齊岳山隧道大型溶洞處治技術

馮 升，李國豪

（1.湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；2.湖北省恩施土家族苗族自治州交通運輸局，湖北 恩施 445000）

0 引言

在巖溶發育區的隧道建設過程中, 經常遇到規模迥異、充填情況不一的溶洞，給施工造成極大困擾。曾永軍結合黔中水利工程總干渠C1 標隧洞遇到的不同類型溶洞，給出了小斷面隧洞的溶洞處治措施[1]。謝素潔以貴州省某鐵路隧道為例，對填充型溶洞處理原則、處理方案進行了介紹，并對溶洞處理關鍵施工技術進行了總結[2]。王章瓊等人運用數值模擬方法, 對湖北恩施太坪隧道特大干溶洞圍巖穩定性進行了分析，結合溶洞演化趨勢提出初步處治建議[3]。利萬高速公路所在區域屬于巖溶強發育地區，其控制性工程齊岳山隧道為典型的巖溶隧道，本文針對隧道施工過程中遇到的大型溶洞，對其處治技術進行介紹和總結。

1 工程概況

鄂西南齊岳山地區為碳酸鹽巖分布區，巖溶和巖溶地貌十分發育，巖溶地下水也極為豐富。齊岳山隧道橫穿齊岳山山脈，是利萬高速公路謀道連接線上的一條長隧道，設計為單洞雙向兩車道隧道，設計速度60 km/h，隧道全長2 960 m，最大埋深347 m。隧道進口位于右偏圓曲線上，半徑R=350 m，洞身和出口位于直線段，縱面線型為1.5%單向上坡。

1.1 地形地貌

隧道區屬構造溶蝕- 剝蝕中山地貌。隧道橫穿山脊，地表高程1 260～1 660 m，地形整體呈波狀起伏。隧道進洞口所在斜坡坡角為40°，坡向為116°；隧道進洞口所在斜坡坡角為25°，坡向為290°。隧道區自然斜坡坡角一般20°～40°，溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等巖溶地貌發育。

1.2 工程地質

隧址區屬于川鄂湘黔隆褶帶之北西緣和四川沉降褶帶之川東褶帶的部分，構造形式以褶皺變形為主，本隧道穿越齊岳山背斜。齊岳山背斜具兩翼不對稱，巖性以灰巖為主，間夾有頁巖及煤層，背斜南東翼產狀為115°∠70°、北西翼產狀約32°∠60°。背斜核部出露地層為長興組中厚層狀灰巖，且兩翼在背斜核部以斷層接觸，系巖溶極發育地段。

根據地面調繪及物探、鉆探等勘察手段，隧址區表層局部覆蓋有第四系殘坡積粉質黏土（Qhdl+el），下伏基巖為二疊系灰巖、硅質灰巖（夾煤層及頁巖）和三疊系灰巖（局部夾薄層頁巖）。

1.3 水文地質

隧址區地表水不發育，地下水極發育，以巖溶水為主，多儲存于巖溶管道內。地下水主要靠大氣降雨補給，通過地表巖溶洼地和落水洞進入到巖溶含水層中，通過溶蝕裂隙和管道徑流，最終以巖溶泉（暗河）形式排泄。

根據隧道圍巖賦水性的強弱可將含水巖組劃分為極強巖溶含水層、強巖溶含水層、中等巖溶含水層、弱巖溶含水層和相對隔水層。其中三疊系嘉陵江組為極強巖溶含水層，三疊系大冶組為強巖溶含水層，二疊系長興組為中等巖溶含水層，二疊系茅口組為弱巖溶含水層，二疊系吳家坪組和三疊系大冶組第一段頁巖為相對隔水層。

通過對收集地下水樣品進行分析，灰巖中巖溶水化學類型為HCO3-Ca 型，對混凝土結構具微腐蝕性。

2 揭露溶洞情況

2.1 發育規模

隧道出口施工掘進至K3+255 時，線路右側距路面設計高5 m 處揭露特大溶洞入口，溶洞起點位于K3+267.5 處，大致走向由線路左側斜向小里程右下方延伸。洞底為平臺、斜坡交錯，總體呈臺階狀，洞底平臺段表觀為黃泥含鈣質，具一定承載力，其底部為土夾石松散體，采用鑿巖機向下鉆探5 m 未見巖石。洞底斜坡段表觀為泥夾石含鈣質，具一定承載力，孔洞較多，洞內滲水，地表無明顯積水，下雨時水量較大，會對隧道形成影響。洞壁表觀為強風化灰巖，破碎或極破碎，巖層分層為10～30 cm，頂部小型溶腔較多。主溶洞現場勘察約500 m 未見盡頭，最寬處達21 m，最窄處3.3 m，最高處約26 m，對隧道形成直接影響長度達65 mm（K3+210—K3+275）。

表1 溶洞實測數據表[4] m

2.2 充填性質

齊岳山大型溶洞呈半充填狀態，溶洞底部堆積大量巖土松散物。 松散物潮濕，多為粉質黏土，夾含大量風化巖塊，充填物可塑狀，局部軟塑狀，含水量25%～32%，經動力觸探試驗，基礎承載力為114～159 kPa。

為探明溶洞下部是否發育有隱伏溶洞，掌握溶洞底部堆積物準確厚度，對溶洞底部進行了布孔鉆探，鉆探結果表明溶洞底部堆積物厚度3.4～12.5 m不等，下伏基巖，無隱伏溶洞，滿足隧道底板最小厚度要求[5]。

表2 溶洞內鉆孔記錄表

2.3 和隧道空間關系

根據溶洞實際情況、測量成果和地質鉆探資料，齊岳山隧道出口端大型溶洞和隧道的空間關系主要表現為3 種形式。

圖1 溶洞和隧道空間關系示意圖

a）K3+272—K3+255 第一段 溶洞位于隧道左側，隧道呈半埋半露狀態。溶洞頂部為空腔，通過塌陷洞和地表聯通；溶洞底部為洞頂塌落物形成的松散堆積體，堆積體厚度3～10 m 不等，表層覆蓋黃土，有過水痕跡。隧道左側拱腳落于堆積體上，須進行加固處理。

b）K3+255—K3+235 第二段 此段為溶洞和隧道斜交段落，溶洞主要影響隧道左側和頂部，隧道左側完全裸露，底部落于堆積體上。溶洞左側頂部為空腔，右側為強風化灰巖，巖體破碎，節理發育；溶洞底部為松散堆積體，鉆探7.4 m 至12.5 m 見基巖，表層覆蓋黃土，有季節性水流從左至右的過水通道。此段隧道左側襯砌裸露，左側拱腳落于堆積體上，頂部及右側開挖時極易造成嚴重塌方。

c）K3+235—K3+210 第三段 共揭露兩處溶洞，分別位于隧道頂部和右下側，外露巖體為強風化灰巖，巖體破碎，溶洞底部為松散堆積體，厚度8～12 m 不等，局部為黏土夾石，承載力不足。隧道左側頂部和右下側為溶洞空腔，導致小部分襯砌外露，右側拱腳懸空。

2.4 地下水特征

齊岳山隧道分布于地下水的補給區，溶洞內無承壓水體存在，附近沒有大型水庫、河流等地表水體，溶洞在常水季節基本上為干溶洞，僅見溶洞壁滴水，局部裂隙中有小股水流滲出。溶洞底部充填物厚度較大，含有孔隙潛水，但富水性差，其中K3+235—K3+210 段溶洞底部可見由左至右的過水通道，雨季水量大。

2.5 穩定性評價

為保證施工期溶洞內作業人員機具安全和運營期隧道結構安全，需對溶洞的穩定性進行評價，便于采取對應的工程措施。

a）上方洞壁穩定性 溶洞洞頂呈穹窿狀，沿裂隙發育少量鐘乳石，高出溶洞底板7～20 m，溶洞頂板與山體表面垂直距離較小，最薄處約30 m。圍巖為強風化灰巖，薄層狀，層厚10～30 cm，分層明顯且層間夾泥，完整性較差。整體而言，溶洞上方洞壁在自然狀態下處于穩定狀態，受施工擾動宜發生掉塊、小型崩塌，特別是隧道拱頂正上方，擴挖時極易造成嚴重塌方。

b）側方洞壁穩定性 溶洞側壁光滑，表面覆蓋鈣質結晶體，巖石裂隙和層間有水滲出，側壁距隧道距離約0～20 m。圍巖為強風化灰巖，薄層狀，層厚10～30 cm，分層明顯且層間夾泥，完整性較差。綜合判斷溶洞側方洞壁在自然狀態下處于穩定狀態，受施工擾動宜發生掉塊、小型崩塌，但由于距離隧道較遠，對隧道影響有限。

圖2 溶洞現場實拍照片

c）底板穩定性 齊岳山大型溶洞底部堆積大量巖土松散物，表層覆蓋黃色黏土，松散堆積體潮濕，多為粉質黏土夾風化灰巖，充填物可塑狀，局部軟塑狀，含水量25%～32%，經動力觸探試驗，基礎承載力為114～159 kPa。經過對溶洞底部鉆探表明，溶洞底部堆積物厚度3.4～12.5 m 不等，下伏為基巖，無隱伏溶洞。規范要求隧底持力層厚度不小于8 m，據此可判斷溶洞底板處于穩定狀態，但承載力不足，需進行基礎加固[5-6]。

3 處治方案

根據現場實際情況和溶洞揭露后補充勘測資料，因地制宜采取工程技術措施分段對齊岳山大型溶洞進行處治。

3.1 K3+272—K3+255段

此段需要解決的主要是隧道兩側墻圍巖抗力不對稱，隧道左側拱腳承載力不足，溶洞左側洞壁加固和塌陷洞處理等問題，采用如下處治方案。

a）對隧道洞身左側外溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導管注漿加固，漿液采用P.O42.5 水泥單液漿，通過注漿使松散堆積體形成類混凝土混合物，給隧道左側墻提供抗力。

b）左側拱腳增設鋼管樁與鋼筋混凝土梁作為鋼支撐及二襯基礎，鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管，管內灌注C25 混凝土，鋼管嵌入基巖不小于1 m，端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。

c）對溶洞左側洞壁進行掛網噴射混凝土防護，防止施工期間落石，采用φ8 鋼筋網，間距20×20 cm，噴射混凝土厚10 cm。

d）利用洞渣對坍塌洞地表區域進行回填，四周設截水溝，坍塌洞底部采用C20 混凝土封堵。

e）二襯采用鋼筋混凝土，并將環向排水管加密。

圖3 K3+272—K3+255 段溶洞處治典型斷面圖

3.2 K3+255—K3+235段

和第一段相比，此段新增溶洞頂部不穩定圍巖處理，隧道外露襯砌防護和過水通道處理等問題，對應采用如下處治方案。

a）對隧道洞身左側溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導管注漿加固，漿液采用P.O42.5 水泥單液漿，松散體和襯砌間空缺回填C20 混凝土，給隧道左側墻提供抗力。

b）增設長管棚，每循環長8 m，縱向間距5 m，鋼管采用φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管，環向間距40 cm，鋼管內通長增設3 根φ25 鋼筋籠。

c）對隧道洞頂溶腔壁破碎圍巖進行注漿加固，采用φ25 中空注漿錨桿，掛φ8 鋼筋網，噴射10 cm厚混凝土。

d）襯砌外露區施做C25 鋼筋混凝土護拱，護拱厚度為1.5 m，護拱外層施做I18 鋼拱架兼做外模。

e）溶洞與隧道洞身相交區域過水通道設置雙道φ500 鋼筋混凝土管涵，長度40 m。

圖4 K3+255—K3+235 段溶洞處治典型斷面圖

3.3 K3+235—K3+210段

圖5 K3+235—K3+210 段溶洞處治典型斷面圖

此段在前兩段的基礎上新增拱頂溶洞處理，隧道右側小溶洞處理和隧道底板全面加固等問題，對應采用如下處治方案。

a）拱頂溶洞采用C20 混凝土進行回填，回填厚度2 m。

b）隧道右側小型溶腔采用C20 混凝土填充密實。

c）隧道兩側拱腳增設鋼管樁與混凝土梁，鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管，管內灌注C25 混凝土，鋼管嵌入基巖不小于1 m，端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。

d）加強監控量測，拱頂下沉數據完全收斂后再施做二襯。

4 結語

齊岳山隧道在建設期間安全完成大型溶洞段隧道施工，各項工程驗收合格，運營3 年來未發生水患、結構破壞等不良影響，實踐證明采取的處治技術合理可行，現對技術要點總結如下：

a）溶洞發育規模、充填性質、與隧道空間關系、地下水特征和穩定性評價可作為大型溶洞處治的主要依據。

b）溶洞穩定性分析不局限于上方和側壁，底板穩定性分析同樣重要，特別是下伏溶洞的探測，建議以鉆探為主。

c）受溶洞影響形成的隧道偏壓，臨空側宜采用大體積混凝土回填或注漿加固溶洞充填物，以期盡量提供對稱抗力。

d）修建在溶洞堆積體上的隧道，宜按明洞結構充分考慮堆積體基礎承載力，采取適用的基底處治措施，避免不均勻沉降發生。

e）有過水需要的大型溶洞處治，宜按橋涵水文計算方法確定過水構造物斷面大小，保證原過水通道的暢通。