云貴地區(qū)山嶺隧道充填溶洞處理技術(shù)

譚常喜

(中鐵十四局集團第三工程有限公司，兗州 272100)

云貴地區(qū)山嶺隧道充填溶洞處理技術(shù)

譚常喜

(中鐵十四局集團第三工程有限公司，兗州 272100)

該文以云南麻昭高速公路的一條隧道為研究對象，對其施工過程中遇到的溶洞進行分析，并對溶洞處理技術(shù)及施工工藝進行了闡述。

巖溶隧道； 充填物； 處理技術(shù)

近年來，我國高速公路建設(shè)發(fā)展勢頭迅猛，建設(shè)面積和范圍也越來越大，高速公路網(wǎng)在山區(qū)設(shè)置得越來越多，隧道在整個路線中占有的比重也越來越大，經(jīng)過巖溶分布區(qū)的可能性也大大提高。由于目前缺少先進的勘察方法，一旦地質(zhì)勘察信息失誤，隧道中就會出現(xiàn)大型溶洞，這樣不僅增大了隧道施工難度，更對工期造成重大影響。因此,研究隧道大型溶洞處理技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義，可以使隧道溶洞處理技術(shù)和手段更加完善，更好地指導(dǎo)溶洞處理工作。

1 工程概況

該文中的隧道位于云南麻昭高速公路施工某段，該隧道內(nèi)的圍巖的主要組成部分為三疊系下統(tǒng)的塊狀灰?guī)r，具有巖芯為柱狀、部分為塊狀，完整性較好的特點。圍巖主要為Ⅳ級，支護型式為SF4a；初期支護采用長度為250 cm的Φ22砂漿錨桿，間距100 cm×80 cm、22 cm厚的C25噴射混凝土，間距80 cm的I16工字鋼，二次襯砌為45 cm厚的C30鋼筋混凝土，超前支護采用單層Φ42×4 mm的注漿小導(dǎo)管。典型巖溶分布特征體現(xiàn)在溶蝕洼地及溶洞，其分布方向同線路相同，呈垂直軸向分布或位于緊鄰軸線的兩側(cè)，整體發(fā)展為溶槽和溶溝。巖溶是該隧道區(qū)域內(nèi)主要的不良地質(zhì)狀況，同時還存在巖溶漏斗、地表溶洞和溶溝等巖溶現(xiàn)象，大多數(shù)溶洞底部均充填粘土，溶洞呈豎向，地表植被分布較多且伴有嚴(yán)重的塌陷。

1.1 溶洞發(fā)育特征

隧道在從進口向出口方向的施工掘進階段遇到溶洞，該溶洞總體呈東西走向，走向為44°，與隧道軸線呈46°相交。由于施工條件惡劣，能見度差，不斷有石塊掉落，并能聽到清晰的水流聲，因此前期很難通過激光測距的方式斷定溶洞的邊界。后經(jīng)過探測，該隧道跨越溶洞的長度是74 m，溶洞的高度、寬度和長度的最大值分別為60 m、90 m和137 m，隧道在溶洞處的最大埋深是67 m，溶洞周圍巖石已經(jīng)被高度風(fēng)化，洞內(nèi)填充物略高于線路設(shè)計高程。根據(jù)巖溶分布形態(tài)演變規(guī)律可判定，溶洞處于壯年期向老年期過渡階段。

1.2 溶洞綜合調(diào)查評估

由于溶洞范圍之內(nèi)隧道頂部覆蓋層較薄，因此在施工爆破作業(yè)過程中，容易誘發(fā)溶洞頂壁的坍塌，影響結(jié)構(gòu)安全。為此，需對溶洞的穩(wěn)定性進行評估，并作為選擇處理方案的依據(jù)。從調(diào)查結(jié)果來看，該溶洞規(guī)模大，局部地段分布有懸掛巖體，側(cè)壁局部分布有危巖體；頂板巖體穩(wěn)定，局部偶爾出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，溶洞內(nèi)工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

2 溶洞處理方案比選

根據(jù)該溶洞的規(guī)模和發(fā)育特征，同時考慮其頂板巖體厚度較小、隧道埋深淺的特點，擬考慮在路基方案、明洞方案和“洞中洞”方案中進行比選，并最終確定最優(yōu)處理方案。

1)路基方案：這種方案的思路是揭開溶洞頂板，回填下方溶洞，采用路基通過。這樣原路線將在溶洞處變成隧道與路基相間的形式，并最終形成最大高度約70 m左右的高邊仰坡。該方案存在較大的安全風(fēng)險。

2)明洞方案：這種方案是指揭開溶洞頂板，回填下方溶洞，采用明洞方案通過。該方案主要是從路基方案引申而來，可以防止溶洞開挖后形成的高邊仰坡對公路運營形成的安全危害，也可減少高邊仰坡的防護費用，從而設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)，保證施工及運營期間安全。該方案對溶洞回填質(zhì)量要求較高，需對回填進行加強處理措施。

3)“洞中洞”方案：這種方案保留溶洞頂板，對原有溶洞基本不做擾動，線路在溶洞內(nèi)段，在有效保證施工安全的情況下，直接設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)。該方案對溶洞預(yù)留的頂板要求需進行詳細(xì)受力核算。

三種處理方案的比較結(jié)果如表1所示。

表1 3種處理方案的優(yōu)、缺點比較結(jié)果

根據(jù)對上述3種處理方案的優(yōu)缺點進行比較，結(jié)合施工中的安全風(fēng)險、工期、造價、地基處理、邊坡防護以及運營風(fēng)險等諸多要素綜合考慮，經(jīng)過充分考慮，最終選擇“洞中洞”方案對該隧道溶洞進行處治。

3 溶洞處理方案的實施

3.1 溶洞排水及防水的設(shè)置

因有外部水進入溶洞，溶洞排水分為兩個部分，即洞外截排水和洞內(nèi)排水兩部分。首先，在溶洞范圍的地表洼地周邊設(shè)置截水溝，以確保地表水不通過洼地的落水洞匯聚進入溶洞內(nèi)；其次是根據(jù)洞內(nèi)水量的大小，在隧道的拱腳左右兩側(cè)(二襯混凝土外側(cè))分別設(shè)置30 cm×30 cm排水溝，且每隔7.5 m設(shè)置一道φ110的HDPE雙壁波紋管與洞內(nèi)縱向排水溝相接，最大程度地排除溶洞水對二襯混凝土的侵害。

為保證運營的安全，需對溶洞的防水進行特殊設(shè)計，做好應(yīng)急防水措施?？梢詫ι倭繚B水或流水進行注漿回填處理，對較大的水量，則采取引排措施。

3.2 施工防護

鑒于溶洞頂板整體呈不規(guī)則的拱形，線路在溶洞段上方局部地段懸掛巖體，偶有掉塊現(xiàn)象，給溶洞內(nèi)作業(yè)帶來危險，安全隱患較大，因此需要采取必要措施保證施工安全。首先，逐段清除溶洞頂部及周邊的危石，尤其對尖銳的懸掛危巖體徹底清除，并將溶洞壁上附著物盡量清除，再采用10 cm厚C20噴射混凝土將溶洞壁表面封閉；其次，在施工區(qū)上方搭設(shè)防落物通道，該通道依據(jù)二襯臺車設(shè)置，與臺車同步進退，不僅能有效防止掉塊對施工人員、機具造成傷害，而且操作方便。

3.3 基底處理

根據(jù)地勘資料，溶洞底部表層堆積體形成時間較晚，結(jié)構(gòu)松散，多為淤泥、碎石屑及腐殖物，部分段落基底還存在層厚約2 m的粘土層，地基承載力低，不能直接作為持力層。針對這一情況，必須采取相應(yīng)的處理措施，以提高基底承載力，減少基礎(chǔ)的不均勻沉降。

具體措施為換填+鋼管樁：

1)根據(jù)探測情況，換填深度至少為3 m，深度超出粘土層1 m，處理寬度超出基礎(chǔ)邊緣5 m左右。

2)先將需換填段落內(nèi)淤泥挖除，并在換填周界處設(shè)置C25混凝土隔離墻，隔離墻高于充填層，墻上設(shè)置泄水孔。在換填層底打設(shè)鋼管樁，鋼管樁深度4～6 m，鋼管樁深度以進入碎石層1.5 m為宜，鋼管樁外露長度為50 cm。

3)鋼管樁施工完成后采用C10片石混凝土換填，并按一定坡比放坡，將換填層和鋼管樁外露部分聯(lián)為一個整體，以增強鋼管樁的整體穩(wěn)定性。

4)從隔離墻排出的水引至襯砌背后30 cm×30 cm的排水溝內(nèi)，避免溶洞水對換填層的侵蝕破壞，基礎(chǔ)處理完畢后，施工二襯。

3.4 襯砌施工

施工二襯前必須將防護通道做好，以保證施工安全，同時根據(jù)線路與溶洞的相互關(guān)系，按照以下方式施工二襯。

1)對于明洞全部位于溶洞內(nèi)、與溶洞沒有接觸的段落，采用先施工明洞襯砌，后在隧道頂部設(shè)置緩沖層的方式，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全。緩沖層設(shè)置方式為：在明洞襯砌兩側(cè)施工擋墻，擋墻高度超過襯砌拱頂1 m，待擋墻及襯砌強度達(dá)到設(shè)計強度后，通過二襯上預(yù)留孔將砂采用噴射的方式把擋墻與二襯間區(qū)域填滿，保證砂緩沖層高度不小于1 m；同時，緩沖層頂部設(shè)置從拱頂向兩側(cè)不小于4%的橫坡，利于緩沖落石的沖擊。

2)對于部分位于溶洞巖體內(nèi)、部分暴露于溶洞內(nèi)的明洞，根據(jù)明洞位于巖體內(nèi)部分的大小，采用兩種方案進行處置：(1)位于巖體內(nèi)明洞面積超過整個明洞斷面的1/2時，采用一側(cè)增設(shè)擋墻并回填注漿后暗挖的方式通過，開挖采用人工配合機械開挖的方式進行，每次控制進尺60 cm。(2)位于巖體內(nèi)明洞面積小于整個明洞斷面的1/2時，采用弱爆破逐步開挖完成。

3)對于全部處在溶洞內(nèi)、未在巖體內(nèi)的明洞，則直接施工二襯，并做砂緩沖層。

不管采用以上何種方式，必須切實將支護做好，并對周邊溶洞巖體變化做好監(jiān)測，確認(rèn)無明顯異常后再施工二襯。

對于有水通過的地方施工二襯時必須將水引排，確保二襯不阻礙溶洞水的流動，嚴(yán)禁因二襯阻礙導(dǎo)致水在二襯一側(cè)聚集，對二襯結(jié)構(gòu)及防水造成危害。

為避免因隧道基礎(chǔ)不均勻沉降對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響，溶洞范圍內(nèi)隧道每隔9 m設(shè)置一道沉降縫，沉降縫處做好防水措施。

4 效果評價

通過上述措施，隧道順利穿越溶洞區(qū)，襯砌未發(fā)現(xiàn)明顯變形、裂縫等，后期亦未發(fā)現(xiàn)有落石掉下，可見對溶洞壁的處理是有成效的。通過該隧道充填溶洞的處治及后續(xù)的效果來看，若再處理此類溶洞時，應(yīng)從以下幾個方面進行改進：

1)基礎(chǔ)處理應(yīng)通過詳細(xì)的地勘資料并加以仔細(xì)驗算，若僅通過換填可解決沉降問題，則不需額外增設(shè)樁基處理措施，避免增加成本。

2)對溶洞壁的巖體風(fēng)化程度做詳細(xì)的調(diào)查，從而減少拱頂緩沖層的厚度或不設(shè)緩沖層。

3)對溶洞巖體的穩(wěn)定性應(yīng)有充分的評估，慎重選擇回填暗挖工藝，可選取管棚加固巖體的方式，以減少投資。

4)水的處理對處于溶洞內(nèi)的隧道尤其重要，必要時候可設(shè)置過水橫洞從隧道下方穿過，并將水順到原有流水道，避免洞內(nèi)排水量過大。

5 結(jié) 語

在麻昭高速公路的大型充填溶洞的處理上，采用“洞中洞”方案施工是切合實際的。在實際施工中該方案安全可控，既節(jié)約了投資，又未對工期造成大的影響，且對地表周邊生態(tài)的破壞很小，應(yīng)該說該方案是較為成功的。只是該方案對線路穿越的溶洞巖體頂板的穩(wěn)定性要求較高，對于頂板巖體破碎、自穩(wěn)性較差的，應(yīng)慎重選擇，不建議直接采用。

[1] 趙玉龍.宜萬鐵路下村壩隧道大型半充填溶洞處理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2014,31(6):112-115.

[2] 謝海金,鄧世萍.武廣客專吊溝嶺隧道大型充填溶洞處理技術(shù)[J].西部探礦工程,2010,10(3):183-186.

[3] 李鳴沖.宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010,27(8):119-121.

[4] 周 坤,李俊松,馮小豪.榔坪2號隧道大型充填溶洞處理措施研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009,17(7):58-60.

[5] 劉齊軍,丁永全,鄧少軍.龍?zhí)疗核淼来笮腿芏刺幚砑夹g(shù)研究[J].公路,2012,41(9):259-261.

Yunnan-guizhou Region Mountain Tunnel Karst Cave Filling Processing Technology

TAN Chang-xi

(China Railway 14th Construction Bureau Third Engineering Co,Ltd，Yanzhou 272100，China)

Taking a tunnel of Yunnan MaZhao high way as the research object, karst cave of its construction is analyzed in the process, and the cave treatment technology and construction process are expounded.

karst tunnel； fillings； processing technology

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.012

2014-11-07.

譚常喜(1982-)，工程師.E-mail:mxhsl@126.com