巖溶隧道施工中溶洞跨越技術方案研究

陳琳 胡文學

喀斯特地貌在我國西南地區較為常見。當隧址處于喀斯特地貌較發育地區時，隧道施工難度大，且安全性也難以得到保障。文章介紹了溶洞的基本知識和溶洞隧道處理的原則、方法和依據，并依托崇左至水口高速公路上金隧道（左幅）穿越溶洞施工項目，對比研究了不同的隧道穿越溶洞方案，得出隧道跨越溶洞的最佳選擇，同時對方案進行分析和計算，驗證了其安全性，可為類似工程提供參考和指導。

喀斯特地貌;溶洞處治;隧道施工;梁板跨越

0?引言

經濟發展與交通發展始終是相輔相成的。近年來，我國經濟持續保持中高速發展，交通基礎設施事業也在不斷發展。我國地域廣闊，人口分布很廣，山區較多，這對交通基建事業的發展提出了新的挑戰。在山地較多的區域修建公路、鐵路等基礎設施時，隧道和橋梁成為必不可少的工程建筑物。在我國的西南和中南地區，喀斯特地貌比較典型，又稱巖溶地貌，這種地貌的地質主要為石灰巖質。在巖溶地貌中修建隧道，時不時會遇到溶洞。隧道穿越溶洞施工時，處理不好往往容易造成安全事故或經濟上的巨大浪費，而且還不能保證后期運營的安全。巖溶地貌的地質情況較復雜，不僅有溶洞，還時常伴有溝槽、較發育的裂隙等。溶洞內有時會存在承載力較弱的填充物，有些溶洞存儲著水資源，在隧道施工時容易造成垮塌、涌水等事故[1]。隧道穿越溶洞時，處理的方式大體上可分為回填和跨越兩種[2]。回填的方式一般用于處理規模較小、不作為地下水通道的干溶洞;而地處地下水含量豐富區域、較大較深的溶洞，往往采用跨越的方式處理[3]。

溶洞隧道施工中，若處理不當，會留下很大的安全隱患，運營期可能會出現隧道二襯滲水、路面塌陷破壞、路面開裂、襯砌開裂等病害。隧道一旦建成，后續出現問題已很難修復，而且會產生較大的社會影響和間接經濟損失[4]。鑒于溶洞的處理在隧道施工中至關重要，關系著隧道施工的成敗，本文在參考借鑒隧道施工穿越溶洞相關研究的基礎上展開研究，依托崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項目，對比分析了隧道穿越溶洞的方案，得出最佳選擇，可為類似工程提供參考和指導。

1?溶洞處理的原則

溶洞主要是由于地下水對石灰巖的侵蝕作用，使得不均勻的石灰巖被侵蝕得更不均勻，因此出現孔、洞等自然景觀。這種侵蝕作用是緩慢而且長期的，所以在工程建筑物的壽命之內，溶洞是可以處理的，但又是不斷發育的。溶洞的出現千差萬別，不同的溶洞處理也不盡相同，因此隧道施工中遇到溶洞時，處理方案不可照抄照搬，應基于較為準確的勘探資料和施工的可行性，量身定做，確定實施方案[5]。方案要遵循以下原則：

（1）安全性原則。安全性原則是貫穿整個工程項目最重要的原則，其他所有條件都是在安全性的基礎上討論的，所以安全性原則也是最基本的條件。一個方案如果不能保證安全性，則該方案是不可實施的。因為一旦實施，就有可能會造成生命和財產的重大損失。安全性原則包括兩方面的內容，施工的安全性和后期運營的安全可靠性，兩者缺一不可，均應引起足夠重視。安全性在很大程度上取決于工程技術人員的專業素養和專業知識水平。

（2）可行性原則。遵循可行性原則，就是在保證滿足安全性的基礎上，充分考慮施工條件和施工場地，制定出可以付諸實施的方案。只有可行性得到滿足，施工方案才是真實有效的方案。可行性原則一方面取決于施工隊伍素質的高低和所配備機械設備的先進性;另一方面也取決于實際工程的施工場地限制。由此可見，專業知識、現場施工條件、作業隊伍施工水平等方面，是保證方案可行性的必要條件。

（3）經濟性原則。經濟性得到保障，工作人員的積極性就有可能提高，方案才可以比較好地得以貫徹落實。經濟性原則更體現了綠色交通和可持續發展的理念。滿足經濟性原則，往往需要統籌兼顧，放眼全局，保證連續性和可靠性，避免后期的返工。

隧道施工中遇到揭露較大的溶洞時，對于隧道拱頂上部的空腔，需進行網噴支護或噴錨支護;側邊的空腔視大小而決定采取反壓回填或者加厚襯砌邊墻等措施。溶洞的處理不可走經驗主義道路，需要專業人員進行詳細勘察后，準確得出溶洞的水文地質特點、溶洞與隧道的位置關系，再由專業人員制定實施方案。方案的安全性、可行性和經濟性實際上是相輔相成、互相影響的，不可孤立進行考慮。

2?溶洞的處理方法

本文以崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項目為基礎，對隧道穿越溶洞的方法做對比分析，最后得出適合的施工方案。

2.1?隧道和溶洞的基本概況

上金隧道采用分離式設計：右線（KA線）進口樁號為KA24+274，進口路面設計高程約127.031 m，出口樁號為KA27+280，出口路面設計高程130.829 m，隧道全長3 006 m，最大埋深約257 m;左線（KB線）進口樁號為KBK24+279，進口路面設計高程約127.121 m，出口樁號為KB27+294，出口路面設計高程約130.669 m，隧道全長3 015 m，最大埋深約260 m。該區域地表為巖溶洼地，地表高程處于第三階梯，為推測斷層破碎帶，巖體破碎，以碎裂巖為主。拱頂穩定性差，可能出現掉塊、崩塌的現象。地表、地下巖溶均十分發育，隧道中遇到較大溶洞或縱深裂隙可能性大。涌水災害等級為嚴重，雨季極易發生突水、突泥等不良事故，尤其要重視隧道排水。

溶洞位于上金隧道左幅KB25+215～KB25+233段仰拱底部，沿龍州方向左側發育，且溶洞的左下方和右上方存在5處支洞，支洞走向基本與推測斷層走向一致（見圖1）。現場調查左江大橋段最高水位是120.168 m，進口最高水位是116.467 m，溶洞底標高為122.15 m。該溶洞無常年地表水徑流，溶洞與左江距離約370 m。隧道范圍內溶洞底部縱向長度約22.13 m，橫向長度約8.57 m，溶洞底部至仰拱底距離約13.83 m（見下頁圖2），垂直于主線方向向下發展，貫穿左側仰拱底板向左側發展，左側發育深度初步探測≥150 m。溶腔右側底部有大量填充物（黏土），溶洞大樁號側底部有積水（見下頁圖3）。根據隧道地勘報告，該溶洞位于次級斷裂影響范圍處，該次級斷裂與隧道斜交，從左往右發育，結合斷裂發育情況，推測該巖溶與左江相通的可能性較大。

2.2?方案的比較

經初步分析，考慮了4種處理方案：

（1）方案一：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設置一道跨越溶洞的板，縱向設置支撐墻為板提供支撐，在板內布置橫向受力筋。縱向支撐墻預留3處過水通道，避免破壞原有排水通道。該方法的特點是需要處理支撐墻的基底。主要工程量為：梁板C40混凝土約373 m3;支撐墻C30混凝土約405 m3;鋼筋約90 000 kg;鋼管860 m。造價約66.7萬元。

（2）方案二：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設置一道跨越溶洞的板，板底下沿行車方向設置一縱梁于板的邊沿，橫向設置支撐墻為梁板提供基礎，減小縱向跨徑，布置縱橫向受力鋼筋。其特點是原有排水通道基本不受影響，需處理支撐墻基底及清理掉落的洞渣。主要工程量為：梁板C40混凝土約467 m3;支撐墻C30混凝土約311 m3;鋼筋約90 000 kg;鋼管714 m。造價約70萬元。

（3）方案三：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設置一道跨越溶洞的板，板底下沿行車方向設置縱梁于板的邊沿。特點是不對溶洞原有的排水通道造成任何破壞，且施工難度較低，不需要進行基底處理，但需要精確計算梁板的受力情況，并確保其安全性。主要工程量為：梁板C40混凝土約435 m3;鋼筋約90 000 kg。造價約56.3萬元。

（4）方案四：回填通過。整體回填會造成原有排水通道破壞，不利于排水。片石混凝土施工工藝簡單，但質量難以保證，且后期運營中透水層、泄水口均易堵塞，容易造成后期安全隱患。主要工程量為：C15片石混凝土約1 562 m3;C30混凝土約450 m3。造價約68.2萬元。

以上四種方案均具備可行性。綜合各方面因素考慮，為減少后期運營風險，溶洞水宜疏不宜堵，溶洞內水系應保持暢通，宜采用梁板跨越方案處理，但方案三屬于相對冒險的方案，論證后不予采用。方案一雖然預留有過水通道，但施工過程中易造成堵塞。結合溶腔內有大量填充物（黏土）這一調查實情，預測預留過水通道效果不能得到永久保證，最終采用方案二對該溶洞進行處治。

2.3?方案的分析

方案實施示意圖見圖4～6。

該方案充分考慮襯砌傳到梁板的荷載，并進行內力分析和配筋計算。板的計算按照單向板進行，配置橫向受力鋼筋。地基梁按連續梁進行分析，考慮中間支點處的負彎矩和跨中正彎矩，配置縱向受力鋼筋和抗主拉的斜筋，同時驗算梁的裂縫。方案中的板和梁均為C40混凝土，采用HRB400鋼筋。方案中設計板厚1.2 m，計算得單位板寬跨中彎矩和支點剪力分別為631 kN·m和428 kN，所需配筋面積為2 260 mm2，選取1622 mm（外徑25.1 mm，間距12.5 cm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=6 080 mm2，受拉鋼筋按2排布置，同時對稱配置1排受壓鋼筋。經驗算，斜截面剪切強度、截面最大裂縫、正截面抗彎承載力等均滿足規范要求。梁的設計尺寸為2.5 m×2.5 m，梁跨最大正彎矩為13 275 kN·m，支點處負彎矩為23 312 kN·m，支撐墻處剪力為10 497 kN，基巖處剪力為6 258 kN。經計算，梁的負彎矩處選取7228 mm（外徑31.6 mm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=44 352 mm2，鋼筋按3排布置即可滿足規范要求;正彎矩處選取4828 mm（外徑31.6 mm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=29 568 mm2，鋼筋按2排布置即可滿足規范要求。

3?結語

溶洞的處治一直是隧道施工的關鍵點之一。本文分析了溶洞隧道的施工難點和確保施工順利完成的重要性。結合溶洞的特殊性，介紹了處理溶洞隧道的原則，即安全性原則、可行性原則和經濟性原則。并以崇水高速上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項目為基礎，對多個隧道穿越溶洞的方案進行對比分析，得出適合的施工方案，而且對施工方案做了進一步分析和計算，從理論上保證了安全性。本文提出的處理溶洞隧道的思路和解決方案，可為類似工程提供參考和借鑒，具有現實意義。

[1]楊永勝.談鐵路隧道溶洞處理技術[J].工程建設與設計，2018（9）：145-146，151.

[2]TZ 214-2005，客運專線鐵路隧道工程施工技術指南[S].

[3]劉招偉，張民慶，王樹仁.巖溶隧道災變預測與處治技術[M].北京：科學出版社，2007.

[4]趙興華，上官洲境，陳建光.巖溶發育地區隧道溶洞處治方法[J].西部交通科技，2018（5）：135-139.

[5]毛忠海.淺談隧道施工溶洞及塌方處理[J].門窗，2017（10）：221.