巖溶區(qū)隧道大型溶洞處治技術(shù)研究

黃驟屹，葉 銘，徐仁華，蔣定然，汪 濤

（1.文山州廣那高速公路投資建設(shè)開發(fā)有限公司，云南 文山 663000；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

在巖溶區(qū)修建隧道時(shí)，由于溶洞的存在，極易引起塌方和突水突泥等災(zāi)害，故研究處理隧道溶洞的方法意義重大，尤其是大型溶洞的處治。以往處治大型溶洞時(shí)大都依靠經(jīng)驗(yàn)法和工程類比法來分析溶洞對于隧道的穩(wěn)定性影響，其結(jié)果差異性很大[1]。針對以上問題，文章通過查閱大量的溶洞處治相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)歸納出了一套詳細(xì)的大型溶洞處置方案，其內(nèi)容是基于巖溶地區(qū)隧道超前預(yù)報(bào)原則、突水防治原則及溶腔處治原則這三大原則制定的[2-4]。巖溶地層的復(fù)雜性和特殊性對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提出了更高的要求，所以應(yīng)釆用不同的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，互相補(bǔ)充，互相驗(yàn)證，從多角度分析掌子面前方地質(zhì)情況，然后再對其進(jìn)行處理。

1 大型干溶洞的處治

在巖溶地區(qū)修建隧道過程中遇到大型溶洞時(shí)，應(yīng)根據(jù)溶洞相對于隧道洞室的空間位置以及溶洞內(nèi)的充填情況，選擇合適的處治方法。一般而言，處理時(shí)應(yīng)遵循引、堵、跨、繞的治理原則。

1.1 隧道拱頂處溶洞處治

當(dāng)溶洞位于隧道拱頂，且相對隧道拱頂高度較高、分布范圍較廣，但圍巖風(fēng)化程度較低時(shí)，溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響較小，不易使隧道發(fā)生大規(guī)模坍塌事故，可采用拱罩防護(hù)的處治方法。隧道拱頂處大型溶洞處治示意圖如圖1所示。

圖1 隧道拱頂處大型溶洞處治示意圖

首先，應(yīng)加強(qiáng)該段襯砌等級，并在拱頂處使用C20混凝土進(jìn)行回填處理，確保回填厚度大于2m；若溶洞相對隧道高度為10m以上，則需要在C20混凝土層上部設(shè)置一層細(xì)砂緩沖層，以減少溶洞掉落落石砸到拱頂從而擊穿初期支護(hù)的可能性。其次，隧道拱頂有溶洞時(shí)，往往要重點(diǎn)考慮地下水的影響。若溶洞與地表存在一定的聯(lián)通，則必須在緩沖層內(nèi)額外設(shè)置排水系統(tǒng)，將裂隙水、地下水與地表水等引至隧道排水溝中，減小發(fā)生突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 隧道邊墻處溶洞處治

對于隧道邊墻處存在大型溶洞的情況，可以直接采用回填法加固邊墻穩(wěn)定性；而對于溶洞侵入隧道底板范圍較大或貫穿隧道底板的情況，則需要對該側(cè)的邊拱基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)，采用護(hù)墻支頂法。具體而言，首先，加強(qiáng)該段支護(hù)等級，并采用漿砌片石回填至初支以外2m的位置；其次，在隧道邊墻懸空位置施作混凝土墻基；最后，在進(jìn)行溶腔回填的過程中施作一定的排水系統(tǒng)（一般是排水管）與圍巖內(nèi)過水通道相連，或?qū)⑵湟胨淼琅潘疁现小Ｋ淼肋厜μ幦芏刺幹檬疽鈭D如圖2所示。

圖2 隧道邊墻處溶洞處治示意圖

1.3 隧道基底處溶洞處治

對于隧道基底的溶洞處治有如下方案：（1）型鋼混凝土+板跨處治方案。若開挖中遇到的溶洞到隧道底部的距離＜5m，并且溶腔沿隧道走向方向不太發(fā)育時(shí)可以采用該方案；若在施工過程中，溶腔已被回填，可以將型鋼混凝土換成托梁。（2）鋼管群樁加固處治方案。該方案可處治隧道下方5～20m的溶洞。（3）樁基+承臺(tái)的處治方案。若在開挖中遇到的溶洞到隧道底部的距離為20～30m且溶洞規(guī)模較大、溶腔縱向很發(fā)育時(shí)，最好使用樁基與承臺(tái)加固隧道基底，以保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（4）路基方案。該方案適用于發(fā)育規(guī)模很大、發(fā)育深度很深的溶洞。（5）梁跨方案。該方案可處治規(guī)模較大、內(nèi)部充填物較多、直接處治比較困難且要求地下水流不被堵塞的溶洞。

2 大型填充型溶洞的處治

大型充填溶洞主要根據(jù)充填物的不同性質(zhì)采取針對性處治方法，填充物主要為淤泥、黏土與泥沙。

2.1 淤泥充填型溶洞

若通過超前物探等手段探測到隧道掌子面前方有大型淤泥充填型溶洞時(shí)，應(yīng)該立即停止隧道的開挖工作，并在隧道遭遇溶腔的位置處設(shè)置風(fēng)險(xiǎn)警示牌，封閉掌子面，然后對其進(jìn)行處理。對于該類溶洞，主要的處治方式包括三種：（1）使用超前管棚預(yù)支護(hù)前方地層且通過管棚對淤泥地層進(jìn)行注漿加固；（2）施工方法依據(jù)實(shí)際情況變更為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法或者單（雙）側(cè)壁導(dǎo)坑法；（3）開挖完成后需立即施工高等級初期支護(hù)和加強(qiáng)型二襯。

2.2 填充黏土型溶洞

對于填充黏土型溶洞，其溶腔內(nèi)的黏土穩(wěn)定性極差，開挖時(shí)容易造成隧道失穩(wěn)破壞，主要處治方式包括如下五種：（1）采用超前小導(dǎo)管注漿加固；（2）采用超前管棚支護(hù)或者采用超前管棚注漿加固；（3）隧道掌子面開挖后，對掌子面后方一定范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿。（4）在注漿完成后使用剛度較大的鋼拱架進(jìn)行初期支護(hù)；（5）根據(jù)現(xiàn)場情況，必要時(shí)縮短開挖進(jìn)尺，同時(shí)施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，必要時(shí)施作臨時(shí)仰拱。當(dāng)填充黏土溶洞發(fā)育在基底時(shí)，可使用鋼管群樁對隧道底部進(jìn)行加固；若在隧道基底向下10～12m存在基巖，則鋼管樁只需深入基巖1～2m即可，具體如圖3所示；若隧道基底向下12m以下仍為黏性土層，則需要對群樁按摩擦樁的承載能力計(jì)算具體樁長。

圖3 隧道基底處溶洞處治示意圖

2.3 填充泥沙型溶洞

開挖時(shí)若遇到填充泥沙型溶洞，尤其危險(xiǎn)，所以應(yīng)該先封閉隧道掌子面，設(shè)置安全警示牌，隨后對溶洞進(jìn)行處治，主要的處治方式包括如下五種：（1）使用超前大管棚注漿加固；（2）對掌子面進(jìn)行全斷面超前預(yù)注漿；（3）施工方法依據(jù)實(shí)際情況變更為環(huán)形開挖預(yù)留核心土法或者單（雙）側(cè)壁導(dǎo)坑法；（4）開挖后立即對掌子面后方巖體進(jìn)行徑向注漿加固；（5）針對泥砂的特性，注漿材料可以選擇與充水型溶洞治理的相同注漿材料，并在注漿全部完成后，對注漿位置的施工質(zhì)量進(jìn)行檢查，若注漿效果未達(dá)設(shè)計(jì)要求，需補(bǔ)孔注漿。

3 大型含水型溶洞的處治

由于我國巖溶區(qū)多處于降雨較多的西南省份，因此在此類巖溶區(qū)修建隧道時(shí)或多或少會(huì)遇到大型含水溶洞。處治含水型溶洞，首先應(yīng)判斷溶洞的含水類型是充水型還是過水型，再根據(jù)判斷結(jié)果制定相應(yīng)的處治措施。

3.1 充水型溶洞

處治充水型溶洞時(shí)，一般采用注漿加固堵水的方法。處治前應(yīng)綜合溶洞的含水量多少、水壓大小和現(xiàn)場施工條件等，選擇超前注漿堵水或揭示后徑向注漿堵水。當(dāng)隧道內(nèi)為順坡施工時(shí)，若涌水量＜300m3且水壓＜0.5MPa，處治方式為對溶腔進(jìn)行爆破處理，即先打開溶腔，然后采用小導(dǎo)管局部注漿或者徑向注漿加固；若涌水量＞300m3或者水壓＞0.5MPa，可使用徑向注漿或者帷幕注漿堵水。當(dāng)隧道內(nèi)為反坡施工，若涌水量＜100m3且水壓＜0.5MPa，處治方式為對溶腔進(jìn)行爆破處理，即先打開溶腔，然后采用小導(dǎo)管局部注漿或者徑向注漿加固；若涌水量＞100m3或者水壓＞0.5MPa，應(yīng)進(jìn)行超前注漿堵水。

3.2 過水型溶洞

過水型溶洞中的水一般處于流動(dòng)狀態(tài)，這種溶洞是地下水流動(dòng)的通道，直接采用注漿堵水方案可能會(huì)破壞當(dāng)?shù)氐牡叵滤到y(tǒng)，影響生態(tài)環(huán)境，并且此類地下水會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌上的水壓力較大，影響襯砌的安全性。主要處治方法如下：（1）泄水洞排水方案。設(shè)置泄水洞時(shí)，泄水洞的設(shè)計(jì)需要充分考慮隧道現(xiàn)場施工條件，做到因地制宜，泄水洞的坡度應(yīng)設(shè)置為上坡，且坡度宜設(shè)置為1%～3%；泄水洞最小斷面面積可根據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況進(jìn)行計(jì)算后得到；泄水洞最小斷面尺寸還應(yīng)該滿足隧道施工的要求，如有軌運(yùn)輸機(jī)械配置以及施工通風(fēng)等要求。（2）迂回導(dǎo)坑方案。在復(fù)雜地質(zhì)地段，如斷層、褶皺核部、地層分界處，遇到的溶洞規(guī)模很大，且溶洞內(nèi)的過水量也很大，泄水洞或梁（拱）跨方案難以直接實(shí)施時(shí)，進(jìn)行帷幕注漿堵水效果不佳，則可以采取迂回繞行方案。即在溶腔附近修建導(dǎo)坑，先繞過溶洞，然后采取徑向注漿、帷幕注漿、修建泄水洞等方案處理原溶腔。

4 結(jié)束語

巖溶區(qū)隧道各類大型溶洞常常給施工帶來較大的影響，若處治不當(dāng)，會(huì)給施工安全和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定帶來巨大的隱患。基于此，文章以巖溶區(qū)隧道為工程背景，針對不同類型溶洞的基本特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的施工條件給出了不同類型溶洞所對應(yīng)的處治方案。工程人員應(yīng)重視對溶洞處治技術(shù)的優(yōu)化，提高現(xiàn)場治理技術(shù)與溶洞實(shí)際環(huán)境的匹配性，以促進(jìn)巖溶區(qū)隧道工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。