某大跨隧道巖溶管道處治設計與施工技術

劉敏捷，張文勇

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽市 550001)

0 引言

近年來，中國高速公路得到了快速的發展，而貴州作為全國唯一一個沒有平原的省份，交通的發展對貴州尤為重要，貴州于2015年實現了縣縣通高速。如今，貴州高速公路總里程已位居全國前列，高速網仍在不斷完善和發展，貴州山高谷深，橋隧比高，巖溶發育，而高速隧道的修建往往需要從巖溶發育區的山體中穿過，與巖溶的直接碰撞在所難免，由于巖溶分布的未知性和地形地貌的差異性，巖溶發育形態復雜多變，對隧道工程的影響也就不能一概而論，對巖溶處治的設計和施工一直是隧道工程界的難題[1]。

以貴州某一在建高速公路隧道為例，闡述隧道與巖溶管道交叉后的設計施工處治對策，為其他類似工程提供經驗。

1 工程概況

在建的貴州某高速公路隧道為分離式雙向六車道長隧道，設計速度100km/h，內輪廓設計高程距拱頂高度7.94m，凈寬15.618m。左幅全長1429m，右幅全長1417m，最大埋深約181m。隧道左右幅線間距20～22m。隧道左右幅均為單面坡，左右幅縱坡均為-2.75%。

場區覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粘土、堆積體(Qc)塊石土；下伏基巖為二疊系上統龍潭組(P2l)薄～中厚層狀泥質粉砂巖夾泥質灰巖夾炭質泥巖、三疊系下統夜郎組(T1y)灰巖夾泥巖、泥質粉砂巖夾泥質灰巖、三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖。

隧址區地表巖溶較發育，勘察階段查明隧址區分布有1處巖溶洼地和6處巖溶溶洞及ZK2揭露兩段鉆孔巖溶，溶洞向下發育可能延伸到隧道開挖區。

圖1 某在建高速隧道工程地質縱斷面圖

2 巖溶管道發育情況

該隧道從出口端向進口端掘進施工，當隧道上半斷面施工至ZK18+500處時，掌子面右側拱腰發現小型溶洞，溶洞內水量較小。隧道掘進施工至ZK18+485斷面時，揭露發現該溶洞前后貫通成一大型巖溶管道，該管道與地表巖溶洼地W1內溶洞相連通，其縱向約長420m，寬度約5～30m，高度3～30m，ZK18+485處溶洞底板距離地表溶洞口垂直高差約208m，且沿巖層傾向向兩端發育，向下緊鄰左洞發育，發育至ZK18+545右下方處后見水潭，溶洞在此處局部發育變平緩，其中ZK18+500～ZK18+545段隧道底板至溶洞頂板的巖體厚度為0～25m，隧道兩側一定范圍內未發現明顯支洞。通過現場調繪并結合斷面實測，進行數據整合，大致查明該管道與隧道的交叉關系如圖2。

該巖溶管道內有季節性流水，主要為巖溶裂隙水、巖溶溶洞水及地表匯水，觀測期間流量為2～5L/s。管道發育形態呈不規則圓柱體，頂板形態整體呈不規則弧形，且伴有滴水現象，頂板和巖壁以及地面可見少量鐘乳石、石筍、石柱。受貫通性節理切割及風化裂隙影響，溶洞頂板巖體整體穩定性差。

巖溶管道底部及側壁半充填有崩塌積塊石，少量沖洪積卵石土，其間為粘土充填，部分巨石零星堆積呈架空狀態，厚度3～10m，塊石、卵石成分大部分為深灰色灰巖，少量為紫紅色泥質粉砂巖，塊石塊徑20～200cm不等，最大達5m。巖溶管道內充填物在水流及風化剝蝕、重力作用下易垮塌、滑移失穩，以及造成水流通道部分阻斷后局部地下水水頭的抬升，導致水壓的激增，均對隧道結構物產生不利影響。巖溶管道現場照片見圖3。

圖2 巖溶管道與隧道平面位置關系圖

圖3 巖溶管道現場照片

結合施工圖階段勘察資料及現場調繪成果，可以明確巖溶管道沿著三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖巖體內部發育，管道底部部分與三疊系下統夜郎組(T1y)泥質粉砂巖接觸。隧道區及巖溶管道地下水主要靠大氣降水補給。該巖溶含水介質通道管道化程度較高，其流量動態對降雨十分敏感，根據隧道地形及水文地質條件，通過降水入滲法對通道涌水量進行計算，預測巖溶管道最大涌水量Q=26435.3m3/d。根據工程所在地氣象降雨資料收集，隧址區歷史最大日降雨量發生期間，2h內峰值降雨量達156.4mm，由此估算巖溶管道內1h峰值涌水量達到Q1=12254.0m3/h。

3 巖溶管道處治設計方案

3.1 巖溶管道形成機理分析

隧道所處地區降雨量豐富，地表高低不平，局部存在洼地，地表的有利地形易收集匯聚地下水，為巖溶通道的形成提供了充沛的地下水條件。該巖溶管道位于可溶巖與非可溶巖的交界地帶，易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道。該巖溶管道整體位于三疊系下統茅草鋪組(T1m)灰巖巖體中，該灰巖純度較高，為典型的巖溶卡斯特地區碳酸鹽巖層類型，而巖溶管道的底部為三疊系下統夜郎組(T1y)泥質粉砂巖，泥質粉砂巖透水性差，灰巖中滲出的地下水易集聚在泥質粉砂巖巖層層面發生流動，最終形成巖溶通道。

3.2 隧道巖溶管道處治思路

隧道施工中遇見的一般溶洞，是根據溶洞具體情況采用回填、強支護、帷幕注漿、跨越等方式進行處治。巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理，一是巖溶管道發育規模較大，一般縱向發育長度長，與隧道的交叉關系復雜，不能單純采用一兩種方案進行處治。二是巖溶管道或通道是地下水的流通排泄通道，不能簡單一填堵之，要預留好排水通道，并保證不對結構造成較大影響[2-8]。

3.3 隧道巖溶管道處治設計方案

根據巖溶管道與隧道的相對位置關系，巖溶管道對隧道的影響長度約80m。

3.3.1隧道結構加強處理

巖溶管道與隧道呈斜交方式，為保證溶洞頂板的穩定性，防止出現大范圍坍塌，采用“分段清危，混凝土墻支頂，錨噴防護”的溶洞防護方案。根據隧道輪廓與溶洞的相互位置關系，采用不同的襯砌加固方式。隧道由出口往進口施工，目前掌子面上臺階已經施工到ZK18+485位置，對ZK18+450～ZK18+485未開挖段襯砌進行加強，初支工字鋼調整為I20b型鋼拱架，間距60cm，二襯采用55cm厚鋼筋混凝土；ZK18+485～ZK18+520已開挖段維持原設計襯砌支護，采用I16型鋼拱架，間距80cm，二襯為45c厚鋼筋混凝土，并對隧道一側的巖溶管道進行支擋回填及防護處理；巖溶管道位于ZK18+520～ZK18+530段隧道下部，對該段增設40cm厚仰拱混凝土，使其封閉成環，并對二次襯砌進行配筋加強。

當隧道邊墻或拱頂處于溶腔內時，先在隧道邊墻初支外側施工C20混凝土擋墻，并以擋墻及隧道初支為模板，在隧道拱頂回填C20混凝土。ZK18+463～ZK18+475段由于空腔較大，在擋墻上立好模板后可通過預留泵送管泵送回填混凝土，拱頂回填混凝土作為運營期的護拱。

圖4 巖溶管道與隧道交叉處典型結構斷面設計圖

3.3.2隧道排水處理

隧道ZK18+463～ZK18+493段占用了原有巖溶管道的排水空間，需重新開挖出排水通道，在隧道與巖溶管道接觸帶通過新挖排水溝及排水暗洞進行排水，ZK18+463～ZK18+475段及ZK18+487～ZK18+493段隧道所占用原有巖溶管道排水空間相對不大，通過在巖溶管道周邊新挖排水溝進行引排疏水。排水溝靠近隧道側溝幫為現澆C20混凝土擋墻，擋墻主要起防沖刷和保護隧道側墻的作用，確保擋墻及排水溝溝身整體穩定，排水溝從進口往出口方向引流。

ZK18+475～ZK18+487段在隧道主洞右側開挖排水暗洞，根據極端情況下每小時最大涌水量，排水暗洞設計凈寬2.5m，凈高3.95m。拱部噴射混凝土厚度為20cm，并設置雙層鋼筋網，其余側壁掛網及噴10cm厚C25混凝土，排水溝溝身采用30cm厚C20鋼筋混凝土，為了便于清理巖溶管道內水流沖擊帶來的泥沙，在ZK18+490處設置3.5m×3.0m的檢修通道，通道入口處采用密閉式雙開鋼板門，密閉門需滿足抗洪水沖擊的能力，檢修通道在擋墻內的部分設置成階梯狀。排水暗洞設計圖見圖5。

圖5 排水暗洞設計圖

4 隧道巖溶管道處治施工方案

施工過程中，應根據現場實際情況先對溶腔頂部的危石進行清除，再對溶洞側壁及頂部噴10cm厚C25混凝土，確保穩定后再進行施工。在巖溶管道和隧道中夾巖柱較薄段施工時需采用小藥量爆破，控制一循環進尺不大于兩榀拱架間距，盡量減少對隧道與溶洞間的中夾巖體的擾動。由于隧道為雙向六車道隧道，隧道自身寬度較大，同時還需在一側施工排水溝及防護擋墻，施工垮度大，施工工序復雜，采用如下分步施工方案，按①～⑩的施工順序進行施工，設工方案設計圖見圖6。

圖6 穿巖溶管道處與隧道施工方案設計圖

施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ順序分部開挖，每部開挖后施作相應的初期支護及臨時支護①、②、⑥，全斷面開挖完成后及時施作仰拱⑧，然后進行仰拱回填⑨和施作二次襯砌⑩；導坑臨時支護采用I18工字鋼作為加勁拱架，拱架間距60cm，采用20鋼筋連接，連接鋼筋環向間距100cm，導坑臨時支護拱架應與初期支護拱架焊接牢固；初期支護⑥未施工之前不得拆除臨時支護①，在主洞初期支護⑥施工前逐段拆除，導坑臨時支護拆除后及時施工仰拱及二次襯砌。

5 結論

(1)通過現場調繪、鉆探等手段查明了巖溶管道的發育情況及1h峰值涌水量，并給出了巖溶管道與隧道的位置關系，為工程后面處治提供了詳實的地質基礎資料。

(2)巖溶管道不同于一般巖溶溶洞，其管道化程度高，管道內地下水流速快，短時間內能形成大規模的高勢能地下水，其流量動態對降雨十分敏感。

(3)巖溶洼地等地形是形成巖溶通道的良好天然條件，同時，在可溶巖與非可溶巖的交界地帶，易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道，工程中需加強重視。

(4)巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理，既要保證隧道結構安全，同時要預留好排水通道，二者相輔相成，需并重處治，同步考慮。

(5)針對大跨度隧道穿越巖溶管道情況，施工工序復雜，交叉段施工風險高，設計方案需重點考慮施工的可操作性和安全性，對經論證后的施工方案需嚴格按施工步驟施工，確保安全。在實際工程應用中應有機結合巖溶管道發育特征和隧道結構物情況進行處治設計和科學施工。