軟弱黏土填充型隧道溶洞處治技術探討

摘要：軟弱黏土填充并延伸至隧道全斷面且拱底下覆深厚軟土地基的溶洞，是隧道工程施工較為罕見的問題之一。文章以賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）下排二號隧道溶洞為依托工程，探討廣西高速公路建設過程中隧道全斷面軟弱黏土填充型溶洞處治技術，為類似巖溶病害處治技術方案決策提供參考。

關鍵詞：隧道工程；軟弱黏土；溶洞處治

U457+.2A421314

0 引言

廣西喀斯特地貌分布范圍廣且發育情況復雜，隧道巖溶處治已成為多數新建高速公路修建過程的難點問題之一。目前巖溶處治的相關研究有：梁瑋瑋［1］研究了新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方的處治措施，該措施主要以“大管棚+超前小導管注漿”方式提高溶洞段圍巖穩定。嚴德添等［2］研究了三柳高速公路大塘隧道采用鋼管樁方案處治隧道仰拱軟弱下臥層。黎峰銘、黎昕［3］研究了大憑高速公路崇德隧道“洞渣回填+CD法+樁頂承臺”的溶洞處治技術。楊楚兵、范國宇［4］研究了大憑高速公路某隧道采用“洞中洞”方案處治大型溶洞。趙少忠等［5］研究了齊岳山隧道的26處溶洞，分析了溶洞的規模、特性及地質成因等特點，并給出了隧道不同位置的溶洞處治建議。趙庚亮等［6］研究了南寧地鐵4號線巖溶發育特點并認為采取注漿加固巖溶區軌道交通溶洞的處治建議是合理可行的。衛敏［7］研究了渝懷鐵路某隧道采用“超前小導管+帷幕注漿”和“管棚+帷幕注漿”2種支護方式處治高壓富水巖溶問題，結果表明超前管棚比超前小導管能更有效地維持圍巖的穩定性。王建等［8］研究了“工字鋼橫跨+鋼筋混凝土板”在貴州某高速公路隧道巨型溶洞回填處治的作用。姜曉博等［9］研究了預應力現澆箱梁跨越的方式在河百高速公路丘莫隧道大型溶洞處治過程的運用。陳禹成等［10］研究了隱伏溶洞位置變化對隧道圍巖穩定性的影響規律，并提出了花果山隧道的溶洞的處治原則和方案。李杰科等［11］基于廣西崇水高速公路隧道巖溶處治方案，研究了喀斯特地區巖溶形成機理，并相對應地提出了溶洞處治原則和措施。趙興華等［12］研究了溶洞形成機理和其對施工的影響，并介紹了廣西河百高速公路丘莫隧道和梁家領隧道的巖溶處治方法。李雄周等［13］研究了云南某高速公路隧道巖溶段，并提出了“洞內+地表”巖溶處治新方法。孫柏林等［14］針對尚家灣隧道溶洞提出了護拱法配合砂漿錨桿穩固塌腔巖面的處治技術。董志明等［15］研究了大直徑自進式錨桿在京昆線古家山隧道巖溶處治過程中的運用，結果表明其具有快捷安全和技術經濟合理的特點。

基于以上研究現狀，本文以賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）下排二號隧道大型溶洞為研究對象，探討軟弱黏土填充型全斷面溶洞的處治方案，為類似隧道工程全斷面巖溶處治方案的比選提供借鑒。

1 工程概況

下排二號隧道設計為分離式隧道，凈空為11 m×5 m。右線總長為720 m，最大埋深為202 m；左線總長為714 m，最大埋深為188 m。隧址區位于巖溶峰叢地貌，山體連綿起伏，山峰陡峭，地形起伏大。主要地質概況為上覆第四系殘積（Qel+dl）黏土，下伏石炭系上統（C3）灰巖。

2 溶洞概況

2.1 揭露過程

下排二號隧隧道出口端左洞上臺階施工至ZK373+044～ZK373+090段時，掌子面揭露為1處大型黏土填充溶洞，填充范圍從左側向右側逐步擴大，直至充滿整個掌子面，填充物為黏土夾雜塊石，填充物主要為黑色黏土，局部夾雜黃色黏土，塊石直徑為50～150 cm，未發現明顯滲水現象，擾動后土層松散，基本無粘結力，穩定性較差且遇水易軟化，施工過程中發生坍塌，拱頂存在塌腔空洞。右洞施工至YK373+030～YK373+065段時，掌子面揭露1處大型黏土填充溶洞，填充范圍從右側向左側逐步擴大，直至充滿整個掌子面填充物范圍，填充物同左洞，經初步判斷與左洞的填充溶洞連通。病害發生過程如下：

2018-12-04施工至ZK373+044斷面時，ZK373+070～ZK373+090段拱頂沉降速率增加，拱頂局部出現噴射混凝土開裂病害。

2018-12-09至2018-12-15停工期間，受連續降雨影響，ZK373+044～ZK373+090段初期支護快速下沉和收斂，出現環向開裂、噴射混凝土剝落、鋼架扭曲變形等現象，右側偏壓明顯，鋼架出現局部變形，沉降、收斂嚴重，導致初期支護侵入二次襯砌范圍。

2019-01-07，施工至YK373+030掌子面時，YK373+030～YK373+065段監控量測數據異常，沉降速率、拱腳收斂速率增加，掌子面及時停止開挖。

2019-01-07至2019-01-27停工期間，YK373+030～YK373+065段初期支護快速下沉和收斂，出現環向開裂、噴射混凝土剝落、扭曲變形等病害，沉降、收斂嚴重，初期支護侵入二襯范圍。

2.2 發育情況

運用C6XP多功能地質鉆在右洞YK373+065～YK37+038段及左洞ZK373+090～ZK373+058段共布置9個鉆孔（右洞7個、左洞2個）探明了隧道溶洞發育情況。

鉆探揭露該巖溶形態以填充型溶洞為主，溶洞填充物主要以紅黏土夾石和黑黏土夾石為主。9個鉆孔都遇到填充型溶洞，遇溶洞率為100%，線巖溶率為42.9%～100.0%，初步鉆探隧道底板溶洞填充物的厚度gt;20 m，填填充物主要為可塑狀紅黏土混碎石和塊石、板結黑黏土混碎石和塊石等。溶洞發育情況詳見表1。

鉆探結果如圖1、圖2所示，在左洞掌子面正前方16 m范圍的地質以黏土夾石為主，16～44 m為硬質灰巖；在右洞掌子面正前方8～14 m范圍內的地質也以黏土夾石為主，范圍以外為硬質灰巖；隧道底板巖溶強烈發育，并以填充型溶洞為主，填充物的厚度gt;20 m，填充物主要為軟塑～可塑狀紅黏土混碎石和塊石、板結黑黏土混碎石和塊石等。鉆孔揭露隧底填充型溶洞填充物最大厚度為25.0 m，填充物主要為板結硬塑狀黑結土混碎石和塊石。

3 變形特征

為確保隧道施工過程安全以及判斷圍巖穩定性和確定二襯支護時間，監測了拱頂下沉和周邊位移2個項目，并采用累計變形量和變形速率2個指標研判隧道狀況。拱頂下沉觀測點布置在拱頂及其左、右水平間距為2 m的位置，周邊收斂的觀測點布置在隧道腰部水平測線，并與拱頂下沉觀測點布置在同一斷面。

由圖3～4可知，左洞變形可分為3個階段，分別為緩慢變形階段（第1～8 d）、急劇變形階段（第9～20 d）和變形基本穩定階段（第21～31 d）。沉降變形發展階段主要在監測第8 d，截止在第21 d，沉降速率最大發生在ZK373+070斷面，當日最大沉降速率最大沉降值97 mm；其次是ZK373+085斷面，最大沉降值74 mm；再次是ZK373+064斷面，最大沉降值65 mm；最后是ZK373+076斷面，最大沉降值41 mm。由圖5～6可知，右洞沉降變形主要發生在YK373+047斷面，其變形特征也分為3個階段，其中緩慢變形階段（第1～16 d）、急劇變形階段（第17～26 d）和變形基本穩定階段（第27～29 d），最大沉降值123 mm。YK373+058和YK373+064斷面變形相對穩定，最大沉降量分別為19 mm和8 mm。

4 處治方案

經對比分析，下排二號隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞采用“應急處治+永久處治”相結合的處治方案，詳細方案如下。

4.1 應急處治方案

4.1.1 掌子面

左洞ZK373+044掌子面至上臺階段立即進行反壓回填，右洞YK373+038掌子面停止掘進并立即進行封閉處理。

4.1.2 初支

在初支侵限段，增設Ⅰ18工字鋼，間距為1.0 m的復拱及臨時仰拱，其中上臺階臨時仰拱立于80 cm×50 cm的C25混凝土條形基礎之上，并且在每榀護拱和臨時仰拱之間增設2根Ⅰ18工字鋼斜撐，侵限段應急處治完成且變形穩定后對初支背后空腔泵送C20混凝土回填密實。

4.1.3 效果

經應急處治后，下排二號隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段初支變形趨勢得到有效控制，但受連續降雨、拱底軟基和節假日停工等不利條件影響，初支變形仍未完全收斂。

4.2 永久處治方案

4.2.1 拱底軟基加固措施

根據下排二號隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞填充物性質、范圍和洞內施工情況，綜合考慮加固機理、效果、經濟性和運營期的安全風險，最終選定“樹根樁+鋼管樁+仰拱承臺”方案（如圖7所示）處治拱底軟基。

4.2.1.1 樹根樁+鋼管樁

隧道橫向布置6根樹根樁+6根鋼管樁+6根樹根樁，間距分別為70 cm、100 cm和70 cm，樹根樁、鋼管樁縱向間距均為70 cm。樹根樁樁長≥28 m或嵌入基巖≥1 m，由內到外豎直方向夾角分別為0°、3°、6°、9°、12°和15°，且樁徑≥20 cm。樁內通長布置由4根C16主筋和A8箍筋組成的外徑10 cm鋼筋籠，灌注強度不低于C35的細石混凝土。鋼管樁樁長≥15 m或嵌入基巖≥1 m，垂直布置，且樁徑≥15 cm。樁內布置A42×4鋼花管，鋼花管內灌注M30砂漿，鋼花管外灌注強度不低于C35的細石混凝土。

4.2.1.2 仰拱承臺

仰拱承臺由“30 cm級配碎石墊層+C30混凝土墊臺”構成，其中混凝土墊臺內布設2層20 cm×20 cm的C16鋼筋網，并且保證混凝土墊臺的最小厚度≥50 cm。施工順序為待樹根樁和鋼管樁施工完成形成強度并破除樁頂50 cm和清除仰拱標高下80 cm厚洞渣后，再施工級配碎石墊層和混凝土墊臺。

4.2.2 加強型襯砌支護

為了提高該段圍巖的穩定能力，采用A42×4 mm、縱向間距1.0 m的雙層小導管注漿加固圍巖，完成后對侵限段初支逐榀換拱。換拱段鋼支撐采用Ⅰ25工字鋼，縱向間距為50 cm，上、中、下臺階拱腳位置各增設2根斜向下45°的A108鎖腳鋼管加強支護，打入基巖深度≥3 m，并在中、下臺階拱腳位置增加Ⅰ18工字鋼縱梁，同時為了預留足夠初支變形空間，預留變形量提高至30 cm，二襯混凝土強度提高為C40，厚度加強為70 cm，環向主筋加強成雙層C25，縱向間距為10 cm。

4.3 處治效果

下排二號隧道ZK373+090～ZK373+044段和YK373+065～YK373+030段溶洞經過“應急處治+永久處治”相結合的方案處治完成且經過通車運營兩年后，未發生路面沉降或二襯開裂病害，表明該處治方案是合理有效，可為類似溶洞處治方案比選時提供參考。

5 結語

（1）隧道掘進過程應采取多種方式驗證地質狀況并根據超前地質預報情況謹慎施工。開挖遇到溶洞時先探明溶洞規模、特征，為確定處治方案積累技術資料。處治過程應合理組織連續施工并結合監控量測情況因地制宜及時調整技術方案。

（2）溶洞處治采取“應急處治+永久處治”方式既可以在突發情況下保障施工人員設備的安全，也可以保障通車運營后的行車安全。

（3）軟弱黏土填充型溶洞范圍內的超前支護、初期支護和二次襯砌應采取加強措施，且初期支護應預留足夠變形量，可以有效避免二次侵限和換拱。采用“樹根樁+鋼管樁+承臺”方式處治深厚拱底軟弱地基具有較好的效果。

參考文獻：

［1］梁瑋瑋.新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方處治分析［J］.西部交通科技，2023（8）：95-97.

［2］嚴德添，陳人豪，孟繁賀.大塘隧道巖溶特征及處治方案探討［J］.西部交通科技，2023（4）：130-132.

［3］黎峰銘，黎 昕.公路隧道施工中溶洞處治措施研究［J］.西部交通科技，2023（1）：106-108.

［4］楊楚兵，范國宇.巖溶地區公路隧道穿越大型溶洞處治技術研究［J］.西部交通科技，2023（1）：109-111，205.

［5］趙少忠，黃 鑫，許振浩，等.齊岳山隧道巖溶發育特征與溶洞處治技術研究［J］.隧道建設（中英文），2022，42（7）：1 289-1 299.

［6］趙庚亮，張志龍，趙金鵬，等.南寧地鐵4號線巖溶發育特征及處治技術［J］.科學技術與工程，2021，21（31）：13 552-13 560.

［7］衛 敏.隧道穿越大型填充溶洞超前支護方案研究［J］.中國鐵路，2021（3）：41-48.

［8］王 建，王麗君，馬建新，等.巖溶地區公路隧道穿越大型溶洞處治措施分析［J］.地下空間與工程學報，2020，16（S2）：964-970，998.

［9］姜曉博，賴慶招.巖溶強發育隧道跨越大型溶洞施工技術［J］.施工技術，2020，49（S1）：699-702.

［10］陳禹成，王朝陽，郭 明，等.隱伏溶洞對隧道圍巖穩定性影響規律及處治技術［J］.山東大學學報（工學版），2020，50（5）：33-43.

［11］李杰科，付立勇.廣西喀斯特巖溶區隧道溶洞處治技術探討［J］.西部交通科技，2019（11）：74-77.

［12］趙興華，上官洲境，陳建光.巖溶發育地區隧道溶洞處治方法［J］.西部交通科技，2018（5）：135-139.

［13］李雄周，王星星，秦之富.云南省某高速公路隧道巖溶段處治技術研究［J］.地下空間與工程學報，2017，13（S1）：433-441.

［14］孫柏林，王 升，徐學軍，等.巖溶區隧道填充型溶洞的塌方處治優化研究［J］.公路工程，2015，40（5）：187-192.

［15］董志明，鄭鵬武.大直徑自進式錨桿在隧道工程巖溶處治中的應用［J］.現代隧道技術，2013，50（2）：187-191.