街上公路隧道穿越大型溶洞的治理措施

尹術(shù)軍 林承華

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 武漢 430056）

1 隧道概況

街上隧道位于畢節(jié)市納雍縣，進(jìn)口位于董地鄉(xiāng)楊家寨，出口位于董地鄉(xiāng)董地小學(xué)，為分離式雙向4車(chē)道公路長(zhǎng)隧道，設(shè)計(jì)車(chē)速80km／h。隧道左線起訖樁號(hào)ZK115＋160～ZK116＋465，全長(zhǎng)1 305m；右線起訖樁號(hào)YK115＋190～YK116＋460，全長(zhǎng)1 270m。隧道屬于溶蝕峰叢溝谷地貌區(qū)，山體由二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）中厚層狀灰?guī)r構(gòu)成。隧道軸線經(jīng)過(guò)的地面標(biāo)高1 477～1 657 m，相對(duì)高差約180m。

隧址區(qū)山巒起伏，整體地形較陡，自然坡角約50°～80°。隧址區(qū)地表大部分基巖裸露，植被少量發(fā)育，以灌木為主，生長(zhǎng)少量喬木。地表水整體不發(fā)育；地下水不發(fā)育，地下水主要有第四系空隙潛水、基巖裂隙水、巖溶水及構(gòu)造裂隙水。測(cè)試段內(nèi)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水滲入補(bǔ)給，補(bǔ)給方式是沿風(fēng)化裂隙向下滲透。其徑流條件受地形、風(fēng)化程度及構(gòu)造的影響，隧址區(qū)地下水一般徑流途徑短、深度小、徑流緩慢，以分散狀滲流出水形式向附近溝谷洼地排泄。

2 右線溶洞發(fā)育特征

巖溶原稱(chēng)喀斯特，是可溶性巖層如碳酸鹽類(lèi)巖層或硫酸類(lèi)巖層、氯鹽等，在流水的長(zhǎng)期化學(xué)作用和機(jī)械作用下形成的溝槽、裂隙和洞穴，以及由于洞穴頂部塌落導(dǎo)致地表產(chǎn)生陷穴、洼地等特殊地貌形態(tài)和地質(zhì)現(xiàn)象。我國(guó)西南地區(qū)巖溶現(xiàn)象比較普遍，其中桂、黔、顛及川東、鄂西、湘西、粵北連成一片，面積達(dá)56萬(wàn)km2。在這些地區(qū)修建隧道，常會(huì)遇到溶洞，必須予以注意［1］。

街上隧道由出口掘進(jìn)進(jìn)洞，隧道右線開(kāi)挖至YK115＋923時(shí)揭露出一較大溶洞。該溶洞發(fā)育的主導(dǎo)方向大致與路線垂直，隧道橫穿溶洞發(fā)育影響帶。溶洞大廳洞高3～21m，平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，溶洞大廳情況見(jiàn)圖2。溶洞沿路線橫向發(fā)展，穿過(guò)隧道左右開(kāi)挖線，右前方有較大溶塌堆積體，坍塌處溶腔側(cè)壁巖體均較為新鮮，溶洞頂部圍巖整體性差，裂隙發(fā)育，溶洞底部覆蓋有層厚約10～20 cm軟土［2］，溶洞最高達(dá)21m，沿隧道縱向延伸約80m。溶洞底板向上延伸，至YK115＋865處已高出隧道拱頂開(kāi)挖輪廓線?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘，溶洞頂?shù)乇頌楦锿莸貐^(qū)，附近150m處有一落水洞。

圖1 溶洞平面圖

圖2 溶洞局部照片

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的等視電阻斷面圖可以看出，YK115＋875～YK116＋111段溶洞底板和隧道底板下未發(fā)育溶洞，地質(zhì)條件相對(duì)較好，對(duì)隧道施工沒(méi)有影響。在YK115＋848位置左右側(cè)均有溶洞發(fā)育，溶洞底板高于隧道拱頂3m左右，溶洞縱斷面及橫斷面見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 溶洞縱斷面圖

圖4 溶洞橫斷面圖

3 右線工程水文地質(zhì)評(píng)價(jià)及治理建議

3.1 工程水文地質(zhì)評(píng)價(jià)

（1）隧道區(qū)歷史上無(wú)大的地震災(zāi)害記載，無(wú)明顯的新構(gòu)造活動(dòng)，地殼基本穩(wěn)定。隧道區(qū)地形地貌條件較復(fù)雜；隧道洞身地層巖性單一，為中厚層狀灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖，單斜平緩地層；巖溶發(fā)育；地下水以巖溶水為主。隧道洞身工程及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要的工程地質(zhì)問(wèn)題有巖溶、圍巖塌方、局部地段涌（突）水等，特別是巖溶發(fā)育區(qū)洞身坍塌、涌（突）水問(wèn)題突出。

（2）通過(guò)本次施工階段現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探，并結(jié)合高密度電法勘探成果，隧道洞身地層巖性單一，為中厚層狀灰?guī)r，屬硬質(zhì)巖和單斜平緩地層。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及施工觀察，發(fā)育的溶洞形成時(shí)間早，洞內(nèi)石鐘乳、洞壁鈣華發(fā)育，洞腔經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力再調(diào)整平衡，溶洞洞腔頂、底及洞壁總體穩(wěn)定，呈中微風(fēng)化狀。根據(jù)物探成果及施工情況，YK115＋845～YK115＋865段溶腔底部為坍塌堆積體，溶洞洞高明顯變小，溶洞洞腔高度4.5～5.7m，溶洞頂?shù)纵^平整，且溶洞位于隧道底板以上1.2～3.3m，溶洞洞腔底板堆積體厚度2.5～5.6m，其中隧道底板以下堆積體厚度2～3.5m，施工采取措施予以清除。溶洞底板以下巖體較完整，巖溶不發(fā)育，巖體基本穩(wěn)定。YK115＋865～YK115＋895段溶洞洞高明顯變小，溶洞洞腔高度4.5～5.7m，溶洞頂?shù)纵^平整，且溶洞位于隧道底板以上1.2～3.3m，溶洞洞腔底板堆積體厚度2.5～5.6m，溶洞底板以下巖體較完整，巖溶不發(fā)育，巖體基本穩(wěn)定。

隧道圍巖、底板及溶洞洞腔頂板及側(cè)壁總體較穩(wěn)定，局部洞腔表層、洞腔高度突變處出現(xiàn)坍塌、剝落現(xiàn)象，特別是受施工振動(dòng)，易出現(xiàn)坍塌、掉塊。

（3）物探成果資料顯示，在隧道右線布設(shè)的物探測(cè)線中，僅YK118＋848左4m～左9m，YK118＋848右6.5m～右12.5m兩處存在異常，推測(cè)為巖溶溝槽，其余地段未發(fā)現(xiàn)明顯異常現(xiàn)象，同時(shí)資料表明溶洞碎石土堆積體底部基巖較完整，未發(fā)現(xiàn)明顯異?，F(xiàn)象。工程物探Y(jié)K115＋875～YK116＋111段溶洞底板和隧道底板下均未發(fā)育巖溶，地質(zhì)條件比較好，基巖穩(wěn)定。

3.2 治理建議

通過(guò)巖溶地區(qū)的隧道，可采用跨越、加固洞穴、引排截流巖溶水、清除或加固充填物、回填夯實(shí)、封閉地表塌陷、疏排地表水等綜合治理設(shè)計(jì)方案［3－5］，并根據(jù)工程水文地質(zhì)情況遵循因地制宜的原則。

（1）隧道右線YK115＋845～YK115＋865段溶腔底部為坍塌堆積體，隧道底板以下堆積體厚2～3.5m，施工采取措施予以清除。YK115＋865里程往大樁號(hào)方向隧道底板巖體較完整，巖溶不發(fā)育，總體穩(wěn)定。建議動(dòng)態(tài)施工，隨時(shí)探明堆積體厚度及變化，合理確定處理方案，清除坍塌堆積體，確保施工安全。

（2）隧道右線YK115＋845～YK115＋865段位于大型溶洞中，洞高約15～32m，上部洞腔（空洞）高度約10～21m，位于隧道頂板之上，溶洞頂板局部巖體處于崩塌失穩(wěn)狀態(tài)，對(duì)隧道施工影響大。建議采用簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)或澆筑混凝土立柱對(duì)不穩(wěn)定溶洞頂板進(jìn)行加固支撐，隔斷墻或立柱基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定的基巖上，施工期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整隔斷墻的位置和深度，確保施工安全。

該段施工掘進(jìn)建議采用臺(tái)階法掘進(jìn)，鋼拱架支護(hù)及系統(tǒng)錨桿作初期支護(hù)，輔以管棚，同時(shí)要加強(qiáng)支護(hù)和防、排水措施。

（3）隧道設(shè)計(jì)施工須做好溶洞水的引排措施。對(duì)地表洼地落水洞采取堵排措施，防止地表水向洼地處落水洞匯集下泄進(jìn)入隧道溶洞。并保持溶洞內(nèi)的排水通暢（S1、S2泄水點(diǎn)）；排水設(shè)計(jì)建議以歷史最高水位、水量進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，完善排水設(shè)計(jì)。

（4）隧道施工過(guò)程中，詳細(xì)測(cè)繪溶腔空間分布、形態(tài)，溶腔底堆積體范圍及其與隧道的關(guān)系；探明堆積體厚度、成分，隧道頂板厚度、隧道底板基巖巖溶發(fā)育情況及其穩(wěn)定性。為溶洞的治理方案及具體施工提供詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料。

（5）隧道施工采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。地下水主要受巖溶控制，隧道設(shè)計(jì)及施工應(yīng)特別注意這些可能涌水地段，做好超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)工作，并加強(qiáng)防水、排水措施。

（6）隧道施工遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早閉合”等原則，確保施工安全。

4 右線分段治理措施

4.1 第一段YK115＋895～YK115＋865

（1）隧道右線YK115＋895至YK115＋875段20m，溶洞頂板和底板位于隧道開(kāi)挖斷面以?xún)?nèi)，主要沿隧道橫向發(fā)育，著重解決邊墻問(wèn)題。采用2m厚C25模筑混凝土隔斷墻支撐溶洞頂板。并預(yù)埋鋼筋與初期支護(hù)形成整體結(jié)構(gòu)，保證頂板穩(wěn)定。

（2）隧道右線YK115＋875至YK115＋865段10m，溶洞底板逐漸升高，至YK115＋865樁號(hào)處，已超出隧道拱頂。采用2m厚C25模筑混凝土隔斷墻支撐溶洞頂板，隧道左右隔斷墻外緣5m范圍溶腔頂板采用噴錨支護(hù)，初期支護(hù)上增設(shè)1m厚鋼筋混凝土護(hù)拱與隔斷墻結(jié)合形成整體防護(hù)，護(hù)拱頂采用輕質(zhì)材料填充形成緩沖層。

（3）為保證隔斷墻的穩(wěn)定性，隔斷墻基礎(chǔ)應(yīng)嵌入隧道仰拱底部完整基巖。

（4）為方便隧道正常運(yùn)營(yíng)后的維護(hù)，在YK115＋895～YK115＋885區(qū)間，擋墻左右側(cè)分別設(shè)置檢查門(mén)，施工中可根據(jù)實(shí)際地形需要確定檢查門(mén)具體位置。

（5）由于溶洞地表150m處有一落水洞，溶腔左右側(cè)有明顯的消水洞和消水裂隙，為避免富水季節(jié)溶洞水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，在溶洞最低處YK115＋895至YK115＋885段，仰拱底部設(shè)置圓管涵，間距2.5m，保證溶洞左右水道暢通。

（6）YK115＋875處溶洞直線升高超出隧道拱頂約10m，該處隔斷墻兩側(cè)護(hù)拱底部均設(shè)置泄水孔，保證護(hù)拱頂部積水排泄到溶洞消水孔。

（7）YK115＋865至YK115＋845段20m，溶洞底板已超出隧道拱頂，根據(jù)圍巖的實(shí)際情況能夠按暗洞形式開(kāi)挖，如圍巖條件不能滿(mǎn)足，則繼續(xù)采用隔斷墻加噴錨支護(hù)措施。

4.2 第二段YK115＋865～YK115＋845

（1）隧道右線YK115＋845～YK115＋865段位于大型溶洞中，洞高約15～32m，上部溶腔高度10～21m，位于隧道頂板之上，溶洞頂板局部巖體處于崩塌失穩(wěn)狀態(tài)，對(duì)隧道施工影響大。該段采用擋墻、鋼管混凝土立柱及鋼管桁架相結(jié)合方式，對(duì)不穩(wěn)定溶洞頂板進(jìn)行強(qiáng)支撐加固，見(jiàn)圖5。

圖5 溶洞處理橫斷面圖

（2）隔斷墻或立柱基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定的基巖上，施工期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整隔斷墻的位置和深度，確保施工安全。

（3）隧道左右隔斷墻高出隧道拱頂4m以上，初期支護(hù)上增設(shè)1m厚鋼筋混凝土護(hù)拱，隔斷墻預(yù)埋鋼筋，與護(hù)拱有效結(jié)合形成整體防護(hù)，護(hù)拱頂采用輕質(zhì)材料填充形成緩沖層，最小厚度大于2m。擋墻兩側(cè)隧道拱頂以上預(yù)設(shè)泄水孔。

（4）清除隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)坍塌體，隧道底部坍塌體清除后，采用M7.5漿砌片石換填至隧道仰拱底標(biāo)高，確保擋墻基礎(chǔ)穩(wěn)定。

（5）立柱鑲嵌于擋墻內(nèi)，采用鋼筋混凝土澆筑。溶洞頂板采用鋼管桁架支撐，桁架兩端埋置于立柱內(nèi)，長(zhǎng)度大于1m。

（6）隧道擋墻外溶洞頂板，根據(jù)溶洞發(fā)育情況設(shè)置鋼筋混凝土立柱支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

巖溶區(qū)隧道施工過(guò)程中受巖溶發(fā)育程度、巖溶分布方位及巖溶充填物等多種因素影響，經(jīng)常遇到突水突泥造成圍巖坍塌，不但影響隧道施工，且嚴(yán)重危及施工人員和機(jī)械設(shè)備安全［6］。

本隧道右線穿越大型溶洞，巖溶的治理是具有較大難度的。本次治理在充分摸清巖溶巖性、填充物及其與隧道的空間關(guān)系的前提下，根據(jù)具體情況遵循分段治理的原則，嚴(yán)格按治理原則精細(xì)化施工。目前掌子面及二次襯砌已經(jīng)順利通過(guò)了巖溶地段，初期支護(hù)拱頂下沉、側(cè)壁收斂等變形在規(guī)范容許范圍內(nèi)，二次襯砌無(wú)開(kāi)裂、無(wú)滲水、拱頂無(wú)掉塊等病害。監(jiān)控量測(cè)成果表明：第1段30 m長(zhǎng)和第2段20m長(zhǎng)均取得了很好的治理效果。實(shí)踐證明治理措施是非常成功的，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］李小青.隧道工程技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］GB50021－2001巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［3］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］JTGD70－2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］廖曹華，郭小紅.公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］郭佳奇，喬春生.巖溶隧道掌子面突水機(jī)制及巖墻安全厚度研究［J］.鐵路學(xué)報(bào)，2013，34（3）：105－111.