山區高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技術

薛 成，高亞軍

(中交二公局華盟公司，陜西 西安 710065)

0 引言

山區高速公路隧道施工中會面臨很多的復雜地質構造和不良地質病害，特別是在隧道開挖施工中出現特大溶洞時，由于受到地質、地貌等復雜情況和處理空間有限等因素的干擾，處理技術難度會更大，會對工程質量、進度、安全等產生不利影響。目前，國內關于山區高速公路特大溶洞處理技術的相關文獻比較少，而關于一般溶洞處理技術的文獻較多。文獻［1］對百色至靖西高速公路隴內隧道特大溶洞處理技術和方法進行了介紹，但手段相對簡單;文獻［2］對于特殊不良地質狀況下的溶洞處理技術進行了介紹，對3種溶洞處理的方案進行了對比分析，評價了溶洞整體的穩定性，其中采用的“樁基托架跨越”與本文隧道基底下部處理有類似之處;文獻［3］主要分析了宜萬鐵路巖溶隧道災害及防治對策。本文主要針對山區高速公路，當隧道跨越特大溶洞時，在復雜地質環境下采取的不同技術處理措施。

1 工程概況

清連高速B4標白須公1#隧道位于清遠市陽山縣南部“粵北山字型”構造，設計里程K2178+015～+425，長410 m。開挖到K2178+074時，在隧道上半斷面發現特大型溶洞。經實地踏勘，該溶洞洞內表面溶蝕發育，隨處可見鐘乳石、石筍、石柱，表面有裂隙水，并伴有流水，溶洞最寬處近百米，距地表最小垂直深度約50余米，最深的側洞達數百米，實測隧道穿越區域溶洞空腔最高110 m、寬約70 m、長約101 m;沿洞壁向溶洞左側行走至600 m可外延溶洞出口，洞底有水流。在溶洞內樁號K2178+136.5隧道中心線右側，有一橫向溶洞，最高處約15 m，最寬處約25 m，深度約15 m;溶洞前38m(K2178+074～+112)需在溶洞中部右側擴挖12.4 m隧道，后28 m(K2178+112～+140)段隧道要橫穿溶洞。

2 溶洞施工處理技術難點

該溶洞地質結構屬于溶蝕侵蝕高丘微山地區，其地貌單元有斜坡、溶溝、石芽、峰林等地形，隧址區進出口端及山坡表層分布有第四系全新統坡殘積物，以紅黏土為主，夾有灰巖碎石。其他地段大部分基巖裸露，巖性為石炭系下統灰巖，按風化程度和巖溶發育程度劃分為巖溶強發育灰巖(巖體基本質量為V級)、巖溶弱發育灰巖(巖體基本質量為III級至IV級)。該隧道處于復雜構造帶上，其構造屬華南褶皺系南嶺緯向，褶皺斷裂發育，出露地層巖性主要為石炭系、二疊系、白云巖等碳酸鹽巖，分布范圍廣，沉積厚度大，區內氣候濕熱，雨水充沛，在地表、地下水強烈的淋濾、溶蝕作用下，形成了落水洞及巖溶洼地的巖溶地貌，間有漏斗(見圖1)，溶洞兼有風化層和軟弱層。若采取對樁基處理、溶洞設置簡易橋、一側溶洞巖體支撐擋墻處理等措施，以及合理有效地增設排水系統，都會產生很多技術難題。由于方案無法確定，隧道停工半年多，且隧道另一洞口處于懸崖處，造成無法開展另一側的隧道施工，故采取有效合理的施工技術方案是必不可少的。

圖1 白須公溶洞概貌Fig.1 General picture of Baixugong karst cave

3 溶洞處理總體設計思路

本隧道采取增設導洞，由導洞進入主洞先避開溶洞掘進，然后對溶洞進行技術處理，結合以往對溶洞處理的方式，經過反復勘測分析論證，會同專家研究，確定出溶洞處理的總體設計思路。

1)對溶洞靠隧道的側壁及頂部圍巖采用清理和噴錨加固處理。

2)在底部采用樁基處理，并在基礎上構建承臺及支撐墻，溶洞底與隧道結合處采用橫向聯系梁連接。

3)采用超前管棚、鋼拱架、錨噴、仰拱等綜合支護措施進行處理。

4)對巖溶水按照“宜疏不宜堵”處理原則，在承臺下邊設排水溝，增設管涵，將巖溶水引入溶洞底的天然溝谷。

4 溶洞處理具體方案

4.1 小溶洞和裂隙處理方案

在隧道穿越的主溶洞側旁分布有許多小溶洞和裂隙，對巖層發育穩定、跨度較小且無水的溶洞，根據其與隧道相交的位置采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封堵。拱部以上空溶洞，可視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護加固或加設護拱及拱頂回填的辦法處理;破碎程度較嚴重的，采用注漿固結或長大管棚支護。

4.2 特大溶洞處理方案

根據溶洞所處的實際情況，對于特大溶洞其空間大、側向延伸深度廣，有層間水和山體裂隙滲水，地質軟弱帶結構特別復雜，具體處理方案如下:

1)對溶洞下部采取樁基礎進行處理，其上設置整體承臺，加設支撐墻并嵌入溶洞頂部，以承擔上部巖體荷載［4］。

2)隧道穿越特大溶洞與支洞聯結處，支洞一側采用邊墻鋼筋混凝土基礎加固處理，主洞一側按方案1)處理。

3)溶洞段隧道底部處設置橫系梁代替仰拱，實現隧道環向受力。

4)采取疏導措施處理巖溶水、裂隙水，在承臺內設排水系統引排巖溶水;在其下邊設排水溝，增設涵洞，將裂隙水引入溶洞底的天然溝谷。

5)對于隧道上方的溶洞含有充填物、不穩定層的部位，將充填物及不穩定層清除，采取增設錨桿、襯砌加固等措施予以處理。

6)對于局部較為復雜的結構，可根據實際情況進行重新設計論證和結構驗算。

5 溶洞處理技術

5.1 基底處理

經補充勘察，從溶洞原始地表起算，軟塑性至可塑性黏土夾溶洞小型塌方塊石的充填物，厚度達20余米，地基承載力不能滿足原設計的片石混凝土基礎要求。經研究，確定采用樁基礎承臺支撐墻結構。溶洞底部處理方式為:隧道左側采用雙排(每排9根)樁徑1.6 m樁基;中部及右側采用單排(每排4根)樁徑2 m樁基，樁底嵌入堅硬持力層不少于3 m。為避免擾動和破壞巖層，還考慮空間溶洞的特殊性，機械施工難度大，全部采用人工挖孔進行處理。

5.2 溶洞頂部及側壁處理

在實際施工過程中，溶洞洞壁圍巖基本為Ⅲ級圍巖，勘測分析確定為穩定巖體，采取噴錨技術加以處理。經對初期施工方案分析評審，取消超前管棚，變更為采用超前錨桿結構，并取消仰拱［5］。

1)施工前清理掉洞內危石，對碎落帶進行清理，防止塌落或垮塌，再進行錨支護。

2)溶洞拱部及側壁圍巖的支護采用φ22 mm藥卷錨桿(拱部錨桿長2 m或6 m;側壁錨桿長2.5 m或4 m)，呈梅花形布置，間距150 cm×150 cm，掛φ6 mm鋼筋網，間距15 cm×15 cm，并噴射15 cm厚C25早強混凝土。

5.3 溶洞入口段隧道洞身處理

在K2178+074～+083段原施工過程中，按照Ⅲ級圍巖已開挖并噴錨支護完畢，但需擴大開挖斷面，其施工難度較大，且會對巖層造成再次擾動。考慮圍巖穩定性好，為加強溶洞入口段隧道的支護結構，根據開挖斷面形狀，對已開挖段落突出部位進行局部鑿除后，在滿足二次襯砌35 cm的情況下進行加強錨噴。采用5 m φ22 mm藥卷錨桿，間距140 cm×120 cm，環向11根，與原有錨桿交錯布置，并盡快噴射混凝土及掛φ6 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm，以保證隧道進入溶洞處洞身能達到穩定和承壓的目的。

5.4 溶洞內承臺及支撐墻等混凝土結構施工

針對該溶洞洞徑巨大、洞內主要為無充填溶洞，采用承臺及鋼筋混凝土支撐墻進行加固(見圖2)。承臺分為3段，厚2 m。第1段承臺起訖樁號為K2178+083.7～+097.5，位于隧道左側;第2段承臺起訖樁號為 K2178+097.5 ～ +112.5，位于隧道左側;第3 段承臺起訖樁號為 K2178+112.5～ +136.5，橫穿隧道。隧道左側承臺寬6.7 m，右側承臺寬2.23 m，隧道左側支撐墻底部寬5.7 m，外側坡比為1∶0.2，內側緊貼巖壁;右側支撐墻底部寬1.93 m，外側坡比為1∶0.1，內側緊貼巖壁。在各段承臺之間設置了1 cm的變形縫，用泡沫板隔開。為加強承臺支撐墻與隧道及溶洞洞壁的緊密結合，在承臺及支撐墻靠隧道一側設置藥卷錨桿。承臺側錨桿伸入圍巖5 m，間距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，并在承臺側加設通長橫向聯系梁，聯系梁鋼筋與隧道二次襯砌鋼筋連接。支撐墻側錨桿長3.5 m，伸入圍巖2.5 m;支撐墻頂部錨桿長4 m，伸入圍巖3 m。支撐墻頂部約1 m范圍內采用C25早強噴射混凝土充填，并在混凝土內設置3 m長φ50 mm(壁厚4 mm)注漿小導管，小導管間距為1.5 m。

圖2 隧道承臺及樁基平面布置圖Fig.2 Layout of caps and pile foundations in tunnel

5.5 支撐墻外反壓回填處理

考慮到K2178+140處隧道開挖會對溶洞洞壁擾動引起塌方，在隧道右側緊貼溶洞洞壁構建一道巖壁擋土墻。C25水泥混凝土墻身長10 m，厚2 m，高度至溶洞頂部，并嵌入巖體。為防止隧道貫通后支撐墻將承受來自溶洞頂圍巖的巨大壓力，在左側支撐墻外側采用了反壓回填，回填高度為9 m，以確保支撐墻受力均衡。

6 溶洞施工質量監測

監測目的以隧道施工期檢測為重點，以圍巖變形、錨索支護應力檢測為主，監控的項目包括爆破震動監測、隧道拱頂沉降、錨桿軸力量測、圍巖壓力量測、溶洞頂板變形檢測，重點對支撐墻變形加以監控。由于溶洞結構沿主洞長度方向上要遠遠大于其他2個空間方向上的幾何尺寸，且結構上所承受的荷載沿長度方向均勻分布平行于橫截面，符合彈性力學平面應變理論，將隧道假定為近似平面應變問題來解決［6］。采取數值監控評價體系，分析確定出處治結構與隧道及溶洞的安全性和可靠性。

6.1 監控驗算方法

監測的應力所采用的數值分析方法為有限單元數值法，分析程序為ANSYS有限元通用計算機軟件，利用施加虛擬支撐力逐步釋放法對隧道控制過程模擬為連續施工，使數據分析過程更為簡單，也更符合施工實際，不需要應力和位移的疊加。巖土三軸試驗結果表明，白須公1號隧道受力特征相當于中等圍壓狀況，按力學結構理論假定其為理想的彈塑材料，在此條件下巖土結構體接近理想彈塑性，故將監測體作為理想的彈塑性介質加以研究。巖土體的應力應變曲線如圖3所示。

圖3 巖土體的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of rock mass

由圖3可知，巖體的強度比土體的強度大得多。巖體的應力應變曲線—般為Ⅰ線，其中Ⅰa段稍微向上彎曲，Ⅰb段接近于直線，Ⅰc段呈現向下的彎曲。因應力應變曲線的幾段較為接近線彈性關系(約占Ⅰ線范圍的2/3)，故對大多數巖體，當應力水平較低時可近似按線彈性本構關系進行分析;土體的應力應變為呈現向下彎曲曲線Ⅱ，僅當應力水平很低時才接近直線;Ⅲ為巖土材料塑性變形發展后的主要應變形態;Ⅳ為巖石呈現脆性形態［7］。在監控過程中，將隧道巖體作為理想的線彈性結構體，實施數據監測分析。

6.2 應力分析

通過對K2178+010斷面初期支護應力監測值分析可知:1)初期支護主應力終值為2.7 MPa，最大值為4.2 MPa(小于初期支護抗拉強度值4.4 MPa，考慮鋼拱架作用)。最大值出現在初期支護上下臺階分界處，是由施工過程中應力集中所致。2)初期支護最大主應力最大值為10.0 MPa(小于噴射混凝土彎曲抗壓設計強度值13.5 MPa)，出現在內側拱腳處，也是由應力集中所致。K2178+010斷面初期支護主應力隨施工變化見圖4和圖5。K2178+010斷面數值分析共分11個荷載步，分別對應的施工步為:荷載步7—上臺階支護;荷載步8—下臺階開挖;荷載步9—下臺階支護;荷載步10—施作橫向聯系梁;荷載步11—施作二次襯砌。

在應力集中處其所產生的最大應力值小于設計要求，符合檢測指標，表明支護整體穩定可靠。

6.3 圍巖位移分析

1)通過對K2178+010斷面豎向沉降監測值分析可知:①圍巖最大沉降出現在施工結束后，最大沉降量出現在隧道拱頂附近，為5.3 mm;②仰拱和聯系梁相接處上拱最大值為0.46 mm;③圍巖穩定，滿足沉降要求。圍巖斷面豎向最大沉降量的變化情況見圖6。

2)通過數值檢測分析，可以看出圍巖最大沉降出現在上部圍巖開挖時。對K2178+125斷面進行檢測可知:①最大豎向沉降量為1.93 mm，最終豎向沉降量為1.90 mm;②拱頂及溶洞底側沉降量相對較小，符合技術要求。圍巖最大沉降量隨施工工序變化見圖7。K2178+125斷面數值分析共分8個荷載步，分別對應的施工步為:荷載步1—圍巖初始地應力;荷載步2—施作橋墩;荷載步3—施作承臺;荷載步4—施作擋墻;荷載步5—反壓回填;荷載步6—隧道開挖;荷載步7—隧道支護;荷載步8—施作二次襯砌。

6.4 橋墩軸力及位移分析

1)通過對K2178+125斷面橋墩壓應力監測值分析可知，橋墩軸向壓應力隨施工過程增大，最大壓應力值出現在施工結束時，為1.7 MPa，地點在橋墩露出地面處，監測值在允許范圍內。壓應力最大值隨施工變化圖見圖8。

2)通過對K2178+125斷面橋墩豎向位移監測值分析可知，施工前4個步驟橋墩豎向位移隨施工過程逐漸增大，后面步驟豎向位移變化不大，最大沉降出現在外側橋墩與承臺相接處，沉降量為2.34 mm，最終沉降量為2.3 mm，沉降量符合要求。橋墩豎向位移分布見圖9。

圖9 K2178+125斷面橋墩最大豎向位移變化圖Fig.9 Variation of maximum vertical displacement of piers of tunnel cross-section at K2178+125

6.5 錨桿軸力分析

通過對K2178+125斷面監測值分析可知，錨桿拉應力隨施工過程增大，最大拉應力出現在施工結束時，其值為2.0 MPa，錨桿拉應力隨施工步變化呈斜向上的直線型式，側墻附近錨桿拉應力較大。

7 結論與討論

1)由于溶洞內結構空間受限，隧道穿越溶洞處下部采取橋梁下部結構(樁基礎+承臺)形式處理，樁基只能采用人工挖孔，在樁基礎上整體澆筑鋼筋混凝土承臺，從而加固了隧道下部的不良地質構造，使隧道整體結構穩定牢固［8］。

2)采用開挖平行導洞，可避開溶洞開挖導洞至主線位置，進入主線后再實施開挖施工，同時對溶洞兩側進行處理，既節省工期，也有利于隧道內交叉作業與通風。平行導洞的設計是在不影響溶洞穩定的基礎上設計的，其與溶洞壁最小距離約為7 m。

3)在溶洞處理方案設計時，考慮到采用新奧法原理施工的同時充分發揮支撐墻作用，故一方面，處于溶洞一側將支撐墻全部嵌入上部巖體中，在支撐墻施工過程中，預埋隧道初期支護的鋼拱架使支撐墻與隧道初期支護形成一個整體的支承結構;另一方面，隧道輪廓以上部分，在溶洞壁施工錨桿，并預留1 m與支撐墻連成整體，有利于隧道開挖后，應力向支撐墻底部的承臺及樁基擴散，消解應力集中現象。支撐墻施工結束，在強度滿足要求后，左側墻體外采取反壓回填，以消除自拱頂的巨大壓力。

4)溶洞段隧道底部采取橫向聯系梁連接取代仰拱，確保隧道整體穩定。

5)在承臺側邊設置排水溝，加設涵洞，從而使溶洞周圍巖體中的裂隙水引入溶洞底的天然溝谷，以防止滲水對溶洞產生局部破壞。

6)在處理類似溶洞前，應對隧道地質狀況和技術方案作全面評估，對施工措施的可靠性和安全性預作專項評價，從而確保工程施工安全、質量可靠。

［1］謝遠耀，鄭冰林.百色至靖西高速公路隴內隧道特大溶洞處理技術淺析［J］.沿海企業與科技，2012(4):79 －81，78.

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［5］ 聶讓，許金良，鄧云潮.公路施工測量手冊［M］.北京:人民交通出版社，2000.

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［7］重慶交通科研設計院.JTG D70—2004公路隧道設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

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