碌碡梁隧道溶洞處治方案設計研究

薛登峰

（山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

碌碡梁隧道位于方山縣碌碡梁村附近，隧道方山端洞口處最小凈距21 m，中陽端洞口處最小凈距20 m，設計為分離式（部分小凈距）隧道。左線洞體全長2 318 m，右線洞體全長2 323 m，洞體最大埋深231.02 m，位于ZK22+860。隧道進出口位于黃土沖溝及基巖侵蝕溝谷，交通相對不便。隧道總體走向呈正南向185°～198°。隧道圍巖主要為太古界強風化-全風化混合花崗片麻巖為主的混合雜巖、寒武系中統徐莊組（E2x）及張夏祖（E2z）中風化鮞狀灰巖、局部泥質條帶灰巖、奧陶系下統冶里組（O1y）中-強風化泥質白云巖構成，進出口段以第四系下更新統午城組（Q1w）粉質黏土及第三系靜樂組（N2j）紅黏土為主。

2 隧道主要技術標準

公路等級：一級公路（雙向四車道）；設計速度：80 km/h；汽車荷載等級：公路-Ⅰ級；設計使用年限：100年；隧道建筑限界凈寬：0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25 m；隧道建筑限界凈高：5.0 m；隧道防水等級：二級；混凝土抗滲等級：不小于P8；隧道路面橫坡：直線段2%；超高段小于等于3%[1]。

3 地質構造

隧址區位于呂梁山西翼山麓地帶，受區域構造控制，區內主要構造形跡是由燕山運動形成的構造格局，其主體走向表現為北北東、北北西向，伴生了一系列褶皺，其間發育的褶曲大多為平緩寬闊的波狀起伏，大部呈對稱分布，在此應力作用下，項目區節理、裂隙發育；主要構造有斷層和褶皺。經地質調查及物探，表明隧址區發育有斷層一道，經地質鉆探驗證，斷層位于K23+030處，為一正斷層，上盤基巖為∈2x地層，下盤基巖為赤堅嶺雜巖Mr，據調查資料顯示該斷層為死斷層，對工程影響主要表現在斷層帶范圍隧道圍巖級別較低，并存在滲漏水現象。

隧址區附近在K24+00—K33+700段發育寬緩的向背斜組合構造，一翼傾向西南至南西西，一翼傾向南南東，第一處緊閉褶皺向斜樞紐位于K23+740，樞紐核心出露地表巖層為O1白云巖；背斜樞紐位于K23+900，樞紐核心出露地表巖層為O1白云巖，背向斜相連，樞紐走向推斷為155°，兩翼最大傾角達58°，為一緊閉傾伏褶皺。兩處樞紐部位地層巖性較破碎，對隧道圍巖級別判定有一定影響。

4 溶洞處治方案

隧道溶洞段落原有襯砌支護參數設計情況詳見圖1。

圖1 原設計襯砌支護參數圖

隧道在施工過程中，如遇到巖溶溶洞，首先需要了解、掌握隧道和溶洞的相對位置關系，以便制定合理的處置方案。現將碌碡梁隧道溶洞與隧道的相對位置關系進行簡單的描述，具體情況詳見圖2。

圖2 溶洞與隧道相對位置關系圖

5 總體處治原則

碌碡梁隧道中陽端右洞掘進至K23+999時，上臺階掌子面左側拱肩至拱底出現一處大型溶洞，相關各方對溶洞進行了詳細測量、勘察，明確了溶洞和隧道的相對位置關系,詳見圖2。經多方討論研究，形成如下總體處置原則：

a）暫停隧道右洞掌子面掘進與下臺階開挖施工，完善已開挖部分的初期支護，如在巖溶影響范圍，初期支護按巖溶段初期支護施工，巖溶影響范圍為溶洞及其前后6 m。

b）制定和完善巖溶影響段施工應急預案，加強隧道監控量測頻率，及時預報險情；對溶洞小樁號50 m范圍內增加隧道洞周物探探測，必要時增加超前水平探孔；對溶洞大樁號50 m范圍增加拱底空洞探測。

c）清除或加固溶洞中對隧道安全和后續溶洞處理有影響的危石，對溶洞頂進行初噴，密切監控溶洞頂巖體的變化，加強施工安全意識，對巖溶進行隧道洞碴回填，溶洞外側低洼處采用塊石洞碴回填（塊石直徑不小于30 cm），根據地下水大小情況及豐水季溶腔內過水的因素，必要時設置暗管（直徑50 cm上部開孔混凝土管），做好地下水的引排。

d）根據溶洞分布與隧道的關系，按以下方案處治溶洞：

（a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下側，溶腔未侵入隧道開挖輪廓內，采取洞碴回填+泵送混凝土，再注漿處理措施，處治范圍為隧道開挖輪廓線外5 m。

（b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上臺階侵入隧道開挖輪廓，溶洞位于隧道右側，采取注漿鋼花管注漿加固現有直墻基礎，在現有曲墻內側增設拱架（與初支拱架交錯布設），現有直墻頂面采用鋼架頂至溶洞洞頂，與基巖接觸鋼架端頭采用鎖腳錨管連接，與現有直墻頂接觸鋼架端頭采用植筋連接，再澆筑混凝土至溶洞頂。

（c）隧道K23+999—K24+020段，剩余溶腔部分采用型鋼門架支撐加強，門架支撐上部應與溶洞洞頂密實結合，下部基礎應進入穩定基巖，保證整個支撐頂天立地，穩固受力。

（d）溶洞處治措施全部完成前，不可進行隧道掌子面及下臺階爆破開挖。

6 處治方案設計

隧道洞身穿越溶洞區，溶洞發育對隧道結構和施工安全影響較大，在隧道開挖過程中應特別注意加強超前地質預報工作，整個建設過程中增加隧道洞頂一倍洞徑以內以及隧道底板以下圍巖的溶洞預報及探查工作，及時發現和處理溶洞，保證施工質量和安全。

a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下側，溶腔未侵入隧道開挖輪廓內，采用如下處治方案：

（a）根據溶洞測量結果，于隧道上臺階鉆勘探孔，縱向間距100 cm，對溶洞及回填進行驗證；打入φ42鋼花管作為泵送混凝土和注漿的排氣孔。

（b）對回填溶腔泵入細石（小石子）混凝土，在隧道已開挖上臺階鉆孔，鉆孔直徑不小于110 mm，鉆孔間距為100 cm，鉆孔深度達到隧道開挖輪廓線外5 m，后退式泵送C25細石混凝土，充填溶腔空隙。

（c）注水泥漿，于隧道上臺階打入φ42注漿鋼花管，沿隧道縱向每延米不少于3處鋼花管，鉆孔深度達到隧道開挖輪廓線外6 m，進行后退間歇式注漿，初期注漿采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力不大于0.3 MPa，后采用水泥凈漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力不大于0.5 MPa，注漿結束后，尾部盡可能焊接于鋼拱架上。

b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上臺階侵入隧道開挖輪廓，溶洞位于隧道右側，采用如下處治方案：

（a）樹根樁加固現有曲墻基礎，于現有曲墻外側采用φ42鋼花管注漿加固其基礎，鋼花管進入穩定基巖深度不小于50 cm，3根鋼花管頂部φ22鋼筋纏繞焊接固定。注漿材料用水泥凈漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力為0.5 ～1 MPa。

圖3 隧道K24+020—K24+035段溶洞處治設計方案

（b）在現有直墻內側，隧道初期支護外側增設鋼架，鋼架基礎端須置于穩定基巖，鋼架頂端至溶洞與隧道開挖輪廓交匯處，兩端均采用2根φ42鎖腳鋼管固定在基巖，兩拱架之間設置φ22連接鋼筋，鋼筋間距不大于1 m；在現有曲墻頂部增設兩處鋼架，鋼架底部端頭植筋現有直墻固定，頂部溶洞洞室頂基巖，每處采用2根φ42鎖腳鋼管固定。

（c）在內側拱形鋼架與現有曲墻外側之間澆筑C25混凝土，形成隧道洞室與溶腔洞室之間的中隔墻護拱，隔墻頂部如有必要采取后注漿措施，保證其與溶腔頂部基巖密貼；拱形鋼架內側隧道開挖時須調整爆破方案，以免對護拱墻造成破壞。

（d）型鋼門架支撐溶腔洞室，在現有曲墻外5 m，沿隧道軸線5 m間距設置型鋼門架支撐。兩個型鋼門架支撐之間采用條形基礎系梁連接。

c）溶洞處理完畢前，不可進行隧道爆破開挖。

圖4 隧道K23+999—K24+020段溶洞處治設計方案

7 施工注意事項

a）巖溶地段施工方案的選擇應著重考慮溶洞區的地下水分布情況，處理方案應當避免堵塞區域地下水通道，并充分利用暗溝、泄水洞等措施，做好地下水的引排。

b）在隧道初期支護封閉成環后二次襯砌施作前，特別是施工期間有地表降水情況時，應注意密切觀察初期支護滲水情況，特別是處理后的溶洞部位的排水狀況，如發現水壓力較大、出水較多等情況，應判斷隧道襯砌施作有無影響區域地下水情況，及時采取措施處理后再施作二次襯砌。

c）洞頂發育溶洞時，先對溶洞頂部清理危石后再施作錨噴支護，錨桿應與巖體主結構面或巖層層面呈大角度布置。

d）巖溶地段應制定嚴格的施工工序，各工序應緊密銜接，開挖應按巖溶裂隙和溶洞充填物分類開挖，同時設法探明溶洞的形狀、范圍、大小、充填物以及地下水情況，制定適當穩妥的處理方案，確保施工安全，不得提前隨意棄渣填充[2]。

e）依據隧道設計說明落水洞處理，對隧道地表落水洞進行有效處理。

8 結語

本文結合碌碡梁隧道，通過分析溶洞和隧道的相對位置關系，制定了詳細的溶洞處治方案，對隧道溶洞進行加固處治后順利通過了溶洞段，同時通過加密埋設拱頂下沉和周邊位移收斂的監控量測點，獲得了準確的監控量測數據[3]，發現拱頂沉降和水平收斂趨于穩定，說明該處理方法達到了預期的效果，為巖溶隧道溶洞處治施工積累了寶貴的經驗。