西南地區高速公路隧道溶洞穩定性分析與治理實例

李偉鵬

（珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著西部大開發建設的發展和深入，西南山區高速公路正進入快速發展時期，工程建設難度也進一步加大，特別是隧道建設［1-3］。受線路選線因素的影響，隧道在設計施工過程中不可避免地會遭遇各種各樣的地質問題，如斷層破碎帶、巖溶、古滑坡體、泥巖軟弱夾層、煤系地層、石膏地層等［4］。其中，巖溶形成的因素錯綜復雜，發育的不均衡性和不規則性，都給山嶺隧道的設計施工帶來一系列困難，處理措施不當會造成施工工期延誤、工程安全事故、生態環境惡化、后期運營安全隱患等問題。

本研究以西南地區某高速公路巖溶隧道施工所涉及的大型空溶洞處治為例，探討溶洞頂板穩定性分析及溶洞處治方案，為類似隧道的巖溶處治提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧道地處黔北山地，地勢總體西北高東南低，屬淺切低山溶蝕構造地貌類型，地表植被茂盛，場區海拔676.0～770.3 m，相對高差約94.3 m。隧道為分離式隧道，兩幅線間距為12.8～15.0 m，長度約638 m，洞身埋深普遍較淺，最大埋深約67 m。

1.2 工程地質概況

1.2.1 地層巖性。隧址區覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）黏土，下伏基巖為寒武系中統高臺組（∈2g）白云巖、白云質灰巖夾泥質白云巖、頁巖，按風化及破碎程度分為強、中風化兩層。白云巖為灰白色，薄至中厚層，節理裂隙發育，巖芯呈砂土狀；白云質灰巖為淺灰、灰白色，巖芯呈碎塊狀、柱狀，巖質較硬；頁巖呈夾層分布，灰綠色，層薄，出露比例小、分布不均，質軟，一般厚0.2～3.0 m。泥質白云巖呈夾層狀分布，分布規律性較差，灰白色，出露比例較小，質較軟，層厚差異性較大。區內地層巖層為薄至中厚層狀，節理較密集、裂隙較發育，巖體破碎程度較高。

1.2.2 地質構造。據《省區域地質志》及《1∶20萬幅區域地質調查報告》，隧址區域處于黔中東西構造帶的北緣、川黔南北向構造帶、北北東向構造帶和北東向構造帶的交匯復合地帶，構造形跡主要為經向構造、北東向構造體系。

1.2.3 水文地質。隧址區地表水主要為季節性溪流，流量隨季節變化較大。地下水類型為第四系松散裂隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水。其中，巖溶裂隙水賦存于白云巖、白云質灰巖溶蝕裂隙中，富水性極不均一。

地下水主要靠大氣降水補給，降雨大部分以坡面流形式向低洼處排泄、隧道出口段向落水洞排泄，少部分雨水下滲沿巖溶裂隙運移。采用大氣降水滲入法估算，隧道雨季最大涌水量約為3 300 m3/d。

據觀測，鉆孔中未見穩定地下水位，隧址區地下水位低于隧道設計標高。

2 溶洞發育特點

2.1 溶洞形態

隧道右幅上臺階施工至K28+306，左側拱腰處揭穿巖溶大廳，洞內基本無填充物，石筍、鐘乳石發育。廳堂式溶洞走向與隧道線位方向基本重合，斜向下發育，長約143 m，寬5～24 m，頂、底板高程差8～40 m，體積約3萬m3。溶洞平面如圖1所示。

圖1 溶洞平面

洞壁及底板基本為鈣質沉淀物覆蓋，局部基巖出露為中風化白云巖，底部出水口處有黏土堆積。洞壁為薄層狀至中厚層狀白云巖、白云質灰巖夾泥質白云巖、頁巖，巖層傾角為21°，較為平緩，巖層節理裂隙發育，主要發育兩組垂直“共軛”節理，受節理切割及卸荷作用影響，洞壁巖體較為破碎，底部有少量坍落塊石。

2.2 地下水分析

經調查，溶洞無穩定水源流入，地下水主要為基巖裂隙水，洞內有滴雨狀水，未見有暗河出入口。洞內多處積水，分析主要為大氣降水沿坡面覆土孔隙、基巖裂隙滲入滴落，旱季有少量滴水，雨季可能有股狀水流入。溶洞總體沿大里程方向斜向下發育，K28+166.6右側2.2 m附近為地下水的排泄出口，溶洞內地下水匯集后經地下管道向隧址右側河流排泄。

2.3 洞頂穩定性分析

參考《工程地質手冊》（第五版）、《鐵路巖溶隧道技術規范》（T/CRS C0801—2018）及相關研究［5-7］關于厚跨比法的論述，綜合考慮工程重要性，厚跨比法穩定性分析參數選擇為，當h/l≥0.5時，溶洞頂板穩定，當h/l＜0.5，溶洞頂板不穩定。

考慮到溶洞及溶洞頂板多不規則，且溶洞跨度按最寬處取值，對于0.2＜h/l＜0.5的斷面進一步采用荷載傳遞線交匯法進行分析驗算，并選定荷載按35°擴散角向下傳遞。溶洞頂底板形態、厚度與線位關系等具體參數及計算結果見表1。

表1 溶洞頂板穩定性綜合評價

分析可得K28+195～+225段采用厚跨比法分析溶洞頂板不安全，采用荷載傳遞線交匯法分析溶洞頂板安全。根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011）對巖溶區的勘探要求，溶洞頂板大于10 m時按穩定考慮，溶洞頂板小于10 m時按不穩定考慮［8］，綜合分析認為K28+195、K28+200、K28+205、K28+220、K28+225橫斷面溶洞頂板不安全，K28+210、K28+215橫斷面溶洞頂板安全。

綜上所述，結合溶洞實測斷面數據分析，溶洞頂板穩定性分析結論為K28+170～+195、K28+205～+220段 頂 板 穩 定，K28+195～+205、K28+220～+306段頂板不穩定。

3 治理技術措施

3.1 溶洞處治原則

根據《貴州省巖溶地區公路基礎設計與施工技術研究技術應用指南》及類似工程處置案例［9-11］，設計了樁基托梁和回填兩種處治方案。通過方案的技術、經濟比較，從施工難易程度、安全風險、施工成本等方面綜合考慮選用回填方案，并制定溶洞處治總體原則如下。

①地下水按宜疏不宜堵的原則，在回填底部預留排水通道，盡量避免改變地下水徑流路徑。

②洞壁穩定性較差的部分采用清理危巖、錨網噴及局部嵌固的處理措施。

③溶洞頂板不穩定段應對隧道初支及二襯適當加強，并完善鎖腳錨桿設置。

3.2 處治方案

3.2.1 回填方案。溶洞回填處治的關鍵是不堵塞原溶洞排水通道，因此需在溶洞底部回填大粒徑塊石，保證過水通道暢通。此外，根據溶洞頂板、洞壁穩定情況及回填沉降控制要求，該巖溶大廳分HT-1、HT-2、HT-3三種方式回填。

①HT-1回填方式。適用于隧道部分揭穿溶洞頂板、或開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度小于3 m的段落。該段落巖柱安全厚度不足，且頂板不穩定，采用C20片石混凝土，接頂部位注漿回填密實，在溶洞底部回填少量塊石保留過水通道，并在塊石頂部設置一道土工布。HT-1回填方式典型回填斷面如圖2所示。

圖2 HT-1回填方式典型回填斷面

②HT-2回填方式。適用于隧道從完整溶洞頂板中通過，且開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度介于3～8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，未侵入隧道開挖輪廓線，頂板不穩定，對該段溶腔采取C20片石混凝土+石碴全部回填密實的措施。溶洞底部采用石碴回填，可用施工機械進行攤鋪壓實；距離洞頂小于5 m時，采用C20片石混凝土填充密實；石碴回填頂面鋪設一道土工布后回填1 m厚級配碎石層。同時，正洞掘進施工時，需嚴格控制循環進尺和裝藥量，不得破壞溶洞頂板。HT-2回填方式典型回填斷面如圖3所示。

圖3 HT-2回填方式典型回填斷面

③HT-3回填方式。適用于隧道從完整溶洞頂板中通過，且開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度大于8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，頂板至開挖高程距離較大，頂板穩定，對該段溶腔采取石碴全部回填密實的措施，采用施工機械進行攤鋪壓實。

3.2.2 回填質量控制。為控制回填質量，減少回填區與基巖區差異沉降量，采取以下主要技術措施。

①回填石料強度不應小于15 MPa，攤鋪層厚不大于600 mm，最大粒徑小于400 mm，分層壓實，壓實度不小于93%。

②清除洞底黏土層、鈣質膠結，保證回填底面地基承載力不小于1 MPa。

③采用壓實沉降差進行檢測，沉降差平均值不大于5 mm，標準差不大于3 mm。

④正洞開挖后，在隧道底板每隔5 m施工一組Φ76取芯鉆孔，驗證回填質量，如回填不密實，采用泵送混凝土充填。

⑤施工前應通過鋪筑試驗段確定合適的填筑層厚、粒徑、壓實工藝以及質量控制標準等，并對石料強度和變形要求要進行現場試驗。

3.2.3 結構及輔助工程措施。考慮施工及運營期間安全，對隧道初支及二襯進行補強設計，具體參數見表2。同時，為使鋼架與圍巖協調受力以提高溶洞處治段初支強度，在每榀鋼架環向增加12根長3.5 m的Φ42鎖腳鋼花管，末端焊接在鋼架上，并進行注漿處理，注漿壓力0.5～1.5 MPa。

表2 加強段襯砌參數表

根據洞壁穩定性分析結果，有針對性地對節理發育、破碎的不穩定段進行錨網噴防護，局部位置設置型鋼支撐。錨網噴參數為10 cm厚C25早強混凝土，3.5 m長Φ22砂漿錨桿間距80 cm×80 cm，Φ8鋼筋網間距20 cm×20 cm。

3.3 處治效果

目前，該隧道已通車運營近3年，隧道各項監測指標均正常，溶洞處治措施達到了預期效果。

4 結論

①隧道穿越大型空溶洞時，溶洞頂穩定性分析評價，是工程技術措施選取中重要的一環。

②隧道巖溶處治方案盡量避免改變巖溶水的徑流和滲流路徑，減少地下水的流失。

③巖溶隧道施工必須重視超前地質預報，應堅持“先探后掘，不探不掘，有疑必探”的原則，盡量查明巖溶情況，切不可冒進施工。

④施工揭露巖溶后，應認真實行“短開挖、強支撐、弱爆破、快襯砌、勤量測”等行之有效的措施，以期安全通過巖溶區。