巖灣隧道特大型溶洞處治技術

李 錕

(中鐵二十三局集團第四工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

我國是世界上巖溶分布面積最廣泛的國家之一，約占我國國土總面積的1/3。隨著我國公路及鐵路交通建設事業(yè)的大發(fā)展，已有大量山嶺隧道建成或在建設中，常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量各異的溶洞。在相關研究中:文獻［1］針對龍鱗宮隧道大型溶洞支頂加固技術做了研究;文獻［2］針對朱家?guī)r隧道特大型溶洞提出了橋、托梁和襯砌結構共同跨越的處理方案;文獻［3－4］針對龍?zhí)疗核淼来笮腿芏床捎昧恕岸粗卸础狈桨福瑢λ淼捞畛湮锊扇×藫Q填及注漿加固的辦法進行處理;文獻［5］針對云霧山隧道“+852”溶洞采取了樁基+隧道結構的處理方案;文獻［6］結合上寨隧道大型溶洞建議對粘土充填的較大較深溶洞采用旋噴樁加固;文獻［7］結合大巴山隧道大型填充溶洞采用大管棚超前支護，小導管徑向注漿，鋼管樁及旋噴樁處理。

雖然以上研究為隧道特大型溶洞的處理提出了多種處理方案，且都取得了良好的效果，但溶洞形式多種多樣，在洞底堆積及四周臨空面大的溶洞處理方面尚未涉及，對溶洞壁在處理過程中如何應對風險也未進行具體描述。本文以湖北滬蓉西高速公路巖灣隧道施工中所遇到的特大型溶洞為研究對象，結合該溶洞特點，采用洞渣回填、橋跨和拱形防護共同跨越的合理處治措施，豐富了隧道特大型溶洞的處治技術。

1 工程概況

1.1 工程簡介

巖灣隧道是湖北滬蓉西高速公路恩施至利川段的一座長大隧道，為變間距4車道隧道，左、右線分別長2 765 m和2 773 m，最大埋深480 m。隧道行車速度80 km/h，單洞建筑限界凈寬為10.25 m，凈高為5 m。

隧道處于鄂西南褶皺山區(qū)，屬構造侵蝕、溶蝕峰叢、槽谷地貌。隧道區(qū)大部分基巖出露，溝谷、洼地及陡坎下覆蓋有第四系殘坡積層，基巖為奧陶系中下統(tǒng)南津關組、分鄉(xiāng)組灰?guī)r、頁巖和寒武系上統(tǒng)耗子砣群白云巖、灰?guī)r。隧道區(qū)無常年流水，地表水相對比較貧乏，大氣降水一般會很快順坡面向洼地匯集，通過節(jié)理裂隙、溶洞、落水洞等進入地下，轉(zhuǎn)入地下水系統(tǒng)。隧道區(qū)自然斜坡坡角一般為20°～40°，巖溶相當發(fā)育，有溶溝、溶隙(孔)、溶槽、溶洞、落水洞、巖溶漏斗等，巖溶發(fā)育使隧道面臨嚴重的滲水、涌水及涌泥災害，同時圍巖穩(wěn)定性受巖溶影響也大大降低。

1.2 特大型溶洞發(fā)育情況

隧道左洞掘進至2 288 m(里程樁號ZK250+135)，掌子面遇一沿南北走向的無填充溶洞，溶洞沿隧道軸線方向長31 m，垂直隧道軸線方向?qū)?0 m，溶洞頂高于隧道拱頂10～20 m，溶洞底南側(cè)低于隧道仰拱頂以下8～13 m，向北傾斜，北側(cè)最低處低于隧道仰拱頂以下約20 m。溶洞圍巖為寒武系上統(tǒng)耗子沱群淺灰色中厚層白云質(zhì)灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀190°∠35°，溶洞壁可見壓扭性裂隙面，裂隙面略顯波狀，產(chǎn)狀285°∠85°，兩側(cè)無明顯破碎帶，但裂隙面有溶蝕現(xiàn)象。溶洞壁、頂節(jié)理發(fā)育坍塌厲害，洞底堆積坍塌塊石及少量黃色黏土，松散體堆積體較厚，塊石呈棱角狀，直徑多為1～2 m。雨后沿裂隙面有多處線狀滴水，總滴水量約0.3 L/s，未發(fā)現(xiàn)有明顯過水巖溶管道。

溶洞與隧道位置關系見圖1。

2 隧道穿越溶洞的特點及存在的技術難題

2.1 隧道穿越溶洞的特點

巖灣隧道穿越溶洞具有如下特點:1)溶洞較大較深，且隧道穿越溶洞中部;2)洞身段位于地下水位以上100～150 m的包氣帶中，地下水主要接受大氣降雨入滲補給。水量主要來自巖溶洼地中的集中入滲以及奧陶系地層接受的大氣降雨補給;3)經(jīng)觀察該處溶洞在雨后沿裂隙面有多處線狀滴水，但總水量約0.3 L/s，不會存在大的涌水。

2.2 隧道穿越溶洞存在的技術難題

隧道在ZK250+135～+166段特大溶洞中穿越給設計、施工和運營帶來較大的風險，存在“防護難度大、溶洞處理難度大、工期影響大”的技術難題，具體有:1)頂部存在不穩(wěn)定巖體，由于爆破開挖的影響，巖體易松動甚至在自重作用下向下坍落，也給隧道在施工、運營過程中留下安全隱患;2)隧道穿越溶洞中部，周邊存在大范圍的空腔，普通的復合式襯砌結構無法形成有效的承載環(huán)，采用普通結構隧道無法跨越;3)作為本標段的控制性工程，工期十分緊張，沒有時間待該段隧道完成變更設計、施工后再向前掘進，如何才能安全、快速通過溶洞區(qū)到達ZK250+166處重新進洞。

3 溶洞處治技術

針對巖灣隧道特大型溶洞的實際情況，決定采用洞渣回填、橋跨和拱形防護共同跨越的處理方案，即洞渣回填至仰拱頂作為施工通道及拱形防護的基礎;橋梁作為行車道部分，上部結構采用2×16 m的連續(xù)組合梁橋，下部構造橋墩采取樁基接帽梁、橋臺采取擴大基礎;拱形防護座落在回填的洞渣上，采用鋼筋混凝土套拱+混凝土護拱和沙袋緩沖層組合形式。該方案采用洞渣回填不會對水系造成影響，且避免了隧道路面直接建在回填洞渣上可能形成的嚴重跳車現(xiàn)象。溶洞處治見圖2。

圖2 溶洞處治圖(單位:cm)Fig.2 Treatment of karst cave(cm)

3.1 洞渣回填

用洞渣回填隧道仰拱頂面以下溶槽，便于溶洞處理的后續(xù)作業(yè)，并且在套拱施工完成后，隧道可以繼續(xù)向前開挖支護，減輕溶洞對工期的影響。對洞底1～2 m厚的堆積物不做處理，利用回填物堆載預壓。回填期間安排專人不間斷地進行圍巖觀測，回填地段前方采用挖機挖斗上綁定的長鋼管觸碰上前方巖壁，使不穩(wěn)定巖壁提前塌落，避免安全事故的發(fā)生。

3.2 噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護

回填后搭設腳手架對ZK250+135～+166段拱墻范圍內(nèi)巖壁進行錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護，根據(jù)溶洞壁圍巖體情況設置錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼，保證溶洞周壁穩(wěn)定。錨桿長度5～8 m，間距為1 m×1 m梅花形布置，采用φ 8鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm，噴射混凝土標號為C20，厚度為15～20 cm。局部含軟弱層、富含充填物和溶洞壁不穩(wěn)定地段，采用I16工字鋼加強，縱向間距75 cm，并采用小導管注漿固結松散體，小導管采用直徑42 mm、長度為4.5 m的鋼花管，注漿壓力保持在 0.5 ～1.0 MPa。

在錨噴支護前應對溶洞壁上存在的不穩(wěn)定堆積體、巖體進行清除，保證錨噴支護達到較好的加固效果。施工過程中加強量測，及時反饋信息，根據(jù)實際情況可以調(diào)整支護參數(shù)。進行溶洞壁支護時，人員不宜集中，腳手架內(nèi)用鋼模板搭建穩(wěn)定的快速避險通道。

支護施工完成后采用地質(zhì)鉆機鉆孔取芯探測溶洞底松散堆積體厚度及擬承載基巖的厚度，為橋跨及防護結構設計提供技術參數(shù)。

3.3 防護結構

3.3.1 防護結構形式

拱形防護結構部分，包括60 cm厚鋼筋混凝土套拱、150 cm厚混凝土護拱和150 cm厚沙袋緩沖層。

為避免后期運營期間出現(xiàn)沉降使隧道建筑限界受侵，取消原設計二次襯砌，此空間作為預留沉降空間，即預留60 cm的沉降量。采用裝飾板與前后二次襯砌順接，保證了隧道空間的線性順暢美觀。溶洞段防水層設置在套拱和護拱之間，取消環(huán)向排水管，其他縱、橫向排水措施同正常主洞段，形成完善的排水系統(tǒng)。

隧道路面兩側(cè)的電纜溝、消防和排水邊溝位置設置條形基礎，與行車道部分分離，待隧道貫通、洞渣沉降穩(wěn)定后利用該基礎承托裝飾板。

3.3.2 防護結構施工

洞渣回填及溶洞壁支護完成后，即刻著手施做鋼筋混凝土條形基礎，然后進行套拱的施工。

施工套拱時，首先安裝I18工字鋼骨架，縱向間距1 m，可以便于套拱鋼筋及模板的安裝，而且工字鋼作為套拱的一部分，也提高了套拱的防護能力。

在套拱完成后施工護拱，利用套拱外層做內(nèi)模，外?？刹捎媚灸?。護拱按12 m一個循環(huán)進行施工。根據(jù)圍巖情況，左幅隧道可同時向前掘進，左幅隧道開挖時，護拱應停止作業(yè)。該段的爆破作業(yè)應盡量做到多打眼、打淺眼，并控制爆破藥量減少對圍巖和對右線的擾動［8］。

防護結構左右兩側(cè)各留3處寬1 m、高2 m的避險及施工通道。防護工程完成后，僅保留左右兩側(cè)各1處通道，作為將來溶洞的觀測通道，并在洞口安裝推拉門，其余4處避險通道用混凝土封堵。

3.4 底部結構處理

3.4.1 底部結構形式

隧道底部結構采用2×16 m的連續(xù)組合梁橋，梁橋下部結構采取樁基接帽梁、擴大基礎橋臺。樁基為獨樁結構，組合梁橋為鋼筋混凝土結構，且主梁施工分側(cè)進行，不影響人員、機械的通行。橋臺處設置簡易的TST填充式伸縮裝置，每端伸縮量4 cm。

3.4.2 底部結構施工

1)樁基施工。樁孔開挖采用分節(jié)支護開挖，每節(jié)開挖深度為1 m。護壁采用30 cm厚C25鋼筋混凝土，以保證隧道正常通行而不影響樁孔開挖的安全。樁基嵌巖深度不小于3 m，挖孔完成后，在孔底用風槍向下鉆孔5 m，以探明樁底是否存在溶洞。

2)蓋梁及橋臺施工。機械清理洞渣至蓋梁底部后用砂漿墊層找平，以便于綁扎鋼筋和立模。橋臺背部垂直光爆后可用一部分巖體做為模板，其他部位采用組合鋼模。

3)肋板梁橋施工。肋板梁橋采用C40鋼筋混凝土，先施作主梁，再施作橫隔板，后施作橋面板。主梁施工采用先單側(cè)后中間的方法，在單側(cè)主梁施工時機械可以通行。橫隔板必須與主梁縱向垂直，同主梁預埋鋼筋焊接牢靠，每道橫隔板在同一直線。

4 溶洞處治效果

巖灣隧道ZK250+135～+166段特大型溶洞采用洞渣回填、橋跨和拱形防護共同跨越的方案進行整治后，經(jīng)過2年的沉降觀測，累計沉降量為7.2 cm，經(jīng)過多年雨季和運營實踐證明，該處治措施是可靠的、有效的。

巖灣隧道特大型溶洞的處治方案比采用“橋、托梁和襯砌結構共同跨越”的方案節(jié)約投資30余萬元，節(jié)約工期1.5個月;合理安排工序，防護套拱及樁基、開挖進洞及護拱緩沖層同步施工使工期節(jié)省1個月。

5 結論與體會

對于無涌水災害、隧底堆積物小于2 m的特大型溶洞，隧道從溶腔內(nèi)穿越時，宜回填洞渣處理節(jié)省工期，同時綜合考慮回填沉降對路面及隧道縱斷面線性美觀的影響，結合整個隧道排水系統(tǒng)的布置，選取經(jīng)濟合理的方案、科學安排施工組織，既可減少對隧道施工的工期影響，又能確保隧道施工安全及運營安全。

在巖壁的支護前，巖壁的坍塌危害是安全防范的重點，一定要采取有效的措施提前排除危險源;巖壁支護的參數(shù)要同巖溶具體發(fā)育情況相結合，以確保支護的效果;緩沖層設置可以采用一些輕型彈性材料，比如橡膠等。

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