隧道溶洞开挖过程中的预处理——以广西为例

摘要

喀斯特景观是由可溶性岩石溶解形成的地球表面和地下图案的一般术语。喀斯特景观广泛分布在中国 - 特别是在广西和广东省。喀斯特景观的主要特点通常反映在喀斯特洞穴，下沉和其他地理现象中。在喀斯特地区的隧道施工过程中，施工路线上可能出现各种形式的岩溶洞穴，它们会导致危险 - 如隧道施工期间的浪涌和塌陷。这些危险会影响隧道施工过程。因此，有必要为喀斯特洞穴进行治疗。在这项工作中，提出了对Hechi-Ba风向高速公路上的隧道的案例研究。提出了一种适用于该隧道的综合预处理方法。在优先考虑建设安全和时间表的前提下，遵循了哈贝隧道喀斯特洞穴的优化治疗方案。优化的处理方案主要包括计算隧道面的安全厚度，强化初始支撑并增加第二衬砌的厚度，增加了保留变形和灌浆。 The proposed scheme achieved favorable results in the treatment of a karst cavern in the Hebai tunnels.

1.介绍

喀斯特地貌是可溶岩石(尤其是石灰岩)溶解的结果。它们具有很大程度的不可预测性和异质性，由此可能造成各种危害[1- - - - - -6］．据了解，溶洞主要为地下水和填充物[7］．在隧道施工过程中，由于溶洞的存在，可能会发生突水、涌泥和塌方[8- - - - - -13.］．因此，重要的是在隧道施工之前制备具有不均匀岩溶洞穴处理的营地。通过这一点，在建设期间将保证安全性和减轻危险。因此，研究喀斯特地质学是必要的，并采取有效的对策，以减轻岩溶地区的岩石地区的岩锯齿[14.- - - - - -16.］．

喀斯特在中国南部广泛分布[14.］．随着中国基础设施工程的快速发展，尤其是隧道和地铁系统[17.- - - - - -19.岩溶地区在施工过程中不可避免地会遇到溶洞。根据溶洞内部填充物含量(含或不含水)可分为两种类型，根据溶洞位置(位于隧道拱顶、拱腰或底部)可分为三种类型。此外，广西省隧道洞室具有渗透性高、形状多变、塌陷等特点。

我国隧道工程正处于快速发展时期。不仅隧道施工技术有了许多创新的发展，而且岩溶地区众多的施工项目问题和自然障碍也得到了有效的解决。溶洞对隧道的影响是直接的。如江苏杨林隧道，在施工过程中发生了大量涌水和涌泥，造成了较大的沉降[20.］．以广东省岩溶地区为例，预测了505个岩溶洞室。在建造过程中，寻找解决这些洞穴的方法成为最重要的考虑。目前应用最广泛的方法有间隙填充法、梁桥法、强夯法、喷射注浆法、套筒阀管注浆法[3.，4，21］．但是，这些方法在施工中具有缺陷，不能普遍应用于隧道洞穴[14.］．因此，需要针对具体的溶洞采取具体的处理方法。

本文对某岩溶隧道进行了注浆加固研究。据了解，隧道施工路线遇到了溶洞，需要迅速进行减灾工作。本文的研究目标如下:(1)介绍广西河池—百色高速公路隧道概况，如图所示1讨论岩溶地区隧道施工过程中可能出现的地质灾害和岩溶洞室预处理技术;介绍针对隧道具体位置的岩溶洞室处理技术。本研究为今后类似工程和溶洞治理提供了可行的建议和具体的施工方法。

2.施工现场描述

河白高速公路穿越广西喀斯特地区，有4条中隧道和3条短隧道。隧道的左右车道有小的清晰距离。全线隧道采用复合衬砌结构作为柔性支护系统，包括加固钢网、喷射混凝土、工字形或格栅钢框架作为初始支护，充分发挥围岩的承载能力。二次衬砌是由成型混凝土(或模制钢筋混凝土),和一个化学成键和物理交联合作(CPS) reactive-bonded prepaved高分子膜是最初的支持和二次衬砌之间铺设一层防水,防止围岩水渗进隧道。

隧道区域位于岩溶峰丛洼地地貌区，没有较大的地形起伏，地表水和隧道体及上面稳定的地下水。拟建的隧道穿过一座陡峭的山，其入口和出口都位于山的相对两侧的坡脚附近。地势较低，但有松散坡积土。隧道设计采用露天开挖。在洞室入口处采用管棚和小管预注浆加固裂隙岩体。隧道开挖过程中，围岩裂缝的发展和局部的腐蚀现象会导致隧道的滴水或涌水。拟建隧道的物理参数如表所示1．

3.地质危害和预处理方法

3．1.地质灾害

隧道区域位于岩溶峰丛洼地地貌区，没有较大的地形起伏，地表水和隧道体及上面稳定的地下水。拟建的隧道穿过一座陡峭的山，其入口和出口都位于山的相对两侧的坡脚附近。地势较低，但有松散坡积土。隧道设计采用露天开挖。在洞室入口处采用管棚和小管预注浆加固裂隙岩体。隧道开挖过程中，围岩裂缝的发展和局部的腐蚀现象会导致隧道的滴水或涌水。拟建隧道的物理参数如表所示1．

河白高速公路隧道工程地质复杂，岩溶、断层的发育、基本形态、规模及分布难以确定。因此，在施工过程中出现了许多不可预见的地质异常。隧道开挖以来，发生了塌方、突水涌泥、地表沉降等灾害。(1）隧道崩溃．如果隧道开挖路线上存在溶洞，在开挖过程中溶洞内的填充物可能会流入隧道，造成隧道塌方。隧道塌方会给隧道施工带来更大的困难，甚至会导致后续更大规模的塌方。数据2和3.展示隧道周围的溶洞。大部分洞室分布在隧道顶部，其他洞室分布在拱侧，少数洞室分布在隧道底部。(2)涌水和涌泥．溶洞内部有各种各样的填充物，特别是水和泥浆。由于隧道施工的扰动，水和泥浆可能会通过隧道壁与溶洞之间的裂缝流入隧道。如果不采取有效的处理措施防止水和泥浆流入隧道，这些裂缝可能会在洞内形成一个大洞，导致水和泥浆涌进。（3）地表沉陷．地表沉降是岩溶洞室周围隧道开挖过程中发生的一种地质灾害。该工程可能会引起很大的扰动，从而可能导致上面的土壤塌陷到岩溶洞穴中[22］．这种塌陷也会引起较大的沉降，从而引起地表沉降。在河白隧道施工过程中，隧道周围出现地表沉降。如图所示4，观察到大约2.4米长的大型坑，观察到1.1米宽，可能导致严重伤亡，甚至威胁到周围建筑的安全性。因此，有必要采取行动以防止表面沉降。

3.1.1。建设应急计划

塌方、涌泥、突水、地表沉降等灾害在隧道施工过程中经常意外发生，对隧道施工安全产生重大影响。采用新奥法开挖隧道。新奥法必须实施“安全第一，预防第一”的政策，并制定相应的应急计划。

3.1.2。特殊地质条件下的施工方案

隧道通过无水、小跨度、无发育岩溶洞室时，一般采用混凝土、砌体或干砌体回填。隧道通过含水较低的溶洞时，不需要设置特殊的排水措施。根据溶洞与隧道交点位置的不同，采用混凝土对溶洞进行填充，保护钢拱中心。也可采用喷砂和预留注浆孔进行注浆等多种措施来充填洞室。溶洞的规模通常较大，有大量不稳定的填充物。因此，通常采用大型管棚或桩基拖梁的支撑来跨洞。由于拟建隧道断面位于岩溶发育区，隧道内存在溶洞生长。在建造过程中，隧道地震预测(TSP) [23- - - - - -25]应在巷道工作面前方15-30 m范围内进行加固，如掌面超前钻孔、地质雷达等。对围岩的监测和测量程序必须严格执行，施工垃圾必须及时清除。施工应以监测、测量围岩为指导，必要时应及时修改设计。

３．２．预处理方法

3.2.1之上。小型溶洞的处理

提出的处理方案主要针对隧道开挖面外(拱上方、基础和路面下方)2.0 m以下的溶洞和隧道侧壁发育的溶洞。原则上采用回填法对溶洞进行充填。(1）拱形腰部上方的洞穴发展。在此场景中，如图所示5，泵送C15混凝土回填溶洞，避免混凝土回填对复合衬砌造成局部过大压力。根据洞室尺寸，锚杆间距在洞室周围约为每1.2 m，每个锚杆至少深入围岩1.0 m。回填后采用喷射混凝土和钢网初始支护。(2)隧道侧壁发育洞穴。在此场景中，如图所示6、C15混凝土回填厚度不小于1.5 m。此外，还设置了Φ100高密度聚乙烯(HDPE)双壁穿孔波纹管，每隔2.0米与侧沟连接一次。在此基础上，可省去喷射混凝土和钢网初始支护。（3）在基础和路面下形成的洞穴。在此场景中，如图所示7， C15混凝土用于回填。如果有填充物，必须先挖掘。Φ100 HDPE的双壁穿孔波纹管每隔2.0 m布置并相互连通。

3.2.2。拱腰以上大型岩溶洞

该处理方案主要针对拱腰以上或隧道开挖面外发育深度大于2.0 m、宽度小于隧道开挖面宽度的岩溶洞室。(1）大型充水岩溶洞。在此场景中，如图所示8在美国，C25混凝土的泵送厚度最小为200厘米。洞窟两侧的混凝土必须嵌入岩石中至少50厘米，锚杆间距约1.2米。每个螺栓埋深不小于1.5 m。随后，最初的支撑——如混凝土和钢网——将被安置在原始结构上。该隧道扩建段有溶洞，隧道底部预埋Φ800钢管连接原有溶洞水道。(2)拱腰上方空溶洞。在此场景中，如图所示9在美国，C25混凝土的泵送厚度最小为80厘米。洞窟两侧的混凝土必须以约1.2 m的锚杆间距嵌入岩壁至少50cm。每个螺栓的深度不小于1.5 m。随后，最初的支撑——如混凝土和钢网——将被安置在原始结构上。预先预埋Φ100 HDPE的双层穿孔波纹管。

3.2.3。拱形腰部以上和底部以下的大型岩溶洞穴

该处理方案主要针对拱腰以上、隧道底部以下的溶洞。前者具有掘进深度大于2.0 m，宽度小于隧道开挖面宽度的特点，后者具有掘进深度大于5.0 m，宽度小于隧道开挖面宽度的特点。(1）隧道底部的溶洞。在此场景中，如图所示10.时，可设置钢筋混凝土板桥通过。为保证桥板端部与基础的稳定接触，基础承载力必须超过1200kpa。(2)拱腰上方填满的岩溶洞．在此场景中，如图所示11.、Φ42 × 4mm先进小管水平超前，间距30cm。开挖采用预裂爆破，距离50cm处采用I18钢。注意钢架脚的适当伸缩，保证基础牢固。根据岩溶洞室的发展情况，二次衬砌可考虑采用钢筋混凝土结构。施工时应注意预埋Φ100 HDPE双层穿孔波纹管。此外，应增加该地区的圆形排水管道。

4.隧道溶洞优化处理

通过对岩溶洞室的位置和发展进行现场调查和讨论，对岩溶洞室的优化处理提出了以下意见。

4．1.一般原则

开挖方法应改为“三层台阶隧道预留芯土法”。这种方法对于加强支撑，尽快形成封闭环是必要的。上、中、下台阶长度控制在3米以内，二级衬砌应同时安装。

4．2．优化措施

(1）改变初始支护和二次衬砌厚度，增加预留变形．由于岩溶洞室从左侧壁开始，考虑施工过程的安全性及对初始支护和围岩的扰动最小，支护方法如下:左侧采用Φ108大管棚锁脚和灌浆塞。管棚长度根据现场实际情况确定。但必须保证基岩埋深不小于2 m。右拱脚采用Φ42注浆导管锁脚密封，注浆后密封喷嘴。这样，预留变形量增加到20 cm，第二衬砌厚度增加到60 cm(见图)12.)．(2)穹窿灌浆．采用三层Φ42先进小管加固左侧solution cavity顶部和前部表土(solution cavity section弧长约7 m)。3个小导管层的长度和仰角分别为0°时4m, 15°时5m, 45°时6m(见图)13.)．任何施工技术，如钢筋网、钢拱支撑、喷射混凝土、预留泵管等，都要提前施工，待混凝土初始强度满足要求后，再进行吹砂回填。（3）溶洞型滑坡的处理．为确保塌方开挖过程中不发生二次塌方或溃泥，采用C25喷射混凝土，封闭塌方表面，厚度为20cm。随后对工作面前方溶洞及围岩进行预注浆固结。所述灌浆管呈梅花状布置，并与6 m Φ42重叠2.0 m的灌浆导管连接，所述灌浆管呈梅花状布置。注浆管数量应适当增加，溶解腔左侧位置间距0.75 m，右侧位置间距1.0 m。注浆确保塌方体的稳定性后，可单独开挖。（4）洞室测量与监测．在此段施工期间，密切观察隧道围岩和支架的任何变化。第三方监测测量单位应保证每天两次观察频率。如发现异常情况(如拱顶连续结渣、初支开裂下沉、收敛值大等)，应指示施工队停止施工，并立即撤出隧道内的工人和设备。（5）表面折叠处理．岩溶区后顺利通过,第二排的强度达到100%,地表塌陷坑回填粘土原始地面高程,和一套永久性水拦截沟原始倒塌坑防止地表水渗入隧道穿过坑裂缝。回填后，可以对原塌陷坑表面进行植被恢复。为此，Wei等人[26]建议采用喷灌式植草，地面沉降坑回填粘土，如图所示14.．(6）其他人．排水管道埋在初始支护外侧塌陷的空腔内。这些管道沿隧道壁向下移动，并与纵向排水管道相连。在围岩突变段增设沉降缝。同时，在该段第二衬砌施工中增加了其他沉降缝。

4．3．溶洞处理的锚杆计算

对于本文提到的螺栓，需要计算间距和埋深。本项目采用的经验公式如下:(1）螺栓间距计算 在哪里N为每个螺栓的间距;F为工程的安全系数，根据工程规范确定;P是推力(kN)轴承填料;P_u为螺栓的极限拉伸载荷，由试验确定。(2)螺栓长度的计算．计算锚地长度l₁根据锚杆与水泥砂浆的粘结强度来确定锚索的强度 在哪里l₁为锚固长度(m)，F₁极限抗力的安全系数是，和d_年代为螺栓的外径;τ_u螺栓与水泥砂浆之间的粘结强度是多少 在哪里l螺栓和的长度是m吗l₂为锚索外露长度(m)。

5.隧道溶洞优化处理

该隧道建在岩溶地区，隧道工作面前方会发生突水突泥灾害事故(图)15.)．在本节中,当有压力岩溶洞穴在隧道面前,基于前面的广场岩墙的应力特点隧道的脸,广场的安全厚度计算公式的岩墙在隧道面前。

5.1。计算模型

当巷道工作面前方岩壁发生突泥、突水破坏时，巷道工作面前方岩体会发生冲蚀破坏，破坏结构呈锥形平台状，如图所示16.．本节根据极限平衡原理，根据突水和突泥条件下岩壁的破坏形态，推导出巷道工作面前方方岩壁安全厚度的计算公式[27，28］．

如图所示16.，h是隧道面前的方形岩壁的厚度，D为巷道工作面直径，问是腔压力，和冲孔体的压力扩散角，在哪里 ．

5.2。整体冲压拉伸破坏模型计算

当巷道工作面岩壁达到极限平衡时，只考虑岩壁切割体破坏面上的张拉作用。通过建立破坏面上的极限平衡方程(不考虑岩壁重力作用)，可以得到岩壁的安全厚度。

岩壁截割体的侧面积为 在哪里d为压缩直径。

根据几何条件，

根据极限平衡原理，有 在哪里是拉伸强度MPa和为新奥法原理下工作面的支撑压力(0kn)。

代入公式(4)和(5) (6)时，得到的最小防突壁厚度。

5.3。整体冲压剪切失效模型计算

当巷道工作面岩壁达到极限平衡时，只考虑岩壁切割体破坏面上的剪切阻力。通过建立破坏面上的极限平衡方程(不考虑岩壁重力作用)，可以得到岩壁的安全厚度。

根据极限平衡原理，有

根据公式(1)∼(2)时，可得到隧道前方方岩壁在剪切破坏模式下的防突厚度。

5.4。整体冲切破坏模型和拉伸破坏模型计算

当巷道工作面岩壁达到极限平衡时，考虑岩壁切割体破坏面拉剪共同作用，在不考虑重力影响的情况下，通过建立破坏面上的极限平衡方程，可以得到岩壁的安全厚度。

根据极限平衡原理，有

根据公式(4)∼(5)时，可得到隧道前方方岩壁在剪切破坏模式下的防突厚度。

岩壁的安全厚度受隧道直径，溶液腔压力，拉伸强度，内部摩擦角和剪切强度的影响。岩壁的安全厚度与隧道直径线性相关;随着拉伸强度，剪切强度和内摩擦角的增加，岩壁的安全厚度降低;岩壁的安全厚度随着空腔压力和隧道直径的增加而增加，岩壁的安全厚度相对受剪切强度的影响。在计算隧道面的安全厚度之后，可以进行隧道面的周围岩石的支撑参数。

6.岩溶洞室优化处理效果分析

K103 + 133 ~ K103 + 137段隧道侧壁存在高液限粘土充填溶洞，其方向为左向右。数字17.图为2018年11月15日建立的K103 + 130段的拱顶沉降。在10多天的时间里，和解进展迅速，超过了当地政府设定的容忍值。沉降进展迅速，日变化小于5 cm，超过当地政府规定的80 cm容许值。

并对该岩溶洞室实施了优化措施。处理后的日变化值归一化，表明沉降变化和开挖风险均有所降低。

监测和测量一直持续到第二层衬砌完成。经过11 d后，拱顶沉降变化结果显示沉降趋于稳定，优化措施对K103 + 133 ~ K103 + 137段岩溶洞室产生了较好的效果。

7.结论

(1）岩溶地区隧道施工可能造成严重的地质灾害。广西省洞穴型岩溶砂土隧道施工引发了隧道塌方、突水涌泥、地面塌陷和长期失稳等地质灾害。(2)本文从洞室尺寸、形状、岩性、内部填充物等方面对河白隧道岩溶洞室进行了简要分析和调查。（3）根据溶洞的位置、大小和内部充填情况，设置不同的预处理方法。在施工过程中，可以提前做好洞室准备，以免耽误工程。（4）建立了巷道工作面前方溶洞的计算模型，并将其分为三种情况进行推导，计算了实际工作面的安全岩壁厚度。根据巷道工作面的安全厚度，对巷道工作面围岩进行一定的支护。（5）通过对岩溶洞室的现场检查和表征，制定了具体适用的方案，及时对洞室进行充填加固。优化处理在河白隧道上的应用取得了良好的效果。处理后，对现场进行监测，确定围岩是否稳定。然而，这种处理方法可能不适用于充满泥浆或土壤的溶洞。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

基金资助:国家自然科学基金项目(no . 52078211, no . 51909087);湖南省自然科学基金项目(no . 2020JJ4021, no . 2021JJ40201);湖南省交通运输厅科技进步与创新项目(no . 202009);公路养护技术国家工程实验室开放基金(长沙理工大学，kfj190107);湖南省教育厅科研项目(18K064)。

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