隧道高位穿越巨型溶洞處置及防護(hù)方案研究

陳啟輝郭畢鈞王軍孫亞飛于明洋

(1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院山東濟(jì)南250101；2.中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司山東濟(jì)南250101)

0 引言

我國(guó)巖溶地貌分布十分廣闊，西南地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，按照一般標(biāo)準(zhǔn)[1]，巖溶規(guī)模＞1 000 m3的溶洞為特大型溶洞(即巨型溶洞)。近年來(lái)隨著交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，隧道頻繁遭遇穿越巨型溶洞的情況。巨型溶洞巖溶地質(zhì)情況復(fù)雜，嚴(yán)重影響隧道工程的開(kāi)展，其施工處置過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)主要包括:(1)巨型溶洞體量巨大；(2)隧道穿越長(zhǎng)度大或懸空高度大；(3)巨型溶洞形態(tài)特征差異大，洞壁及洞頂各區(qū)域穩(wěn)定性不同，潛在的落石坍塌風(fēng)險(xiǎn)高；(4)巨型溶洞巖溶水的疏、排問(wèn)題，洞內(nèi)高壓富水問(wèn)題難以解決；(5)巨型溶洞原有充填物承載力不足或者回填、換填后的填體過(guò)厚，路基(橋基)沉降難以控制；(6)巨型溶洞頂板過(guò)高，洞內(nèi)條件復(fù)雜，安全防護(hù)措施難以操作等。

目前，國(guó)內(nèi)已有不少隧道穿越巨型溶洞的處置案例，薛斌等[2]介紹了宜萬(wàn)鐵路對(duì)巖溶的規(guī)?；幚泶胧?，其中包括數(shù)個(gè)巨型溶腔；龍麟宮隧道施工過(guò)程中揭示并處置了2處巨型溶洞[3-4]；野三關(guān)隧道[5]、齊岳山隧道[6]則分別遭遇了富水巨型溶腔等。但隧道高位穿越巨型溶洞處置仍缺少系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)參照，比選方案往往不夠充足，易出現(xiàn)處置不周的情況；在隧道穿越巨型溶洞安全防護(hù)方面也少有成型的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，致使安全防護(hù)難以做到貫穿溶洞施工的各個(gè)階段，防護(hù)措施難以做到臨時(shí)防護(hù)與永久防護(hù)相結(jié)合。為更好地解決這一難題，文章以黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞處置為依托，系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)隧道工程穿越巨型溶洞的施工處置方案及施工安全防護(hù)方案，通過(guò)大量的比選和分析，提出了相應(yīng)的處置方法及防護(hù)措施，可為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

黔張常鐵路高山隧道位于湖北恩施州來(lái)鳳縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)為3 958 m、最大埋深為365 m，其橫穿國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的喀斯特地貌溶洞群，是全線(xiàn)一級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道和重難點(diǎn)控制性工程。高山隧道于平導(dǎo)DIK53+678處揭示一巨型溶洞，據(jù)勘探結(jié)果顯示:溶洞處于灰?guī)r夾頁(yè)巖地層中，由主溶洞、廳堂狀廊道及2個(gè)伴生支洞構(gòu)成，如圖1所示。其中，主溶洞長(zhǎng)約為450 m、寬為7～45 m、高為5～46 m。底部堆積體中間高、兩端低，且發(fā)育有3處坑陷，南側(cè)呈N70°E方向發(fā)育2號(hào)支洞。廳堂狀廊道長(zhǎng)約為124 m、寬為32～63 m、高為46～65 m，溶洞頂部呈天然吊頂狀，凈空較大，寬達(dá)40 m，底部堆積體由1號(hào)支洞口向主溶洞呈13°下坡發(fā)展。

圖1 巨型溶洞分布圖

隧道正洞穿越廳堂狀廊道長(zhǎng)度約為71 m，與溶洞走向約呈42°夾角，隧道底板以上空腔高為12～16 m，隧道底板以下空腔深為30～55 m，洞底塌落塊石及堆積物厚為37～66 m。溶洞發(fā)育規(guī)模巨大，隧道穿越距離長(zhǎng)、高度大，溶洞施工處置難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

揭示溶洞后，為保證工程進(jìn)度，采用平導(dǎo)繞行施工。繞行段中線(xiàn)與線(xiàn)路左線(xiàn)的線(xiàn)間距為85 m，繞行長(zhǎng)度為438 m。為方便進(jìn)入溶洞內(nèi)進(jìn)一步勘測(cè)及施工，設(shè)置一座長(zhǎng)為295 m的施工支洞連接平導(dǎo)(758 m高程)至溶洞底面(730 m高程)。同時(shí)，對(duì)溶洞進(jìn)行了人工踏勘、無(wú)人機(jī)探測(cè)、三維激光掃描測(cè)繪與監(jiān)測(cè)、危巖體裂縫監(jiān)測(cè)、爆破振動(dòng)測(cè)試、鉆探及物探等一系列勘察研究[7]，為制定溶洞處置方案提供了系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料。

2 隧道穿越巨型溶洞施工處置方案研究

2.1 施工處置方案分類(lèi)

因施工條件存在差異，隧道穿越巨型溶洞施工處置方法也有所不同。為保證隧道順利穿越巨型溶洞，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)數(shù)十個(gè)巨型溶洞處置實(shí)例進(jìn)行了分類(lèi)，并對(duì)11個(gè)典型溶洞處置方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

2.1.1 巨型溶洞處置方案分類(lèi)

目前國(guó)內(nèi)隧道穿越巨型溶洞處置方案主要分為:改線(xiàn)避繞、路基處理、橋梁(承臺(tái))跨越等，還有些富水溶腔需要對(duì)巖溶水做特殊處理，具體見(jiàn)表1。

表1 巨型溶洞處置方法表

一般來(lái)說(shuō)，隧道懸空高度及長(zhǎng)度很大、溶洞周壁非常不穩(wěn)定、地下水活動(dòng)強(qiáng)烈或者溶洞處置起來(lái)花費(fèi)巨大、工期很長(zhǎng)的情況，可以考慮采用改線(xiàn)避繞的方式；溶洞發(fā)育在線(xiàn)路以下深度較大且縱橫向發(fā)育規(guī)模較大的情況，可以考慮采用填筑的方式；洞內(nèi)水量較大、洞內(nèi)充填物承載力較好、隧道與溶洞交界面穩(wěn)定的情況，可以考慮采用橋梁或托梁跨越的方式；線(xiàn)路下方溶腔高度不大、充填物承載力較低的情況，可以考慮復(fù)合地基加固的方式。

2.1.2 典型處置方案分析

基于以上處置方法，進(jìn)一步對(duì)國(guó)內(nèi)隧道穿越巨型溶洞處置方案展開(kāi)調(diào)研，結(jié)合溶洞形態(tài)特征、隧道與溶洞的空間位置關(guān)系等對(duì)巨型溶洞施工處置方案進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)與評(píng)價(jià)，具體見(jiàn)表2。

表2 類(lèi)似溶洞處理方案表

續(xù)表2

上述溶洞均取得了較好的治理效果，但也不可避免的產(chǎn)生了一些問(wèn)題。而對(duì)于類(lèi)似高山隧道巨型無(wú)水溶洞的處置，有多種方案可供借鑒，關(guān)鍵是要加強(qiáng)對(duì)不利因素的控制，保障施工及工后運(yùn)營(yíng)質(zhì)量。從表2可以看出，若溶洞采用改線(xiàn)方案，應(yīng)重點(diǎn)考慮線(xiàn)路平縱指標(biāo)變化及廢棄已建工程等問(wèn)題；若采用路基處理方案，應(yīng)重點(diǎn)考慮回填方式及路基沉降控制等問(wèn)題；若采用橋跨方案，則應(yīng)重點(diǎn)考慮洞內(nèi)施工難度及安全防護(hù)施工等問(wèn)題。

2.2 高山隧道巨型溶洞處置方案研究

依托既有工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合高山隧道工程的特點(diǎn)，對(duì)高山隧道巨型溶洞提出了改線(xiàn)避繞、回填處理和橋跨處理等3大類(lèi)共11個(gè)研究方案，具體見(jiàn)表3。其中，洞砟回填+上部注漿、級(jí)配碎石回填+下部注漿、級(jí)配碎石與混凝土板回填+下部注漿及大體積空心混凝土回填+下部注漿等4種回填方案如圖2～5所示。依據(jù)回填方式的不同，進(jìn)一步對(duì)4種回填方案進(jìn)行了對(duì)比分析，具體見(jiàn)表4，可以看出，回填方法優(yōu)點(diǎn)突出，可行性較高，更適合高山隧道巨型溶洞，但是也存在沉降超限的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，針對(duì)回填方法可能產(chǎn)生的沉降超限問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。

表3 高山隧道溶洞處理方案表

續(xù)表3

圖2 洞砟回填+上部注漿方案示意圖

圖3 級(jí)配碎石回填+下部注漿方案示意圖

圖4 級(jí)配碎石與混凝土板回填+下部注漿方案示意圖

圖5 大體積空心混凝土回填+下部注漿方案示意圖

表4 回填方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析表

通過(guò)從施工技術(shù)、施工安全和經(jīng)濟(jì)成本等方面的比較與分析，洞砟回填+上部注漿方案填料易取，施工安全方便，減沉效果良好，因此，高山隧道巨型溶洞處置最終選用該方案。

針對(duì)該方案存在的不足，制定了超厚回填體沉降監(jiān)測(cè)和明洞隧道健康監(jiān)測(cè)兩類(lèi)監(jiān)控措施[18]，前者包括回填體表層監(jiān)測(cè)、回填體及底部堆積體分層監(jiān)測(cè)、水平位移監(jiān)測(cè)、鋼筋混凝土路基板下脫空監(jiān)測(cè)和路基板內(nèi)力監(jiān)測(cè)，后者包括溶洞頂板壓力監(jiān)測(cè)、頂板錨桿錨固力監(jiān)測(cè)、明洞初支鋼架應(yīng)力監(jiān)測(cè)、明洞襯砌鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)，全面監(jiān)控工后運(yùn)營(yíng)安全。同時(shí)，為預(yù)防工后沉降超限分別采取了溶洞底部洞砟分層碾壓、鋼筋混凝土路基板上堆載預(yù)壓、路基板上預(yù)留沉降注漿孔、明洞結(jié)構(gòu)預(yù)留凈空等多項(xiàng)控制措施[19]，并提出了路基板沉降自調(diào)整技術(shù)，以保障工后沉降滿(mǎn)足使用要求。

3 巨型溶洞施工安全防護(hù)方案研究

由于巨型溶洞發(fā)育的不規(guī)則性，周壁的不穩(wěn)定性，隧道穿越溶洞段一般是施工的高危區(qū)段，其主要風(fēng)險(xiǎn)源是溶腔頂部及周壁的危巖落石。施工安全防護(hù)技術(shù)是隧道穿越巨型溶洞處置的基本保障，但是目前國(guó)內(nèi)少有成熟的經(jīng)驗(yàn)體系。為有效保障高山隧道巨型溶洞施工安全，對(duì)國(guó)內(nèi)巨型溶洞安全防護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，并結(jié)合溶洞特性，提出了高山隧道巨型溶洞施工安全防護(hù)方案。

3.1 施工安全防護(hù)階段

(1)溶洞揭示階段 通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)的勘察作業(yè)及地質(zhì)綜合超前預(yù)報(bào)鎖定巨型溶洞開(kāi)挖側(cè)界面，爆破揭示時(shí)，需在爆破前采取安全防護(hù)措施，防止隧底坍塌造成機(jī)械設(shè)備及人員墜落。

(2)溶洞大廳勘測(cè)及底部整治階段 溶洞揭示后，經(jīng)觀(guān)察確認(rèn)溶腔頂部及溶洞周壁基本穩(wěn)定，人員在進(jìn)入溶洞勘察作業(yè)及溶洞底部整治時(shí)，需施作必要的安全防護(hù)措施，防止落石對(duì)人員設(shè)備造成傷害。

(3)溶腔施工處置及運(yùn)營(yíng)階段 巨型溶洞處置方案應(yīng)包含與之配套的安全防護(hù)措施。根據(jù)巨型溶洞自身形態(tài)、穩(wěn)定性及其與隧道之間的空間位置關(guān)系，確定溶洞頂板及側(cè)壁的加固范圍及加固方法，或?qū)⑺淼澜Y(jié)構(gòu)隔離風(fēng)險(xiǎn)源，以保障隧道施工、運(yùn)營(yíng)安全。

3.2 施工安全防護(hù)方案分類(lèi)

巨型溶洞施工安全防護(hù)方案主要分為臨時(shí)防護(hù)和永久防護(hù)，具體見(jiàn)表5。其中臨時(shí)防護(hù)以抵抗勘察、施工時(shí)落石沖擊荷載為主要目的，永久防護(hù)則以維護(hù)溶洞周壁穩(wěn)定及隧道結(jié)構(gòu)安全為基本原則。

表5 巨型溶洞安全防護(hù)方案對(duì)比表

由表5可以看出，巨型溶洞安全防護(hù)采用“永臨結(jié)合”的方式，既可以維護(hù)勘察、施工安全，又能為隧道運(yùn)營(yíng)提供基本的安全保障。因此，高山隧道巨型溶洞施工安全防護(hù)方案以“永臨結(jié)合”為原則。

3.3 高山隧道巨型溶洞施工安全防護(hù)方案

通過(guò)總結(jié)巨型溶洞施工安全防護(hù)既有經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際，高山隧道巨型溶洞采取以下安全防護(hù)方案:

(1)首先對(duì)周壁表面危巖進(jìn)行清理，通過(guò)一段時(shí)間穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)確保溶洞安全后，人員設(shè)備再進(jìn)入溶洞進(jìn)行鉆探勘察及底部整治。

(2)勘察及臨時(shí)施工采用一種鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚架，棚架結(jié)構(gòu)主要由等腰三角形屋架(Ⅰ20a)、屋架上方檁條(Ⅰ20a)、檁條上方鋼板(厚度為5 mm)和鋼板外側(cè)廢舊輪胎(雙層)組成，屋架頂部設(shè)置聯(lián)系橫梁，腰邊中部設(shè)置可拆卸支撐鋼管，如圖6所示。棚架設(shè)計(jì)以落石沖擊力荷載計(jì)算為基礎(chǔ)，采用PKPM校核棚架抗沖擊性能，可抵抗相當(dāng)于0.7 t落石自50 m高度掉落的沖擊荷載。

圖6 臨時(shí)防護(hù)棚架示意圖/mm

(3)以錨網(wǎng)噴防護(hù)為永久防護(hù) 對(duì)正洞中心線(xiàn)兩側(cè)各20 m、高程＞758 m、里程DIK53+634～721范圍內(nèi)的洞頂及洞壁采用錨網(wǎng)索進(jìn)行防護(hù)。側(cè)壁采用Φ22 mm砂漿錨桿+噴層+鋼筋網(wǎng)片+局部主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的方式防護(hù)。洞頂采用漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿+噴層+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)片防護(hù)的方式防護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道穿越巨型溶洞處置是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，處置方法主要包括改線(xiàn)避繞、路基處理和橋梁(承臺(tái))跨越。處置方案的制定，既應(yīng)考慮溶洞發(fā)育特性及其與隧道的空間位置關(guān)系，又應(yīng)考慮施工難度及成本。同時(shí)，巨型溶洞施工防護(hù)應(yīng)貫穿溶洞勘察、施工及工后運(yùn)營(yíng)的整個(gè)階段，采用“永臨結(jié)合”的防護(hù)形式，確保溶洞施工安全。高山隧道巨型溶洞采用洞砟回填+上部注漿的處置方案和以“永臨結(jié)合”為原則的防護(hù)方案，目前隧道溶洞段已安全施工完畢，經(jīng)監(jiān)測(cè)路基未發(fā)生沉降超限情況，處置及防護(hù)方案合理有效。