巖溶發育地區隧道溶洞處治方法

趙興華，上官洲境，陳建光

(中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530031)

0 引言

巖溶發育地區隧道溶洞的處治方法直接影響隧道后期的運營壽命和安全，為了保證隧道溶洞處治的安全和使用壽命，在隧道施工過程中，需要對隧道與溶洞的平面位置關系以及溶洞的水文地質特點加以深入分析研究，制定行之有效的處治方法，避免發生因選擇處治方法不當引起的隧道安全和質量事故。

1 溶洞的形成機理

溶洞的形成是因為石灰巖地區地下水長期溶蝕，石灰巖中不溶于水的碳酸鈣在水和二氧化碳的作用下轉化為微溶性的碳酸氫鈣。由于石灰巖層各部分含石灰質數量不同以及被侵蝕的程度不同，會被逐漸溶解分割成為互不相依、形狀各異的溶洞。

2 溶洞的危害以及對隧道施工的影響

隧道穿越溶洞處治不當，會對隧道后期運營帶來很大的危害。溶洞水處治不當極易引起隧道二襯滲漏水，水害破壞路面。溶洞回填處治不當，極易引起隧道路面和二襯下沉開裂變形，路面跳車，嚴重時造成隧道坍塌，二次處治會產生較大的費用和極壞的社會影響。

同時隧道穿越溶洞，受隧道凈空限制，常規和大型機械無法施工，增加了隧道的施工難度，延長了隧道施工工期。并且季節性的巖溶洞穴涌水也會給隧道施工帶來諸多不穩定因素。因此，制定一個科學、合理、有效的溶洞處理方案對隧道穿越巖溶地段至關重要。

3 隧道溶洞處治原則

(1)科學性原則。因洞制宜，一洞一方案原則。聘請專業洞穴調查人員詳細調查，準確判斷溶洞與隧道的平面位置關系及溶洞水文、地質特點，制定專項單體溶洞處治方案。

(2)有水溶洞以排為主，堵排結合的動態方案、動態施工原則。詳細調查溶洞水文特點，溶洞水以排為主，堵排結合，溶洞水的通道盡量疏通，禁止堵塞。

(3)安全性原則。保證巖溶隧道處治溶洞時的施工安全和后期的運營安全。

(4)適用性原則。充分考慮隧道內狹小空間，合理選擇施工機械設備、施工工藝，降低施工難度。

(5)經濟型原則。保證安全、質量和使用壽命的前提下，做到溶洞處治方案經濟合理。

4 隧道溶洞處治方法

本文以在建的廣西河池至百色高速公路項目丘莫隧道和梁家隧道溶洞處治為例，對隧道溶洞處治方法做簡要分析。

4.1 溶洞回填處治

以丘莫隧道為例。丘莫隧道右洞K77+827處(隧道設計標高約459.6 m)溶洞洞口呈不規則狀，長約32 m，洞口寬10～20 m，走向約70°，洞頂標高約466～473 m，洞底標高約451～458 m，洞高約8～12 m，隧道右洞穿越該溶洞；洞頂未見明顯的小型孔洞，洞頂及洞壁局部鐘乳石發育，未見地下水滴漏(見圖1)。

圖1 丘莫隧道YK77+827溶洞發育平面圖

溶洞底部發現兩個支洞，支洞1走向310°，往北西向傾斜，可見深度37 m，平均坡度38°，洞口位于隧道右洞K77+824右側洞壁下方，洞口頂部標高450.26 m，洞口寬3.9 m，高2.0 m；溶洞與隧道右洞大角度相交。根據勘察情況對隧道并無影響。

支洞2往70°方向發育延伸，與隧道右洞小角度相交；呈坡度32°～37°的扇形邊坡，坡長約70 m，坡頂寬5.59 m，標高451.34 m(洞口處)，坡底寬約60 m，標高399.47～413.87 m，相對高差37.47～51.87 m；洞頂標高424.67～452.74 m，洞高3～8 m，局部10～11 m，頂板厚度(洞頂至隧道右洞路面距離)2.46～31.96 m。K77+827溶洞及支洞2洞頂圍巖巖性為白云巖、灰質白云巖夾少量灰巖，中風化，洞頂巖溶形態以石鐘乳、石簾及溶蝕裂隙(沿巖層面發育)為主，局部為孔洞，規模小；地質調查未見洞頂發育規模較大(直徑或厚度1 m以上)的欠穩定～不穩定結構體；圍巖中發育2組閉合狀節理，節理產狀40°～50°∠25°～30°及290∠42°，巖體較破碎；隧道爆破開挖期間，K77+827溶洞及支洞2洞頂僅有少量鐘乳石及小巖塊墜落；綜上所述，K77+827溶洞及支洞2洞頂圍巖總體基本穩定，局部洞頂淺部分布少量欠穩定的小型巖塊及鐘乳石。

由于支洞2洞身距離隧道設計高薄弱處僅10.41 m，洞口處僅5 m，對隧道主體結構及運營管理造成安全隱患，故采用回填治理方案(見圖2)。

圖2 丘莫隧道YK77+827溶洞支洞2填充縱斷面圖

溶洞回填施工工藝是：

(1)對隧道洞體上方溶洞危石進行清理，并掛網錨噴加以封閉處理。

(2)從上至下清理溶洞支洞2處落石，至K77+800處，清理支洞2K77+800以上洞頂危石，并掛網錨噴，使洞頂平順，保證下方施工安全，并逐級開鑿出施工平臺。

(3)從支洞YK77+800開始修筑M7.5漿砌片石，一直到支洞與主洞溶洞交界處頂部。

(4)隧道基底采用M7.5漿砌片石，溶洞段隧道襯砌參照S5-A襯砌類型，外露側施作偏壓墻，具體參數參照明洞偏壓耳墻，高度根據現場實際情況調整。

(5)溶洞隧道施工時先施做基礎回填，然后架立外側拱架，用鎖腳錨桿固定，并掛網錨噴，當做內模，施作耳墻，然后開挖暗洞側洞體。

(6)隧道沿路線方向右側預留排水溝道，引入支洞1。

(7)耳墻上方如遇空間狹小，可采用泵送混凝土填充密實。

溶洞回填施工注意事項有：

(1)確保隧道洞身上方危石清理干凈，避免對施工及后期運營留有嚴重隱患。

(2)M7.5漿砌片石必須嵌入新鮮基巖1.5 m以上，保證基礎的穩定性。

(3)洞頂不規則溶蝕區域須清表后掛網錨噴處理平整，以便與下部結構連接。

(4)M7.5漿砌片石與洞頂連接處采用膨脹混凝土時，應嚴格參照相應施工規范，如遇錐型溶洞無法施做，可預留圓管，采用泵送方式填充，確保二者密貼共同受力。

(5)在施工過程中如發現有新的水流跡象，應加以引流疏通處理。

4.2 橋梁跨越溶洞處治

以丘莫隧道為例，丘莫隧道右線K77+892出口端掌子面發現溶洞。溶洞斜線往下發展，開口處可見縱向長度約17 m，溶洞向隧道底部發展，溶洞底部距隧道上斷面開挖底約62 m高，往隧道掌子面方向約80 m，溶洞向隧道進洞左側方向發展約70 m，往隧道進洞右側方向發展約30 m，底部形成約8 000 m2的大型溶腔。往隧道上方發展可見5 m左右漏斗，成葫蘆狀往洞頂延伸，不見底，往左洞發展，初步推測最大寬度約10 m。溶洞底僅有幾塊大石塊(初步判斷為隧道揭示時掉塊)，未見堆積石渣或石塊，底部局部覆蓋薄層淤泥，鐘乳石分布，未見水。雨季時溶洞頂左上方有裂隙水流出，如圖3所示。

圖3 丘莫隧道溶洞平面圖

結合該處溶洞的地質水文特點和處治原則，采用現澆箱梁跨越溶洞。上部結構采用1×37 m預應力混凝土簡支箱梁，橋梁起點樁號K77+858，橋梁終點樁號K77+896，橋梁全長38 m，橫坡為2%，縱斷面縱坡2.5%(見圖4)。

丘莫隧道右線K77+876溶洞現澆箱梁分為行車道梁和襯砌基礎梁，其橫斷面尺寸如下頁圖5所示。

圖4 丘莫隧道跨越溶洞橋梁平面圖(單位：cm)

圖5 丘莫隧道橫截面尺寸圖(單位：cm)

4.3 隧道整體進入具有膨脹性質填充物的大型溶腔的處治

以梁家隧道為例。通過對掌子面拱部、拱底、掌子面前方、左右側進行地質鉆探揭示：溶洞內有土夾石或泥土(土體呈黃色，無水時呈干硬，有水時呈軟塑～流塑狀態，屬膨脹性土)填充物。溶腔縱向發育長度37 m為土，部分夾石，拱部約26 m、掌子面左右側約20 m為軟弱填充物，隧道拱底25 m深度范圍均為軟弱填充物，再向下為灰巖分界面。

穿越該類地質條件溶洞的處治方法如下：

4.3.1 超前支護

考慮到圍巖狀況極差，上部荷載大的情況，采用大管棚+超前高壓注漿預支護的超前支護方案。施工采用擴挖工作室的方式進行施作。由于黏土顆粒細密，常規超前小導管支護方案漿液難以擴散，故采用超前高壓注漿預支護方案。管棚直徑108 mm，每環41根，環向間距40 cm，共3環，環向搭接長度為3 m。施工采用擴挖工作室的方式進行施作。超前前進式注漿導管采用50 mm小導管，長度為600 cm，邊墻以上布設，角度45°，每環27根，環向間距1 m，縱向間距1 m。漿液為水泥漿，注漿壓力初壓為1～2 MPa，終壓為5～6 MPa(見圖6、圖7)。

圖6 梁家隧道超前大管棚支護縱斷面示意圖

圖7 梁家隧道超前前進式注漿導管布置圖

4.3.2 開挖

為保證施工期安全，鋼拱架應盡早成環，開挖采用三臺階+臨時仰拱方案，每級臺階均設置臨時仰拱。開挖應盡量減少對圍巖的擾動，每級臺階開挖后都應盡早施作臨時仰拱，使初支成環，仰拱開挖每循環應<3 m。隧道開挖按架立兩環鋼拱架間距為一循環進尺，初期支護邊開挖邊支護，二次襯砌應根據監控量測結果綜合分析，適時施作，二次襯砌距主洞上臺階掌子面距離不超過9 m，如圖8所示。

圖8 梁家隧道施工工序示意圖

4.3.3 初期支護及二次襯砌

根據鉆孔資料顯示，隧道拱頂以上26 m為黃泥夾石，與右線隧道情況相似，且右洞開挖后出現了持續性大變形，不能穩定，致使初支及二襯部分段落垮塌，情況嚴重，同時考慮到溶洞發育無規律可循，分界面可能起伏較大或巖體仍較為破碎，出于安全考慮，隧道結構襯砌參數方案設計時按拱頂35 m荷載擬定。為保證施工期安全推薦采用雙層初支方案為實施方案。二襯厚度為85 cm，預留變形量21 cm，初支厚度為(24+31)cm(見圖9)。

圖9 梁家隧道襯砌斷面圖

4.3.4 基底處理

根據地質鉆孔資料顯示，隧道仰拱底25 m深度范圍為軟基，下部為灰巖分界面。由于上部荷載大，下部基礎軟，隧道沉降量過大，極易產生塌方事故。采用樹根樁方案為隧道地基處治方案。施工時應注意施工工序：待第三級臺階開挖完畢后，盡快施作兩側邊墻部位鋼拱架，并使臨時仰拱成環，在第三級臺階底開始鉆孔施作樹根樁，具體工藝參看設計圖紙。樹根樁施作完畢開挖仰拱，完成仰拱初期支護措施(見圖10)。

圖10 梁家隧道樹根樁布孔立面及平面圖

5 結語

鑒于溶洞形狀、大小、地質水文特點千變萬化，溶洞與隧道的位置關系錯綜復雜，與之相適宜的方案也不盡相同，難以對隧道溶洞處治進行全面系統的歸納總結，本文僅對少數隧道典型溶洞處治方法進行簡要分析，希望對后續類似地質情況下隧道溶洞處治施工具有一定的借鑒作用。