一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工领域，特别涉及一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法。


背景技术：

2.在岩溶地区的隧道修建过程中，会出现各种各样的溶洞问题，溶洞的存在，容易导致围岩坍塌等失稳灾害，我国西南山区多为喀斯特地貌，在道路隧道修建中遇到隧道岩溶灾害问题极多，早期溶洞处治主要是采用经验法与工程类比法分析具有隐伏溶洞隧道围岩结构的稳定性 ,在岩溶隧道的实际施工存在比较大安全隐患，目前岩溶隧道的施工处治技术主要是体现在小型的岩溶洞穴施工的处治工艺技术和隧道施工方法的研究，对厅堂式溶洞隧道的研究尚存有不足。
3.在喀斯特岩溶区的岩溶灾害问题中，厅堂式溶洞处治的方法较为复杂，同时伴随着较大的安全风险，由于厅堂式溶洞体积较大，掌子面正前方的隐伏式厅堂式溶洞，在常规的地质预报措施下能够较容易被发现，在遭遇厅堂式溶洞时，隧道施工过程中受开挖振动影响，若出现厅堂式溶洞上部孤石滑落，冲击隧道支护，将造成较大的安全事故，但是，现有的厅堂式溶洞处置方法均需要多名工人进入溶洞，在溶洞危石下长时间进行施工，安全风险较大。
4.所以，在隧道施工过程中，如何降低厅堂式溶洞处理过程的安全风险，且保证对厅堂式溶洞处治的有效性，成为了亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对背景技术中存在的问题，提供了一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法，适用于隧道仰拱以上厅堂式溶洞，包括如下步骤：s1：回填反压：采用洞渣对溶洞进行回填或采用混凝土墙封闭掌子面，预留吹砂管和砼泵管；s2：吹砂反压：通过吹砂管向溶洞内吹砂，填至沙堆超过隧道设计开挖轮廓线拱顶位置；s3：建立砼护拱：通过砼泵管向沙堆上方泵送混凝土，直至拱顶位置对应混凝土厚度达到至少3m，形成砼护拱；s4：回填料开挖：待砼护拱硬化后，采用三台阶开挖法开挖砼护拱内填砂，并在砼护拱内侧喷射混凝土，达到设计开挖轮廓线；s5：施作上台阶立架支护：s6：施作缓冲层：通过吹砂管向砼护拱外侧吹砂，直至拱顶位置对应缓冲层厚度达到至少3m，注浆封堵吹砂管，切除多余长度；
s7：开挖下台阶，施作下台阶初支；s8：施作二次衬砌；s9：根据溶洞深度，循环s1-s8，每2-4m为一施工循环，完成溶洞区段的隧道施工。
7.本发明的一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法，通过采用吹砂反压、建立砼护拱、施作缓冲层结合的方式，实现在施工人员不进入溶洞的情况下完成对掌子面和厅堂式溶洞揭穿方向的处治，在开挖方向前方提前为施工人员施作形成一个大型防护罩，待防护罩成型后，再进行防护罩下方的隧道开挖作业，保证下方施工人员安全，降低了厅堂式溶洞处理过程的安全风险，实现了对厅堂式溶洞的有效处理。
8.作为本发明的优选方案，s1中，洞渣未能达到的拱顶位置，采用沙袋码砌封闭，通过沙袋稳固吹砂管和砼泵管。沙袋的码砌由人工完成，施工作业振动较小，且封闭较密实，配合小型机械运送洞渣封闭掌子面，能够实现对掌子面的快速封闭，减少孤石掉落、隧道关门的风险，减少施工人员作业时面临的安全风险。
9.作为本发明的优选方案，s1中，吹砂管入口侧至少伸入设计开挖轮廓线内，出口侧伸出设计开挖轮廓线外至少6m，砼泵管入口侧位于掌子面上，出口侧至少能够伸出s2中所述沙堆，吹砂管为至少一根，砼泵管为至少一根。吹砂管需要在掌子面后方形成超过隧道设计开挖轮廓线拱顶位置的沙堆，且需要在砼护拱成型后，在砼护拱上进一步成型缓冲层，所以吹砂管的长度需要根据实际情况进行调整。
10.作为本发明的优选方案，s1中，所述吹砂管为φ200pvc管，所述砼泵管为φ150钢管。
11.作为本发明的优选方案，s3中，利用混凝土坍落度，硬化一层，浇筑一层，每层厚度15-25cm，直至拱顶上方砼护拱厚度达到至少3m。使得能够在沙堆上方形成拱形结构的砼护拱，且确保砼护拱拱脚位置能够在混凝土坍落过程中与岩石基础连接紧密，对砼护拱两侧底面基础岩体裂缝进行充分填充，使最终成型的砼护拱强度较高，能够满足隧道施工过程和使用过程中的稳定防护作用。
12.作为本发明的优选方案，s3中，所述砼护拱沿隧道纵向2-4m。使得每一砼护拱对应的隧道开挖距离较短，使隧道推进过程中短进尺，确保隧道施工过程的安全性。
13.作为本发明的优选方案，s3和s4之间间隔至少7天。使砼护拱充分硬化，达到足够的强度。
14.作为本发明的优选方案，还包括在掌子面封闭前，建立洞内模板的步骤，包括在厅堂式溶洞内对应砼护拱拱脚的位置搭设立板，在立板后方堆砌沙袋，成型洞内模板，所述洞内模板用于限定砼护拱成型时混凝土的流动区域。在厅堂式溶洞内地质环境无法满足砼拱脚位置固定时，在确保洞内地质环境温度的情况下，由施工人员快速进入洞内堆砌沙袋，设置立板，使成型的砼护拱拱脚位置预先限定，能够更容易的通过经验判断砼护拱的宽度和高度，确保砼护拱的施工质量，在无法确定厅堂式溶洞内岩体稳定的情况下，取消该步骤，避免施工人员进入洞内遭遇风险。
15.作为本发明的优选方案，还包括超前地质预报的步骤，包括：通过地震反射波法地质预报系统或地质雷达法，沿隧道中线进行至少两个测线的水平探测，推断掌子面前方地质情况，所述超前地质预报的步骤设置在溶洞揭露之前。
16.作为本发明的优选方案，还包括钻探核实的步骤，包括：采取超前水平钻探法或加
深炮孔法对前方异常段进行钻探核实，包括对开挖方向正前方和/或与开挖方向存在夹角的隧道前方进行围岩探测，与开挖方向存在夹角的隧道前方至少包括两个斜向下的探测角度，所述钻探核实的步骤设置在进一步开挖之前。
17.作为本发明的优选方案，还包括监控量测的步骤，包括：定时监测溶洞段的拱顶下层时态、拱顶下层速率、水平收敛时态和水平收敛速率，分析溶洞段断面围岩变化情况，判断溶洞处治措施有效程度。
18.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1、通过封闭的掌子面为施工人员提供初步防护，再通过吹砂反压的步骤在厅堂式溶洞内形成沙堆，实现在施工人员无需进入溶洞的情况下，为砼护拱的设置提供支撑基础，且通过沙堆对掌子面后方进行封闭，提高对施工人员的防护效果，进一步避免孤石掉落造成的安全事故；2、通过在沙堆上建立砼护拱，在砼护拱硬化后开挖砼护拱内填砂，使砼护拱和砂组合作为施工区域的防护罩，保证下方施工人员安全，同时为隧道的建立提供开挖基础，实现了对厅堂式溶洞的有效处理；3、通过在砼护拱上方设置缓冲层，进一步为隧道施工过程和使用过程提供一道安全屏障，避免隧道施工过程和使用过程中，厅堂式溶洞中孤石掉落造成的安全事故。
附图说明
19.图1是本发明的一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法的流程示意图；图2是实施例1中某隧道与溶洞的位置关系图；图3是实施例1中某隧道处置结束后的断面结构图；图4是实施例2中超前地质预报的探测线方向示意图；图5是实施例2中钻探核实的钻孔方向示意图。
20.图中标号1-厅堂式溶洞，2-隧道设计开挖轮廓线，3-吹砂管，4-砼泵管，5-沙堆，6-砼护拱，7-缓冲层。
具体实施方式
21.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.实施例1本实施例的一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法，以我国西南山区典型喀斯特岩溶地貌下，某隧道遭遇的厅堂式溶洞为例，隧道掘进过程中，根据超前地质预报和钻探核实，已发现隧道前进方向左侧有一溶洞，但一开始仅在掘进方向左侧拱腰部位，因掘进过程中扰动了溶洞壁上的孤石，导致孤石掉落，将整个厅堂式溶洞揭示出来，如图2所示，隧道拱腰至拱顶位置揭示一厅堂式溶洞，部分位置侵入隧道断面，溶洞顺路线方向长度约20m，宽度约38m，从上台阶至溶洞顶处高达40m，溶洞局部存有钟乳石，节理裂隙发育，该掌子面溶洞
右侧与设计标识溶洞相连接，溶洞上部距离拱顶一定范围内，岩体存在较多较大孤石，随时有掉落的可能，且上覆岩层呈水平状分布，对隧道支护十分不利，存在较大的安全风险。
24.施工过程中，在处理溶洞前，先判断溶洞壁是否稳固，是否会有危石掉落，在确保溶洞壁稳固后，组织施工，采用如图1的流程示意图进行溶洞处理，包括依次进行的：s1：回填反压：采用洞渣对溶洞进行回填或采用混凝土墙封闭掌子面，预留吹砂管和砼泵管。
25.具体的，本实施例的s1中，优选通过小型机械装载配合人工，利用洞渣对溶洞进行快速回填，封闭掌子面，洞渣未能达到的拱顶位置、拱腰位置，采用沙袋码砌封闭，通过沙袋稳固吹砂管和砼泵管，实现在沙袋上方预留的吹砂管和砼泵管，通过沙袋成型拱形基础边缘，为沙堆的成型提供支撑基础。
26.具体的，本实施例的s1中，吹砂管和砼泵管的长度根据隧道设计开挖轮廓线尺寸进行加长设置，砼泵管至少能够在沙堆以上拱顶位置形成不少于3m层厚的砼护拱，吹砂管至少能够在掌子面后方形成超过隧道设计开挖轮廓线拱顶的沙堆，并能够在砼护拱上方形成不少于3m层厚的缓冲层，即，吹砂管出口侧伸出设计开挖轮廓线外至少6m。
27.具体的，本实施例的s1中，吹砂管为φ200pvc管，砼泵管为φ150钢管，吹砂管和砼泵管均设置在拱顶位置。
28.优选的，如图2所示，可以根据溶洞大小及隧道设计开挖轮廓线尺寸，在隧道断面上横向设置多根吹砂管，多根吹砂管相对隧道设计开挖轮廓线呈扇形分布，以确保在溶洞内形成顶面呈拱形结构的沙堆，使溶洞内空腔能够通过回填反压的洞渣和砂完全覆盖，优选将多根砼泵管穿过掌子面后伸入掌子面后侧，至少一根吹砂管和至少一根砼泵管设置在拱顶对应位置。
29.s2：吹砂反压：通过吹砂管向溶洞内吹砂，填至沙堆超过隧道设计开挖轮廓线拱顶位置。
30.具体的，沙堆形成的拱形结构顶面弧超过隧道设计开挖轮廓线0-1m，以有利于隧道后期开挖，沙堆腰线及拱脚位置不容易达到隧道设计开挖轮廓线的位置，可根据实际情况预先码砌沙袋。
31.具体的，为了确保后期成型砼护拱的宽度，在本实施例的s2中，优选根据吹砂量预估沙堆沿隧道纵向的宽度，以确保在沙堆上形成的砼护拱的宽度，使砼护拱沿隧道纵向宽度2-4m，优选为3m，作为隧道下一步开挖的防护罩，为施工人员提供安全保障。
32.s3：建立砼护拱：通过砼泵管向沙堆上方泵送混凝土，直至拱顶位置对应混凝土厚度达到至少3m，形成砼护拱。
33.具体的，本实施例中砼护拱为c25砼护拱。
34.具体的，本实施例的s3中，利用混凝土坍落度，硬化一层，浇筑一层，每层厚度15-25cm，直至拱顶上方砼护拱厚度达到至少3m。
35.优选的，根据注浆时间或经验判断，实现在大约硬化20cm层厚的混凝土砼护拱后，继续浇筑下一层，循环进行，确保砼护拱在拱顶上方的厚度。
36.s4：回填料开挖：砼护拱的混凝土浇筑完成7天后，采用三台阶开挖法开挖砼护拱内填砂，并在砼护拱内侧喷射c25混凝土，达到设计开挖轮廓线。
37.s5：施作上台阶立架支护。
38.具体的，如图3所示，在下台阶围岩开挖之前，采用i22b钢架，纵距50cm，固定于喷射于开挖面上厚度26cm的喷射砼层上，断面两侧分别设置2根φ42*4，长400cm的锁脚锚管。
39.s6：施作缓冲层：通过吹砂管向砼护拱外侧吹砂，直至拱顶位置对应缓冲层厚度达到至少3m，形成缓冲层，注浆封堵吹砂管，切除多余长度；s7：开挖下台阶，施作下台阶初支；s8：施作二次衬砌；s9：根据溶洞深度，循环s1-s8，每2-4m为一施工循环，完成溶洞区段的隧道施工。
40.具体的，本实施例的隧道每3m（根据砼护拱宽度进行实际调整）为一施工开挖进度的循环，每一施工开挖进度的循环形成如图3所示的隧道断面结构，通过多台阶开挖掘进，控制台阶的高度，控制进尺，一循环控制在1~2榀，快速立架支护，处治好溶洞初支段落后，及时施作缓冲层，确保在厅堂式溶洞区域隧道施工的安全性，实现溶洞段隧道的顺利建设。
41.具体的，在溶洞处理过程中，通过对溶洞区域进行监控量测步骤，定时监测溶洞段的拱顶下层时态、拱顶下层速率、水平收敛时态和水平收敛速率，分析溶洞段断面围岩变化情况，获知，该溶洞段经上述处治施工方法后，在溶洞段的拱顶下沉、水平收敛均在1mm/d以下，围岩趋于稳定，完成全部外业施工后，二衬施工质量良好，无变形、裂缝、渗水等情况，表明上述处理施工方法行之有效。
42.具体的，所述监控量测的步骤设置在溶洞处理施工过程中和过程后，在检测出隧道开挖轮廓线上方存在一个较大的溶洞后，在处理施工过程中，通过增加溶洞段的监控量测的检测频率，判断该段围岩是否已趋于稳定，若有危石掉落，冲击力施加于缓冲层上，传递至护拱、初支，通过监控量测，可以提前预警，使施工人员能够根据预警加强该段支护，或暂停洞内施工，避免出现巨石掉落，隧道关门的情况。
43.实施例2本实施例的一种隧道厅堂式溶洞处理施工方法，在实施例1的基础上，还包括在厅堂式溶洞揭露前进行超前地质预报的步骤和钻探核实的步骤，以提前探明隧道周边围岩情况，以进一步优化衬砌设计，降低隧道施工的安全风险，同时合理进行施工组织，实现厅堂式溶洞的预防，降低岩溶区对施工的影响，进一步提高施工的安全性。
44.具体的，本实施例中，超前地质预报的步骤，通过地震反射波法地质预报系统，对隧道掘进方向前方进行水平探测，测线至少包括沿隧道中线的测线、与隧道中线平行的至少两条测线，如图4所示，本实施例中采用箭头方向的三条测线，且三条测线均沿隧道掘进方向设置。
45.具体的，本实施例中，钻探核实的步骤，为通过c6xp-2液压履带式多功能钻机进行钻探核实，钻孔方向至少包括掘进方向正前方，还包括与掘进方向存在夹角的仰拱底部溶洞探测，如图5所示，本实施例在与掘进方向存在夹角的方向进行至少两个角度的钻孔，钻孔方向如箭头方向所示，相邻钻孔在上一钻孔的基础上，向下偏转15
°
，向右或向左偏转5
°
，依次类推，进行多个方向的钻探核实。
46.本实施例中，根据超前地质预报的步骤和钻探核实的步骤，在初期支护施工完毕至二次衬砌施工前，加强对溶洞多发段进行拱顶、拱腰位置隐伏岩溶的探测，可提前预知已经施作完的初支背后是否有大型溶洞，可以提前谋划进行溶洞处理，进一步的确保隧道施工的安全性，保障施工人员的人身安全。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。