隧道高位穿越巨型溶洞處置及防護方案研究

陳啟輝郭畢鈞王軍孫亞飛于明洋

(1.山東建筑大學土木工程學院山東濟南250101；2.中鐵十四局集團建筑工程有限公司山東濟南250101)

0 引言

我國巖溶地貌分布十分廣闊，西南地區巖溶發育強烈，按照一般標準[1]，巖溶規模＞1 000 m3的溶洞為特大型溶洞(即巨型溶洞)。近年來隨著交通建設事業的發展，隧道頻繁遭遇穿越巨型溶洞的情況。巨型溶洞巖溶地質情況復雜，嚴重影響隧道工程的開展，其施工處置過程中面臨的挑戰主要包括:(1)巨型溶洞體量巨大；(2)隧道穿越長度大或懸空高度大；(3)巨型溶洞形態特征差異大，洞壁及洞頂各區域穩定性不同，潛在的落石坍塌風險高；(4)巨型溶洞巖溶水的疏、排問題，洞內高壓富水問題難以解決；(5)巨型溶洞原有充填物承載力不足或者回填、換填后的填體過厚，路基(橋基)沉降難以控制；(6)巨型溶洞頂板過高，洞內條件復雜，安全防護措施難以操作等。

目前，國內已有不少隧道穿越巨型溶洞的處置案例，薛斌等[2]介紹了宜萬鐵路對巖溶的規?；幚泶胧?，其中包括數個巨型溶腔；龍麟宮隧道施工過程中揭示并處置了2處巨型溶洞[3-4]；野三關隧道[5]、齊岳山隧道[6]則分別遭遇了富水巨型溶腔等。但隧道高位穿越巨型溶洞處置仍缺少系統的經驗參照，比選方案往往不夠充足，易出現處置不周的情況；在隧道穿越巨型溶洞安全防護方面也少有成型的技術經驗，致使安全防護難以做到貫穿溶洞施工的各個階段，防護措施難以做到臨時防護與永久防護相結合。為更好地解決這一難題，文章以黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞處置為依托，系統總結了近年來隧道工程穿越巨型溶洞的施工處置方案及施工安全防護方案，通過大量的比選和分析，提出了相應的處置方法及防護措施，可為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

黔張常鐵路高山隧道位于湖北恩施州來鳳縣境內，隧道全長為3 958 m、最大埋深為365 m，其橫穿國內罕見的喀斯特地貌溶洞群，是全線一級高風險隧道和重難點控制性工程。高山隧道于平導DIK53+678處揭示一巨型溶洞，據勘探結果顯示:溶洞處于灰巖夾頁巖地層中，由主溶洞、廳堂狀廊道及2個伴生支洞構成，如圖1所示。其中，主溶洞長約為450 m、寬為7～45 m、高為5～46 m。底部堆積體中間高、兩端低，且發育有3處坑陷，南側呈N70°E方向發育2號支洞。廳堂狀廊道長約為124 m、寬為32～63 m、高為46～65 m，溶洞頂部呈天然吊頂狀，凈空較大，寬達40 m，底部堆積體由1號支洞口向主溶洞呈13°下坡發展。

圖1 巨型溶洞分布圖

隧道正洞穿越廳堂狀廊道長度約為71 m，與溶洞走向約呈42°夾角，隧道底板以上空腔高為12～16 m，隧道底板以下空腔深為30～55 m，洞底塌落塊石及堆積物厚為37～66 m。溶洞發育規模巨大，隧道穿越距離長、高度大，溶洞施工處置難度大、風險高。

揭示溶洞后，為保證工程進度，采用平導繞行施工。繞行段中線與線路左線的線間距為85 m，繞行長度為438 m。為方便進入溶洞內進一步勘測及施工，設置一座長為295 m的施工支洞連接平導(758 m高程)至溶洞底面(730 m高程)。同時，對溶洞進行了人工踏勘、無人機探測、三維激光掃描測繪與監測、危巖體裂縫監測、爆破振動測試、鉆探及物探等一系列勘察研究[7]，為制定溶洞處置方案提供了系統的基礎資料。

2 隧道穿越巨型溶洞施工處置方案研究

2.1 施工處置方案分類

因施工條件存在差異，隧道穿越巨型溶洞施工處置方法也有所不同。為保證隧道順利穿越巨型溶洞，對近年來國內數十個巨型溶洞處置實例進行了分類，并對11個典型溶洞處置方案進行了系統研究。

2.1.1 巨型溶洞處置方案分類

目前國內隧道穿越巨型溶洞處置方案主要分為:改線避繞、路基處理、橋梁(承臺)跨越等，還有些富水溶腔需要對巖溶水做特殊處理，具體見表1。

表1 巨型溶洞處置方法表

一般來說，隧道懸空高度及長度很大、溶洞周壁非常不穩定、地下水活動強烈或者溶洞處置起來花費巨大、工期很長的情況，可以考慮采用改線避繞的方式；溶洞發育在線路以下深度較大且縱橫向發育規模較大的情況，可以考慮采用填筑的方式；洞內水量較大、洞內充填物承載力較好、隧道與溶洞交界面穩定的情況，可以考慮采用橋梁或托梁跨越的方式；線路下方溶腔高度不大、充填物承載力較低的情況，可以考慮復合地基加固的方式。

2.1.2 典型處置方案分析

基于以上處置方法，進一步對國內隧道穿越巨型溶洞處置方案展開調研，結合溶洞形態特征、隧道與溶洞的空間位置關系等對巨型溶洞施工處置方案進行系統總結與評價，具體見表2。

表2 類似溶洞處理方案表

續表2

上述溶洞均取得了較好的治理效果，但也不可避免的產生了一些問題。而對于類似高山隧道巨型無水溶洞的處置，有多種方案可供借鑒，關鍵是要加強對不利因素的控制，保障施工及工后運營質量。從表2可以看出，若溶洞采用改線方案，應重點考慮線路平縱指標變化及廢棄已建工程等問題；若采用路基處理方案，應重點考慮回填方式及路基沉降控制等問題；若采用橋跨方案，則應重點考慮洞內施工難度及安全防護施工等問題。

2.2 高山隧道巨型溶洞處置方案研究

依托既有工程經驗，并結合高山隧道工程的特點，對高山隧道巨型溶洞提出了改線避繞、回填處理和橋跨處理等3大類共11個研究方案，具體見表3。其中，洞砟回填+上部注漿、級配碎石回填+下部注漿、級配碎石與混凝土板回填+下部注漿及大體積空心混凝土回填+下部注漿等4種回填方案如圖2～5所示。依據回填方式的不同，進一步對4種回填方案進行了對比分析，具體見表4，可以看出，回填方法優點突出，可行性較高，更適合高山隧道巨型溶洞，但是也存在沉降超限的風險。同時，針對回填方法可能產生的沉降超限問題提出了相應的解決方案。

表3 高山隧道溶洞處理方案表

續表3

圖2 洞砟回填+上部注漿方案示意圖

圖3 級配碎石回填+下部注漿方案示意圖

圖4 級配碎石與混凝土板回填+下部注漿方案示意圖

圖5 大體積空心混凝土回填+下部注漿方案示意圖

表4 回填方案優缺點對比分析表

通過從施工技術、施工安全和經濟成本等方面的比較與分析，洞砟回填+上部注漿方案填料易取，施工安全方便，減沉效果良好，因此，高山隧道巨型溶洞處置最終選用該方案。

針對該方案存在的不足，制定了超厚回填體沉降監測和明洞隧道健康監測兩類監控措施[18]，前者包括回填體表層監測、回填體及底部堆積體分層監測、水平位移監測、鋼筋混凝土路基板下脫空監測和路基板內力監測，后者包括溶洞頂板壓力監測、頂板錨桿錨固力監測、明洞初支鋼架應力監測、明洞襯砌鋼筋應力和混凝土應變監測，全面監控工后運營安全。同時，為預防工后沉降超限分別采取了溶洞底部洞砟分層碾壓、鋼筋混凝土路基板上堆載預壓、路基板上預留沉降注漿孔、明洞結構預留凈空等多項控制措施[19]，并提出了路基板沉降自調整技術，以保障工后沉降滿足使用要求。

3 巨型溶洞施工安全防護方案研究

由于巨型溶洞發育的不規則性，周壁的不穩定性，隧道穿越溶洞段一般是施工的高危區段，其主要風險源是溶腔頂部及周壁的危巖落石。施工安全防護技術是隧道穿越巨型溶洞處置的基本保障，但是目前國內少有成熟的經驗體系。為有效保障高山隧道巨型溶洞施工安全，對國內巨型溶洞安全防護現狀進行總結分析，并結合溶洞特性，提出了高山隧道巨型溶洞施工安全防護方案。

3.1 施工安全防護階段

(1)溶洞揭示階段 通過對巖溶區的勘察作業及地質綜合超前預報鎖定巨型溶洞開挖側界面，爆破揭示時，需在爆破前采取安全防護措施，防止隧底坍塌造成機械設備及人員墜落。

(2)溶洞大廳勘測及底部整治階段 溶洞揭示后，經觀察確認溶腔頂部及溶洞周壁基本穩定，人員在進入溶洞勘察作業及溶洞底部整治時，需施作必要的安全防護措施，防止落石對人員設備造成傷害。

(3)溶腔施工處置及運營階段 巨型溶洞處置方案應包含與之配套的安全防護措施。根據巨型溶洞自身形態、穩定性及其與隧道之間的空間位置關系，確定溶洞頂板及側壁的加固范圍及加固方法，或將隧道結構隔離風險源，以保障隧道施工、運營安全。

3.2 施工安全防護方案分類

巨型溶洞施工安全防護方案主要分為臨時防護和永久防護，具體見表5。其中臨時防護以抵抗勘察、施工時落石沖擊荷載為主要目的，永久防護則以維護溶洞周壁穩定及隧道結構安全為基本原則。

表5 巨型溶洞安全防護方案對比表

由表5可以看出，巨型溶洞安全防護采用“永臨結合”的方式，既可以維護勘察、施工安全，又能為隧道運營提供基本的安全保障。因此，高山隧道巨型溶洞施工安全防護方案以“永臨結合”為原則。

3.3 高山隧道巨型溶洞施工安全防護方案

通過總結巨型溶洞施工安全防護既有經驗，結合工程實際，高山隧道巨型溶洞采取以下安全防護方案:

(1)首先對周壁表面危巖進行清理，通過一段時間穩定性監測確保溶洞安全后，人員設備再進入溶洞進行鉆探勘察及底部整治。

(2)勘察及臨時施工采用一種鋼結構防護棚架，棚架結構主要由等腰三角形屋架(Ⅰ20a)、屋架上方檁條(Ⅰ20a)、檁條上方鋼板(厚度為5 mm)和鋼板外側廢舊輪胎(雙層)組成，屋架頂部設置聯系橫梁，腰邊中部設置可拆卸支撐鋼管，如圖6所示。棚架設計以落石沖擊力荷載計算為基礎，采用PKPM校核棚架抗沖擊性能，可抵抗相當于0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載。

圖6 臨時防護棚架示意圖/mm

(3)以錨網噴防護為永久防護 對正洞中心線兩側各20 m、高程＞758 m、里程DIK53+634～721范圍內的洞頂及洞壁采用錨網索進行防護。側壁采用Φ22 mm砂漿錨桿+噴層+鋼筋網片+局部主動防護網的方式防護。洞頂采用漲殼式預應力中空注漿錨桿+噴層+主動防護網+鋼筋網片防護的方式防護。

4 結語

隧道穿越巨型溶洞處置是一項復雜的技術，處置方法主要包括改線避繞、路基處理和橋梁(承臺)跨越。處置方案的制定，既應考慮溶洞發育特性及其與隧道的空間位置關系，又應考慮施工難度及成本。同時，巨型溶洞施工防護應貫穿溶洞勘察、施工及工后運營的整個階段，采用“永臨結合”的防護形式，確保溶洞施工安全。高山隧道巨型溶洞采用洞砟回填+上部注漿的處置方案和以“永臨結合”為原則的防護方案，目前隧道溶洞段已安全施工完畢，經監測路基未發生沉降超限情況，處置及防護方案合理有效。