關于水工隧洞施工中溶洞處理措施的探討

孫志明，孫近福

(1.遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006；2.遼寧省湯河水庫管理局，遼寧 遼陽 111000)

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關于水工隧洞施工中溶洞處理措施的探討

孫志明1，孫近福2

(1.遼寧省水利水電勘測設計研究院，沈陽 110006；2.遼寧省湯河水庫管理局，遼寧 遼陽 111000)

由于地質情況復雜，受前期地勘精度影響無法全部揭露溶洞情況，隧洞施工中可能遇見巖溶溶洞。溶洞的存在給隧洞的施工安全及永久運行帶來隱患，溶洞的處理至關重要。文章按照溶洞規(guī)模進行了分類，給出了相應的處理建議并列舉了國內典型溶洞成功處理案例。分析了相應的優(yōu)缺點，總結了溶洞處理的注意事項，為以后隧洞施工中溶洞的處理方案提供借鑒和參考。

水工隧洞；溶洞；處理措施；優(yōu)缺點分析

由于地質條件的復雜性，在隧洞施工過程中，可能會遇到各種不同形式的溶洞。溶洞的形式復雜多樣，部分溶洞充滿孤石、黏土、淤泥等充填物。溶洞的存在，給隧洞的開挖、永久工程質量帶來隱患和危害。因此，制定科學、合理、有效的溶洞處理措施，在很大程度上直接影響隧洞的工期及整個工程質量。

1 小規(guī)模溶洞

1.1 溶洞特性描述

小規(guī)模溶洞，一般深度和寬度不大，約一倍隧洞洞徑左右，大部分已經停止發(fā)育。溶洞在隧洞開挖斷面出現(xiàn)部位不定，頂拱、邊墻、底板部位均有可能。

1.2 建議處理措施及典型工程實例

根據(jù)此類溶洞的特點，為防止拱部、邊墻部位產生塌方，可利用高壓水流對溶洞內充填物進行沖洗，完成后可采用灌漿結合拱架、超前支護、噴錨措施封閉，采用回填材料封堵。位于底板部位溶洞，清理填充物后可直接采用低標號混凝土、碎石等材料回填。

典型工程實例一，引黃工程國際Ⅱ、Ⅲ標隧洞施工中，36#溶洞段。處理措施：溶洞處理時架設格柵拱架(間距0.7m)掛網(wǎng)噴混結合，周邊巖體采用高壓灌漿(2-3MPa)結合Φ25錨桿加固，溶洞局部空腔回填素混凝土處理[1]。

典型工程實例二，新鍋瓦隧道樁號180+638-651段，底板部位存在1-7m深規(guī)模不等的溶洞，填充物主要以淤泥為主。處理措施：對隧洞底板1.5m以下部位采用碎石回填處理，超過1.5m深度的充填物采用回填灌漿處理[2]。

1.3 處理措施優(yōu)缺點分析

在處理小規(guī)模溶洞時，主要來考慮以回填為主，減少對開挖的影響，回填材料可根據(jù)實際情況而定。此種方法工藝簡單，造價低等優(yōu)點。

2 中等規(guī)模溶洞

2.1 中等規(guī)模無充填型溶洞

2.1.1 溶洞特性描述

此類溶洞，較小規(guī)模溶洞大些，兩倍到三倍洞徑左右，一般洞內無水。在空間發(fā)育情況不固定，呈網(wǎng)格、樹狀等分布?？赡艹霈F(xiàn)在隧洞邊墻、頂拱、底板等部位。

2.1.2 建議處理措施及典型工程實例

處理此類溶洞，應根據(jù)溶洞出現(xiàn)的位置不同采用不同的方法處理。在前期開挖時頂拱、邊墻部位可加密鋼拱架、及時掛網(wǎng)噴混封閉，必要時增加鋼板防護。后期處理時頂拱部位可采用與襯砌同標號的素混凝土分層回填，回填厚度≥2m；邊墻部位回填時可視溶洞實際大小來選擇回填材料，可用混凝土直接回填，兩倍洞徑以內的可采用漿砌石回填。大些溶洞可采先用石渣回填，然后修筑漿砌石擋墻封堵處理。

典型工程實例一，丹達河水電站導流洞樁號D0+046.8-D0+051溶洞段，沿隧洞軸線方向長約10-11m，頂部夾雜塌落巖塊[3]。處理措施：開挖階段，對拱部空腔加工小型鋼格架進行支撐，然后掛網(wǎng)噴射混凝土進行封閉。對邊墻(起拱線以下)空腔采用干砌片、塊石填塞密實。

典型工程實例二，天生橋二級水電站3號引水隧洞樁號8+280-8+350典型溶洞段，巖溶沿斷層、裂隙溶蝕發(fā)展成溶洞、溶縫[4]。處理措施：對溶洞口打錨桿噴混封閉，然后用混凝土回填溶洞，頂拱部回填混凝土厚度達1-2倍洞徑。

2.1.3 處理措施優(yōu)缺點分析

采用強支護結合回填的方案，處理無填充型溶洞，具有安全、有效等優(yōu)點。缺點：需要在前期做一定量的勘探工作，能準確判斷溶洞充填情況。

2.2 中等規(guī)模充填型溶洞

2.2.1 溶洞特性描述

此種溶洞規(guī)模同上，洞內填充物較多些，一般以黏土、淤泥夾雜碎石居多且含水量大，溶洞口巖石較破碎等特點。

2.2.2 建議處理措施及典型工程實例

對于充填物較多的溶洞，由于充填物含水率高，穩(wěn)定性差。對于出現(xiàn)在頂拱部位的溶洞，可采用加強支護并結合壓力灌漿等方法加固溶洞破碎巖體或填充物；對于底板部位的溶洞，視實際情況，對填充物進行部分清除，然后利用混凝土或者石渣進行回填必要時結合固結灌漿處理。

典型工程實例一，南水北調釜山隧洞施工中，左洞樁號394+525-394+540溶洞段。處理措施：對隧洞底板以下溶洞部位，回填石塊至底板30cm以下，底板內預留灌漿管灌漿[5]。

典型工程實例二，清水塘隧洞溶洞群樁號D71+486-D71+596，隧洞頂拱部位出現(xiàn)溶洞夾雜淤泥等。處理措施：采取超前導管注漿加固充填物質強度，灌漿完成之后再進行斷面開挖[6]。

2.2.3 處理措施優(yōu)缺點分析

利用超前灌漿加固充填物，底板部位回填石塊然后注入水泥灌漿密實，工期短，效果明顯。缺點：由于溶洞形狀不規(guī)則，塊石填充可能受限。

3 大規(guī)模溶洞

3.1 大規(guī)模充填型溶洞

3.1.1 溶洞特性描述

大規(guī)模充填型溶洞，在深度、跨度上均較大，三倍洞徑以上，有的深度超過100m，溶洞口周邊巖石較破碎，洞內存在大量充填物，呈軟塑狀態(tài)多以黏土、淤泥為主夾雜大型孤石等，承載力較低且不均勻。溶洞一般與隧洞全面相交(隧洞掌子面全部位于溶洞空腔內或溶洞填充物內)居多，少量部分相交(隧洞掌子面一部分與溶洞相交)的情況。

3.1.2 建議處理措施及典型工程實例

隧洞施工中遇到大規(guī)模溶洞時，首先應探明溶洞的規(guī)模，結合填充物的性質，溶洞巖性、出現(xiàn)位置等，制定相應的處理措施。如：掌子面全斷面處在溶洞填充物內的，可對全掌子面進行固結灌漿，也可以沿隧洞開挖線以外1-2m范圍內進行灌漿，以達到加固充填物強度目的；若溶洞出現(xiàn)在邊墻等部位，可對開挖線以外3-5m范圍內填充物進行清除(有水出現(xiàn)時應先做止水灌漿)，然后修筑漿砌石擋墻或者混凝土封堵體；若掌子面處無充填物，隧洞底板以下部位存在填充物較深(超過10m)且沿隧洞軸線方向上跨度較大(超過10m)，此時可結合現(xiàn)場的填充物類型，溶洞形狀、周邊巖體等因素，綜合分析比較，選擇適當方案，如：大體積石渣回填、 “背管橋”方案(利用溶洞兩端堅硬巖體做承臺，修筑鋼筋混凝土梁，然后按澆筑明管方式澆筑隧洞混凝土)、樁基結合地梁方案、大直徑樁基結合基礎固結灌漿等。

典型工程實例一，貴陽市西郊水廠輸水隧洞第九標段溶洞段，隧洞開挖掌子面全部處于溶洞填充物內，沿隧洞軸線方向長度14m。填充物為黏土、碎石等呈軟塑-流塑狀態(tài)。處理措施：掌子面內在打入梅花型固結灌漿管灌漿，同時沿開挖線布置固結灌漿管，外插角度14°，保證開挖線以外至少1m以上固結的填充物作為反壓固結保護層[7]。

典型工程實例二，烏江洪家渡水電站洞式溢洪道樁號K0+674.2-K0+687.7m有規(guī)模不等的溶洞且充滿泥、砂等沉積物。處理措施：采用自鉆式中空預應力錨桿進行超前固結灌漿，在開挖線以外形成1-2m保護殼以達到加固充填物強度，隧洞順利通過溶洞[8]。

典型工程實例三，昆明市掌鳩河引水供水工程放耳戈隧洞段樁號D58+158，溶洞全斷面貫穿隧洞，溶洞橫跨長度8m，深度60m且直通地下暗河。處理措施：采用“背管橋”方案，在兩端堅硬巖石段修筑承臺，承臺上修筑鋼筋混凝土梁，然后在梁上用澆筑明管方式修建隧洞。施工時間僅20天就通過溶洞施工段[9]。

典型工程實例四，天生橋二級水電站2號引水隧洞樁號2+837-2+927段，溶洞與隧洞全斷面相交，填充物為黃色泥夾石及黑色淤泥為主，沿隧洞軸線方向長度40m，底板以下深度55.88m，上部直通山頂。處理措施：采用樁基結合地梁,底板下高壓旋噴灌漿。成功處理溶洞段[10]。

3.1.3 處理措施優(yōu)缺點分析

大規(guī)模溶洞可采用全斷面灌漿方案、開挖線周圍灌漿方案、樁基方案、地梁方案、背管橋方案或者兩種以上的方案，在提高填充物承載力同時也滿足了現(xiàn)場開挖及隧洞永久工程質量要求。缺點，由于此類溶洞規(guī)模較大，采用單一的施工方案有時候達不到理想效果，處理方案復雜，工期較長，造價高，后期也需要輔助一定的監(jiān)測設備進行隧洞穩(wěn)定監(jiān)測。

3.2 大規(guī)模充填過水型溶洞

3.2.1 溶洞特性描述

此類溶洞規(guī)模同上，不同的是溶洞內填充物含水量較大，承載力更低，對隧洞的危害更大。

3.2.2 建議處理措施及典型工程實例

此類溶洞在處理時需要考慮，既要增加充填物承載力又要考慮止水問題，可盡量采用地梁、拱橋形式跨過溶洞段。

典型工程實例一，天生橋二級水電站3號引水隧洞樁號2+040溶洞段，沿隧洞軸線跨度約40m，底板以下深度約61.1-77m，填充物為可塑性黏土夾雜碎石，地下水活躍。處理措施：根據(jù)現(xiàn)場條件，利用上下游巖石段修建拱座，然后修建拱橋，橋體凈跨62m，矢跨8m，然后上部采用明管修建隧洞[4]，成功的通過溶洞段。

3.2.3 處理措施優(yōu)缺點分析

采用拱橋、地梁方式，有效的避免了隧洞底板與溶洞填充物接觸，在承載力和變形方面均能滿足設計要求。缺點：對溶洞周邊(沿隧洞軸線方向)巖石完整性要求較高，且拱橋跨度不宜過大。

4 結 語

本文根據(jù)溶洞的規(guī)模大小及充填物性質進行了分類，對不同規(guī)模溶洞的建議處理措施如下：

1)小規(guī)模溶洞，在隧洞開挖過程中清除充填物后可采用加強支護通過，減少對開挖的影響，襯砌時可預留回填灌漿管，后期采用回填材料回填處理。

2)中等規(guī)模無充填物型溶洞，可采用加密拱架、掛網(wǎng)、噴混凝土封閉(預留灌漿管)、砌筑擋墻、增設封堵體等對溶洞進行封堵，結合實際情況回填素混凝土、石渣等材料。

3)中等規(guī)模有充填物型溶洞，在部分清除充填物后，可考慮注漿加固充填物或者石渣、灌漿結合等方案處理。

4)大規(guī)模充填物型溶洞，可考慮注漿加固充填物以提高承載力(全掌子面灌漿或沿開挖線周邊灌漿)、修筑擋墻(混凝土封堵體)等封堵溶洞、石渣回填替換、修建“背管橋”、樁基結合地梁、樁基結合基礎固結灌漿等。

5)大規(guī)模有充填過水型溶洞，盡量采用地梁、拱橋等方式跨過溶洞充填物，能有效的解決充填物承載力低、灌漿效果差的問題。

溶洞的處理方案不是唯一的，在充分了解溶洞規(guī)模、巖石條件、填充物性質的前題下，結合隧洞工期，經濟指標，保證安全情況下，提出適合現(xiàn)場施工和滿足工程永久安全的處理措施。

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1007-7596(2017)04-0117-03

2017-03-12

孫志明(1981-)，男，遼寧沈陽人，工程師，從事水利設計工作；孫近福(1989-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，助理工程師，從事水利工程管理、水文觀測及水庫調度工作。

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