注浆。开环压力为0.35mpa。

③注浆：采用双栓塞芯管进行注浆。从孔底自下而上进行注浆，每排孔眼作为一个注浆段，段长为1m。正常注浆压力为0.4～0.8mpa。注浆压力控制在0.4～1.2MPa以内，并由下而上逐渐减小，视具体情况分别采用或作适当调整。

④注浆次序：每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象。

⑤间歇注浆：全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在6～10h之内。

⑸ 终灌标准 

①当地层中有了足够的注入浆量时。

②当注浆压力达到设计值时。

③发现被加固建筑物有上抬的趋势时，立即停止注浆。

④发生窜浆或浆液漏失严重时，立即停止注浆。

⑹ 后备注浆措施

每孔注完浆后，用φ20水管插入袖阀管内，泵入清水把袖阀管内残留水泥浆冲洗干净，以备复注。

⑺ 压力注浆时的监测

在注浆过程中，要密切监测地面及建筑物的沉降情况，如发现建筑物有上抬的趋势，立即停止注浆，严格控制注浆前后建筑物的上抬量不得超过2mm。 

⑻ 灌注材料及配比

用32.5R普通硅酸盐水泥作灌注主料，确定各种灌注材料的合理配比，在施工中使用的材料配比（重量比）如下：

浆液配合比：

水泥：水——1：1（重量比，配方由现场试验最后确定）；

水泥浆：水玻璃——1：0.1

速凝剂： 如发现孔内漏浆严重时，可掺入适量的的水玻璃作为速凝剂。

   

隧道溶洞处理设计    

1. 溶洞的类型及其对隧道施工的影响 

◆溶洞类型： 

●死、干、小型溶洞：较容易处理 

●活、湿、大型溶洞：较难处理。

溶洞岩质破碎，容易发生坍塌； 

●溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理； 

●溶洞涌泥危及施工。 

2. 隧道遇到溶洞时的工程对策 

处理溶洞的方法：“引、堵、越、绕”四种。

⑴ 引

注意：遇到暗河或溶洞有水流时，宜排不宜堵。 

◆方法：暗管、涵管或小桥等，见图。 

⑵ 堵 

◆对象：已停止发育、跨径较小，无水的溶洞。 

◆方法： 

●混凝土、浆砌或干砌片石回填封闭，见图； 

●隧顶溶洞，锚喷加固，必要时注浆加固与堵水，并加设隧道护拱及拱顶回填，见图。

渲泄水流示意图

溶洞堵填示意图

锚喷加固与护拱示意图

⑶ 越

现象1：隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞。 

 ●方法：加深该侧的边墙基础。 

◆现象2：隧道底部遇有较大溶洞并有流水。 

 ●方法：在隧底以下砌筑圬工承重墙，跨越而过，承重墙内套设涵管引排溶洞水(图6-23)。 

◆现象3：隧道过墙部位遇到较大、较深的溶洞，加深边墙基础困难。 

 ●方法：在边墙下或隧底以下筑拱跨过。

⑷ 绕

若溶洞处理耗时，可采用迂回导坑绕过溶洞，继续隧道前方的施工,同时处理溶洞。

3. 溶洞地段施工的注意事项 

⑴ 多作物探超前预报，如地质雷达。 

⑵ 穿过溶洞时，细查溶洞顶部，及时处理危石。 

⑶ 严格控制爆破药量，减少对围岩的扰动。

加深边墙基础示意图

在承重墙内套设涵管示意图

筑拱跨越溶洞示意图

   

隧道 溶洞处理对策    

●回填

●注浆钢管桩

适用条件：岩溶纵向跨度较大，向下发育深度不大于30m。

● 桩基-承台

适用条件： 岩溶纵向跨度大，向下发育深度不大于30m。

●型钢混凝土+板跨方案 

适用条件：岩溶纵向跨度不大，向下深切发育。

●托梁

适用条件：岩溶纵向跨度较大，向下发育深度不大。

●弹性地基

适用条件：岩溶发育纵向跨度大，向下发育深度大，基本无填充物。

●旋喷桩

适用条件：岩溶发育纵向跨度不大，向下发育深度不大，充填粉质粘性土。

●注浆堵水

适用条件：发育规模大的岩溶暗河

●泄排水方案

适用条件：岩溶水以静储量为主，且储量不大的岩溶管道。

●暗河堆积体加固

对策： 清除拱顶50cm以上堆积物→铺设钢筋混凝土底板→施做注浆钢管桩挡水墙及挡水坝→修筑排水渠→分区进行隧道范围内堆积体钻孔注浆 

●维持原地下水系（岩溶 下过水）

对策：搭建排水通道→回填隧道周边岩溶空腔

暗河管道(下过水)

对策：锚网喷加固岩溶大厅→采用托梁及钢筋砼底板跨越暗河管道→采用抗水压衬砌结构

施工对策：清除暗河内堆积物→采用箱涵引排暗河水→采用抗水压衬砌结构

●隐伏暗河

对策：径向不等厚帷幕注浆

   

岩溶隧道逃生    

岩溶突水的最可能位置为两种岩层的接触带，大型富水溶腔是最不安全的风险源。在隧道穿越富水构造时，当掌子面有掉块声、硬塑状涌泥、渗漏水量逐渐变大时，为突水、突泥风险标识，应及时逃生，经观察确实不存在大量突水、突泥时，方可进入工作面。

风险时刻

洞内逃生由专职安全员负责，安全员应在最为危险的掌子面。当遇到险情时，安全员应及时启动预警系统和应急照明系统，由工班长组织逃生。逃生时，必须按设定的逃生线路逃生。反坡隧道施工时，除司机外，工班内至少有两名以上人员具备有开车能力，以防止意外发生。

当隧道遇到大型岩溶进行处理时，应设计必要的逃生通道。对于有平导的隧道，应在原设计的平导与正洞横通道间增设逃生通道，应满足掌子面后退1000m内通道之间间距不大于200m，以利于现场逃生。逃生通道断面为2m（宽）×2.5m（高），逃生通道内不得放置杂物和停放机械，确保畅通。逃生通道处应标明标记，以使进洞人员明确通道设计意图。

逃生线路设计