特大型溶洞隧道綜合處治方案及施工技術(shù)

王少輝， 陳 兆， 蔣 沖， 隆海健， 劉 霖， 彭曉琳， 沙 策

(1.中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

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特大型溶洞隧道綜合處治方案及施工技術(shù)

王少輝1， 陳 兆2， 蔣 沖3,*， 隆海健1， 劉 霖3， 彭曉琳3， 沙 策3

(1.中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院， 湖南 長沙 410008；3.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

為解決巖溶地區(qū)公路隧道修建過程中特大型溶洞難跨越的問題，采用理論與現(xiàn)場相結(jié)合的方法，綜合考慮特大型溶洞的特點(diǎn)與處治難點(diǎn)，提出采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合處治結(jié)構(gòu)與洞渣回填綜合處治的方案，在此基礎(chǔ)上建立一套以回填為基礎(chǔ)、自下而上交叉施工處治結(jié)構(gòu)的施工方法，并提出洞渣回填、承載樁基、縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)場施工實(shí)踐證明，該溶洞處治效果良好，能保證隧道施工安全與結(jié)構(gòu)安全。

那丘隧道；特大型溶洞；承載樁基；縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土擋墻；洞渣回填

0 引言

我國巖溶地區(qū)分布面積十分廣闊，且主要集中在西南地區(qū)。隨著西南地區(qū)公路建設(shè)步伐的加快，隧道修建過程中遇到特大型溶洞的情況會越來越多，由于溶洞本身的復(fù)雜性、差異性以及高風(fēng)險(xiǎn)性，在特大型溶洞地區(qū)修建隧道將面臨復(fù)雜的處治問題[1-4]。

溶洞規(guī)模大小、空間分布與填充狀態(tài)的不同，不僅影響著隧道施工安全與工后穩(wěn)定性，同時也在一定程度上限制了相關(guān)處治技術(shù)的選擇[5-8]。研究表明，當(dāng)溶洞集中分布在隧道結(jié)構(gòu)下方時，溶洞處治難度較大，通常采用溶腔回填、填充物換填+注漿、搭橋方案以及各類樁基支撐等方式進(jìn)行處理。例如：文獻(xiàn)[9-10]針對新大巴山大型填充溶洞，采用注漿加固、旋噴樁及鋼管樁等措施處理；文獻(xiàn)[11]針對巖灣隧道特大型溶洞，采用洞渣回填、橋跨及拱形防護(hù)等處治措施進(jìn)行處理；文獻(xiàn)[12]結(jié)合某隧道填充性溶洞，采用高壓旋噴樁對軟地基加固處理；文獻(xiàn)[13-14]結(jié)合龍?zhí)疗剿淼捞卮笮腿芏矗瑢λ淼捞畛湮镞M(jìn)行換填+注漿處理；文獻(xiàn)[15]針對白須公隧道特大型溶洞，采用樁基礎(chǔ)+支撐墻+橫向連系梁的處理方案。雖然以上常用溶洞處治技術(shù)在工程建設(shè)中取得了一定成效，但對于特大型溶洞，尤其是隧道底部及邊側(cè)存在大范圍臨空面且溶洞底板呈陡坡上升的特大型溶洞并不適用，而其處治技術(shù)目前相對缺乏。

本文以那丘隧道修建過程中揭露的特大型溶洞為研究對象，綜合考慮溶洞空腔輪廓與隧道穿越溶洞的位置，采用“承載樁基-縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)-鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)與空腔回填進(jìn)行綜合處治，從施工安全與工后結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的角度出發(fā)，對綜合處治結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

那丘隧道是湖南省永吉高速公路上的雙洞單向長隧道，左右線分別長2 875 m和2 860 m，線間距為 2.98～29.8 m。隧道處于地面起伏較大的巖溶中低山區(qū)，地面高程427.60～640.27 m，相對高差較大，約為212.67 m，區(qū)間隧道存在豎向巖溶塌陷與表層溶蝕溝槽等不良地質(zhì),工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。

勘測時于左線ZK14+350～+520段發(fā)現(xiàn)特大型溶洞，該溶洞在已揭露的溶洞中規(guī)模最大，從平面上看，隧道與溶洞走向基本一致，并從溶洞空腔中穿過(如圖1所示)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，洞內(nèi)地層結(jié)構(gòu)自下而上主要為奧陶系下統(tǒng)灰?guī)r、第四系之前形成的膠結(jié)層與第四系巖溶堆積黏土，灰?guī)r與膠結(jié)層巖質(zhì)良好、承載力高，溶洞底板上堆積的黏土較松散，承載力一般。該溶洞已停止發(fā)育，洞內(nèi)無明顯流水，地下水對隧道影響較小。

圖1 特大型溶洞平面示意圖Fig.1 Sketch of plan of super-large karst cave

2 特大型溶洞特點(diǎn)及處治難點(diǎn)

2.1 特大型溶洞特點(diǎn)

左線隧道穿越的特大型溶洞具有以下特點(diǎn)：1)該溶洞為無填充型溶洞，洞內(nèi)空腔橫向分布廣、縱向高差懸殊，整體偏向隧道結(jié)構(gòu)左下方；2)溶洞頂板輪廓不規(guī)則，大部分?jǐn)嗝嫒芏错敯迩秩胨淼垒喞€，部分?jǐn)嗝嫒芏错敯甯叱鏊淼理敳?～10 m；3)隧道周邊圍巖發(fā)育有裂隙且局部風(fēng)化，施工過程中可能存在掉塊的危險(xiǎn)；4)洞內(nèi)無明顯流水且潛在積水深度遠(yuǎn)低于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高，因而地下水對隧道影響較小。

隧道穿越特大型溶洞的縱斷面及橫斷面如圖2和圖3所示。

圖2 溶洞縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of karst cave

(a) ZK14+386斷面

(b) ZK14+390斷面

(c) ZK14+396斷面

(d) ZK14+414斷面

2.2 處治難點(diǎn)

左線隧道穿越的特大型溶洞是該工程處治的重點(diǎn)與難點(diǎn)。由于溶洞空腔分布范圍廣，實(shí)際施工時將面臨溶洞空腔處治難度大、施工作業(yè)受限、處治結(jié)構(gòu)影響大等技術(shù)難題，具體有：1)隧道結(jié)構(gòu)整體靠近溶洞頂板，其下方空腔較深，一定高程范圍內(nèi)大型施工機(jī)械無法進(jìn)場；2)隧道周邊臨空范圍大小不一，存在偏壓現(xiàn)象，洞身爆破開挖時易受到偏壓的影響，對圍巖產(chǎn)生擾動；3)隧道穿越大面積溶腔，采用一般橋梁方式處治溶洞空腔，不僅結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，施工范圍受限，同時還存在洞壁掉塊與坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，采用常規(guī)橋跨結(jié)構(gòu)處治，對溶洞和隧道的整體穩(wěn)定性影響較大。

3 特大型溶洞綜合處治方案

溶洞處治的目的在于確保上部隧道結(jié)構(gòu)順利建成。綜合考慮特大型溶洞特點(diǎn)及相關(guān)處治難題，采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)與洞渣回填綜合處治。

處治方案內(nèi)容為：采用洞渣回填為底部樁基結(jié)構(gòu)與上部處治結(jié)構(gòu)的施工提供相應(yīng)高度的作業(yè)面，樁基作為底部承載結(jié)構(gòu)設(shè)置于溶洞陡坡地層上；縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)設(shè)置在隧道仰拱底部，與下方嵌巖樁連接形成整體結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)置在隧道襯砌左側(cè)偏壓段，以支撐溶洞頂板；對于隧道襯砌右側(cè)小范圍的溶腔，可用C20混凝土泵送填滿。溶洞處治如圖4所示。

4 特大型溶洞處治技術(shù)

4.1 處治整體施工思路

由于隧道底部空腔較深，洞內(nèi)施工作業(yè)將受到一定限制。為保證施工安全與工后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用自下而上的順序施工，具體流程如下：

1)清除溶洞底板上堆積的黏土層，對陡坡地層進(jìn)行臺階開挖；

2)在開挖臺階上分別完成不同樁基的樁端嵌巖和擴(kuò)底處理，隨后交叉施工空腔回填與樁身護(hù)壁結(jié)構(gòu)，護(hù)壁施工過程中跟進(jìn)搭接樁身鋼筋籠，待樁基結(jié)構(gòu)與回填路面均達(dá)到設(shè)計(jì)高程后整體澆筑樁身混凝土；

3)施作縱橫框架梁與其兩側(cè)的鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)，并在縱橫框架梁上方澆筑鋼混凝土板結(jié)構(gòu)；

4)隧道開挖后，在鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)上施作鋼筋混凝土擋墻。

4.2 空腔回填

空腔回填前需對陡坡地層進(jìn)行人工臺階開挖，便于后續(xù)樁基在穩(wěn)定的平面上施工，同時也能降低后期回填體發(fā)生不均勻變形的潛在影響。

(a) 縱斷面

(b) ZK14+395橫斷面

溶洞空腔主要用隧道洞渣進(jìn)行回填，回填過程根據(jù)空腔高度分為人工回填與機(jī)械回填2種。

1)人工回填。在陡坡空腔范圍內(nèi)，以人工碼砌的方式從陡坡坡腳處順著陡坡臺階走向分段回填，最終填至陡坡坡頂高程位置。

2)機(jī)械回填。陡坡空腔填平后，現(xiàn)場具備機(jī)械作業(yè)條件，以機(jī)械回填的方式分層回填，每回填一層都要進(jìn)行整平和碾壓，以確保壓實(shí)度和壓實(shí)質(zhì)量。

4.3 樁基施工

溶洞陡坡樁基包括嵌巖樁與擴(kuò)底樁2種樁型，分別設(shè)置在隧道襯砌與鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)下方。樁基自下而上的施工過程以空腔回填為基礎(chǔ)，其過程分為樁端處理、護(hù)壁拼接、樁身混凝土整體澆筑3個主要步驟。

1)樁端處理。在已開挖的臺階上以人工開挖的方式分別對不同樁基的樁端進(jìn)行嵌巖和擴(kuò)底施工。嵌巖樁樁端分節(jié)開挖過程需跟進(jìn)施工護(hù)壁結(jié)構(gòu)，分節(jié)長度為1.0 m，要求嵌巖段入巖深度大于4.5 m。擴(kuò)底樁樁端剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)采用明挖法施工，在樁身結(jié)構(gòu)施工前需先完成基坑混凝土澆筑。

2)護(hù)壁拼接。為抵御回填體對樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻現(xiàn)象，在樁身周圍設(shè)置25 cm厚的鋼筋混凝土護(hù)壁結(jié)構(gòu)。樁身護(hù)壁結(jié)構(gòu)以1.0 m為施工進(jìn)尺與空腔洞渣分層回填、交叉施工，在樁身護(hù)壁分節(jié)拼接過程中需跟進(jìn)搭接樁身鋼筋籠，并要求鋼筋籠伸出樁頂1.9 m。

3)樁身混凝土整體澆筑。樁身護(hù)壁與樁身鋼筋籠施工至設(shè)計(jì)高程后，以跳躍式交錯的順序?qū)Σ煌瑯痘鶚渡砘炷吝M(jìn)行整體澆筑，強(qiáng)度等級為C30。

4.4 縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)施工

為避免不同區(qū)域回填體受陡坡效應(yīng)影響引起的回填地基不均勻沉降，在隧道仰拱與嵌巖樁之間設(shè)置縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)，底板結(jié)構(gòu)覆蓋于縱橫框架梁上方。

樁基成型后，方可進(jìn)行縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)的施工。

4.4.1 縱橫框架梁施工

考慮施工進(jìn)場順序及框架梁結(jié)構(gòu)空間位置，框架梁結(jié)構(gòu)施工要點(diǎn)概括如下。

1)先施工隧道兩側(cè)的C30鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)，然后以先縱梁后橫梁的順序施工縱橫框架梁結(jié)構(gòu)。

2)縱梁、橫梁內(nèi)部鋼筋需與樁頂伸出的鋼筋焊接牢固，確保縱橫框架梁結(jié)構(gòu)與樁基形成整體結(jié)構(gòu)。

3)隧道兩側(cè)鋼筋混凝土擋墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與縱梁澆筑完成后，需在擋墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與縱梁之間澆筑混凝土，形成整體結(jié)構(gòu)。

4)橫梁施工應(yīng)以先里后外的順序逆向施工，待所有橫梁施工成型后，根據(jù)混凝土灌注車的進(jìn)場方向順序，依次向空腔內(nèi)澆筑C15片石混凝土，完成整個縱橫框架梁結(jié)構(gòu)的施工。

5)框架梁結(jié)構(gòu)完成后，鋪30～50 cm厚的碎石，以防止隧道爆破掉落的特大塊碎石砸壞框架梁結(jié)構(gòu)。

4.4.2 鋼筋混凝土板施工

鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)厚30 cm，設(shè)置于隧道仰拱結(jié)構(gòu)下方，起著保護(hù)縱橫框架梁結(jié)構(gòu)的作用。隧道斷面爆破后，清除框架梁結(jié)構(gòu)上方鋪設(shè)的碎石，然后在縱橫框架梁結(jié)構(gòu)的上部分3節(jié)綁扎鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋，最后整體澆筑混凝土，形成板狀結(jié)構(gòu)。

4.5 鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)施工

隧道斷面爆破處理后，在已建擋墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上以1.0 m高度為一個循環(huán)進(jìn)尺由下往上逐層施工鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，施工時應(yīng)在最底層擋墻墻身預(yù)留出入門洞，方便施工人員進(jìn)入擋墻內(nèi)部完成上層擋墻結(jié)構(gòu)的鋼筋綁扎與模板安裝；然后，以泵送的方式澆筑鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)墻身混凝土。以此方式逐層循環(huán)作業(yè)，直至完成鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)的施工。

在鋼筋混凝土擋墻分層施工過程中，應(yīng)控制每層墻背坡率為1∶0.3，擋墻頂部需施工至能與溶洞頂板接觸的位置。對于溶洞頂板遠(yuǎn)高于隧道頂部的區(qū)域，鋼筋混凝土擋墻結(jié)構(gòu)應(yīng)施工至隧道拱頂高程位置。

5 處治效果

那丘隧道左線ZK14+350～+520段特大型溶洞采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)與洞渣回填的綜合處治方案，取得了良好的處治效果。自下而上的回填施工，不僅很好地解決了空腔內(nèi)處治結(jié)構(gòu)無施工作業(yè)面的難題，還提高了承載樁基的成樁效率與質(zhì)量，保證了回填地基的穩(wěn)定性。那丘隧道特大型溶洞綜合處治工序繁多，且存在交叉工程，經(jīng)過近5個月的合理施工，隧道結(jié)構(gòu)順利穿越近170 m長的特大型溶洞，將原定處治工期縮短約1個月，各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)滿足要求，證明了該綜合處治技術(shù)的合理性和可行性。

6 結(jié)論與討論

1)針對那丘隧道特大型溶洞的特點(diǎn)與相關(guān)處治難點(diǎn)情況，確立了“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)與空腔回填的綜合處治方案，解決了溶洞空腔地段隧道難以穿越的問題。

2)從控制回填地基沉降與維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度出發(fā)，建立了一種以回填為基礎(chǔ)、自下而上交叉施工處治結(jié)構(gòu)的施工方法，并提出洞渣回填、承載樁基、縱橫框架梁板結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土擋墻的關(guān)鍵施工技術(shù)。結(jié)合現(xiàn)場施工，驗(yàn)證了該套施工方案的合理性和可行性。

3)由于溶洞輪廓十分復(fù)雜，洞壁輪廓不規(guī)則區(qū)域的機(jī)械壓實(shí)度將難以保證，回填地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性將受到一定影響。如何完善機(jī)械回填壓實(shí)技術(shù)，將回填體壓實(shí)度和壓實(shí)質(zhì)量控制在合理范圍，將是今后進(jìn)一步研究的課題。

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Comprehensive Treatment Scheme and Construction Technologies for Super-large Karst Tunnel

WANG Shaohui1,CHEN Zhao2,JIANG Chong3,*,LONG Haijian1， LIU Lin3,PENG Xiaolin3,SHA Ce3

(1.No.1EngineeringCo.,Ltd.ofFHECofCCCC,Beijing102205,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Changsha410008,Hunan,China;3.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)

Super-large karst caves are encountered during construction of Naqiu Tunnel on Yongji Highway.As a result，a combination structure of bearing pile foundation + vertical and horizontal frame-beam-plate structure + reinforced concrete retaining wall and slag backfilling are adopted based on characteristics and treating difficulties of large karst cave and theoretical and site studies.And then a set of construction methods of alternate up-down construction of the structure on basis of slag backfilling is established.The construction practice shows that the technologies used are rational and feasible and good effect has been achieved.

Naqiu Tunnel; super-large karst cave; bearing pile foundation; vertical and horizontal frame-beam-plate structure; reinforced concrete retaining wall; slag backfilling

2017-03-13;

2017-05-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074178， 51678570)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201524)

王少輝(1982—)，男，河南洛陽人，2004年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，土木工程專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事公路工程研究工作。E-mail:740304035@qq.com。*通訊作者：蔣沖， E-mail:jiang4107@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.015

U 457

B

1672-741X(2017)06-0748-05