齊岳山隧道大型溶洞處治技術(shù)

馮 升，李國豪

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；2.湖北省恩施土家族苗族自治州交通運(yùn)輸局，湖北 恩施 445000）

0 引言

在巖溶發(fā)育區(qū)的隧道建設(shè)過程中, 經(jīng)常遇到規(guī)模迥異、充填情況不一的溶洞，給施工造成極大困擾。曾永軍結(jié)合黔中水利工程總干渠C1 標(biāo)隧洞遇到的不同類型溶洞，給出了小斷面隧洞的溶洞處治措施[1]。謝素潔以貴州省某鐵路隧道為例，對填充型溶洞處理原則、處理方案進(jìn)行了介紹，并對溶洞處理關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)[2]。王章瓊等人運(yùn)用數(shù)值模擬方法, 對湖北恩施太坪隧道特大干溶洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，結(jié)合溶洞演化趨勢提出初步處治建議[3]。利萬高速公路所在區(qū)域?qū)儆趲r溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，其控制性工程齊岳山隧道為典型的巖溶隧道，本文針對隧道施工過程中遇到的大型溶洞，對其處治技術(shù)進(jìn)行介紹和總結(jié)。

1 工程概況

鄂西南齊岳山地區(qū)為碳酸鹽巖分布區(qū)，巖溶和巖溶地貌十分發(fā)育，巖溶地下水也極為豐富。齊岳山隧道橫穿齊岳山山脈，是利萬高速公路謀道連接線上的一條長隧道，設(shè)計為單洞雙向兩車道隧道，設(shè)計速度60 km/h，隧道全長2 960 m，最大埋深347 m。隧道進(jìn)口位于右偏圓曲線上，半徑R=350 m，洞身和出口位于直線段，縱面線型為1.5%單向上坡。

1.1 地形地貌

隧道區(qū)屬構(gòu)造溶蝕- 剝蝕中山地貌。隧道橫穿山脊，地表高程1 260～1 660 m，地形整體呈波狀起伏。隧道進(jìn)洞口所在斜坡坡角為40°，坡向?yàn)?16°；隧道進(jìn)洞口所在斜坡坡角為25°，坡向?yàn)?90°。隧道區(qū)自然斜坡坡角一般20°～40°，溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等巖溶地貌發(fā)育。

1.2 工程地質(zhì)

隧址區(qū)屬于川鄂湘黔隆褶帶之北西緣和四川沉降褶帶之川東褶帶的部分，構(gòu)造形式以褶皺變形為主，本隧道穿越齊岳山背斜。齊岳山背斜具兩翼不對稱，巖性以灰?guī)r為主，間夾有頁巖及煤層，背斜南東翼產(chǎn)狀為115°∠70°、北西翼產(chǎn)狀約32°∠60°。背斜核部出露地層為長興組中厚層狀灰?guī)r，且兩翼在背斜核部以斷層接觸，系巖溶極發(fā)育地段。

根據(jù)地面調(diào)繪及物探、鉆探等勘察手段，隧址區(qū)表層局部覆蓋有第四系殘坡積粉質(zhì)黏土（Qhdl+el），下伏基巖為二疊系灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r（夾煤層及頁巖）和三疊系灰?guī)r（局部夾薄層頁巖）。

1.3 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，地下水極發(fā)育，以巖溶水為主，多儲存于巖溶管道內(nèi)。地下水主要靠大氣降雨補(bǔ)給，通過地表巖溶洼地和落水洞進(jìn)入到巖溶含水層中，通過溶蝕裂隙和管道徑流，最終以巖溶泉（暗河）形式排泄。

根據(jù)隧道圍巖賦水性的強(qiáng)弱可將含水巖組劃分為極強(qiáng)巖溶含水層、強(qiáng)巖溶含水層、中等巖溶含水層、弱巖溶含水層和相對隔水層。其中三疊系嘉陵江組為極強(qiáng)巖溶含水層，三疊系大冶組為強(qiáng)巖溶含水層，二疊系長興組為中等巖溶含水層，二疊系茅口組為弱巖溶含水層，二疊系吳家坪組和三疊系大冶組第一段頁巖為相對隔水層。

通過對收集地下水樣品進(jìn)行分析，灰?guī)r中巖溶水化學(xué)類型為HCO3-Ca 型，對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

2 揭露溶洞情況

2.1 發(fā)育規(guī)模

隧道出口施工掘進(jìn)至K3+255 時，線路右側(cè)距路面設(shè)計高5 m 處揭露特大溶洞入口，溶洞起點(diǎn)位于K3+267.5 處，大致走向由線路左側(cè)斜向小里程右下方延伸。洞底為平臺、斜坡交錯，總體呈臺階狀，洞底平臺段表觀為黃泥含鈣質(zhì)，具一定承載力，其底部為土夾石松散體，采用鑿巖機(jī)向下鉆探5 m 未見巖石。洞底斜坡段表觀為泥夾石含鈣質(zhì)，具一定承載力，孔洞較多，洞內(nèi)滲水，地表無明顯積水，下雨時水量較大，會對隧道形成影響。洞壁表觀為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，破碎或極破碎，巖層分層為10～30 cm，頂部小型溶腔較多。主溶洞現(xiàn)場勘察約500 m 未見盡頭，最寬處達(dá)21 m，最窄處3.3 m，最高處約26 m，對隧道形成直接影響長度達(dá)65 mm（K3+210—K3+275）。

表1 溶洞實(shí)測數(shù)據(jù)表[4] m

2.2 充填性質(zhì)

齊岳山大型溶洞呈半充填狀態(tài)，溶洞底部堆積大量巖土松散物。 松散物潮濕，多為粉質(zhì)黏土，夾含大量風(fēng)化巖塊，充填物可塑狀，局部軟塑狀，含水量25%～32%，經(jīng)動力觸探試驗(yàn)，基礎(chǔ)承載力為114～159 kPa。

為探明溶洞下部是否發(fā)育有隱伏溶洞，掌握溶洞底部堆積物準(zhǔn)確厚度，對溶洞底部進(jìn)行了布孔鉆探，鉆探結(jié)果表明溶洞底部堆積物厚度3.4～12.5 m不等，下伏基巖，無隱伏溶洞，滿足隧道底板最小厚度要求[5]。

表2 溶洞內(nèi)鉆孔記錄表

2.3 和隧道空間關(guān)系

根據(jù)溶洞實(shí)際情況、測量成果和地質(zhì)鉆探資料，齊岳山隧道出口端大型溶洞和隧道的空間關(guān)系主要表現(xiàn)為3 種形式。

圖1 溶洞和隧道空間關(guān)系示意圖

a）K3+272—K3+255 第一段 溶洞位于隧道左側(cè)，隧道呈半埋半露狀態(tài)。溶洞頂部為空腔，通過塌陷洞和地表聯(lián)通；溶洞底部為洞頂塌落物形成的松散堆積體，堆積體厚度3～10 m 不等，表層覆蓋黃土，有過水痕跡。隧道左側(cè)拱腳落于堆積體上，須進(jìn)行加固處理。

b）K3+255—K3+235 第二段 此段為溶洞和隧道斜交段落，溶洞主要影響隧道左側(cè)和頂部，隧道左側(cè)完全裸露，底部落于堆積體上。溶洞左側(cè)頂部為空腔，右側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育；溶洞底部為松散堆積體，鉆探7.4 m 至12.5 m 見基巖，表層覆蓋黃土，有季節(jié)性水流從左至右的過水通道。此段隧道左側(cè)襯砌裸露，左側(cè)拱腳落于堆積體上，頂部及右側(cè)開挖時極易造成嚴(yán)重塌方。

c）K3+235—K3+210 第三段 共揭露兩處溶洞，分別位于隧道頂部和右下側(cè)，外露巖體為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎，溶洞底部為松散堆積體，厚度8～12 m 不等，局部為黏土夾石，承載力不足。隧道左側(cè)頂部和右下側(cè)為溶洞空腔，導(dǎo)致小部分襯砌外露，右側(cè)拱腳懸空。

2.4 地下水特征

齊岳山隧道分布于地下水的補(bǔ)給區(qū)，溶洞內(nèi)無承壓水體存在，附近沒有大型水庫、河流等地表水體，溶洞在常水季節(jié)基本上為干溶洞，僅見溶洞壁滴水，局部裂隙中有小股水流滲出。溶洞底部充填物厚度較大，含有孔隙潛水，但富水性差，其中K3+235—K3+210 段溶洞底部可見由左至右的過水通道，雨季水量大。

2.5 穩(wěn)定性評價

為保證施工期溶洞內(nèi)作業(yè)人員機(jī)具安全和運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)安全，需對溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行評價，便于采取對應(yīng)的工程措施。

a）上方洞壁穩(wěn)定性 溶洞洞頂呈穹窿狀，沿裂隙發(fā)育少量鐘乳石，高出溶洞底板7～20 m，溶洞頂板與山體表面垂直距離較小，最薄處約30 m。圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，薄層狀，層厚10～30 cm，分層明顯且層間夾泥，完整性較差。整體而言，溶洞上方洞壁在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，受施工擾動宜發(fā)生掉塊、小型崩塌，特別是隧道拱頂正上方，擴(kuò)挖時極易造成嚴(yán)重塌方。

b）側(cè)方洞壁穩(wěn)定性 溶洞側(cè)壁光滑，表面覆蓋鈣質(zhì)結(jié)晶體，巖石裂隙和層間有水滲出，側(cè)壁距隧道距離約0～20 m。圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，薄層狀，層厚10～30 cm，分層明顯且層間夾泥，完整性較差。綜合判斷溶洞側(cè)方洞壁在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，受施工擾動宜發(fā)生掉塊、小型崩塌，但由于距離隧道較遠(yuǎn)，對隧道影響有限。

圖2 溶洞現(xiàn)場實(shí)拍照片

c）底板穩(wěn)定性 齊岳山大型溶洞底部堆積大量巖土松散物，表層覆蓋黃色黏土，松散堆積體潮濕，多為粉質(zhì)黏土夾風(fēng)化灰?guī)r，充填物可塑狀，局部軟塑狀，含水量25%～32%，經(jīng)動力觸探試驗(yàn)，基礎(chǔ)承載力為114～159 kPa。經(jīng)過對溶洞底部鉆探表明，溶洞底部堆積物厚度3.4～12.5 m 不等，下伏為基巖，無隱伏溶洞。規(guī)范要求隧底持力層厚度不小于8 m，據(jù)此可判斷溶洞底板處于穩(wěn)定狀態(tài)，但承載力不足，需進(jìn)行基礎(chǔ)加固[5-6]。

3 處治方案

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和溶洞揭露后補(bǔ)充勘測資料，因地制宜采取工程技術(shù)措施分段對齊岳山大型溶洞進(jìn)行處治。

3.1 K3+272—K3+255段

此段需要解決的主要是隧道兩側(cè)墻圍巖抗力不對稱，隧道左側(cè)拱腳承載力不足，溶洞左側(cè)洞壁加固和塌陷洞處理等問題，采用如下處治方案。

a）對隧道洞身左側(cè)外溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導(dǎo)管注漿加固，漿液采用P.O42.5 水泥單液漿，通過注漿使松散堆積體形成類混凝土混合物，給隧道左側(cè)墻提供抗力。

b）左側(cè)拱腳增設(shè)鋼管樁與鋼筋混凝土梁作為鋼支撐及二襯基礎(chǔ)，鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管，管內(nèi)灌注C25 混凝土，鋼管嵌入基巖不小于1 m，端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。

c）對溶洞左側(cè)洞壁進(jìn)行掛網(wǎng)噴射混凝土防護(hù)，防止施工期間落石，采用φ8 鋼筋網(wǎng)，間距20×20 cm，噴射混凝土厚10 cm。

d）利用洞渣對坍塌洞地表區(qū)域進(jìn)行回填，四周設(shè)截水溝，坍塌洞底部采用C20 混凝土封堵。

e）二襯采用鋼筋混凝土，并將環(huán)向排水管加密。

圖3 K3+272—K3+255 段溶洞處治典型斷面圖

3.2 K3+255—K3+235段

和第一段相比，此段新增溶洞頂部不穩(wěn)定圍巖處理，隧道外露襯砌防護(hù)和過水通道處理等問題，對應(yīng)采用如下處治方案。

a）對隧道洞身左側(cè)溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導(dǎo)管注漿加固，漿液采用P.O42.5 水泥單液漿，松散體和襯砌間空缺回填C20 混凝土，給隧道左側(cè)墻提供抗力。

b）增設(shè)長管棚，每循環(huán)長8 m，縱向間距5 m，鋼管采用φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管，環(huán)向間距40 cm，鋼管內(nèi)通長增設(shè)3 根φ25 鋼筋籠。

c）對隧道洞頂溶腔壁破碎圍巖進(jìn)行注漿加固，采用φ25 中空注漿錨桿，掛φ8 鋼筋網(wǎng)，噴射10 cm厚混凝土。

d）襯砌外露區(qū)施做C25 鋼筋混凝土護(hù)拱，護(hù)拱厚度為1.5 m，護(hù)拱外層施做I18 鋼拱架兼做外模。

e）溶洞與隧道洞身相交區(qū)域過水通道設(shè)置雙道φ500 鋼筋混凝土管涵，長度40 m。

圖4 K3+255—K3+235 段溶洞處治典型斷面圖

3.3 K3+235—K3+210段

圖5 K3+235—K3+210 段溶洞處治典型斷面圖

此段在前兩段的基礎(chǔ)上新增拱頂溶洞處理，隧道右側(cè)小溶洞處理和隧道底板全面加固等問題，對應(yīng)采用如下處治方案。

a）拱頂溶洞采用C20 混凝土進(jìn)行回填，回填厚度2 m。

b）隧道右側(cè)小型溶腔采用C20 混凝土填充密實(shí)。

c）隧道兩側(cè)拱腳增設(shè)鋼管樁與混凝土梁，鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管，管內(nèi)灌注C25 混凝土，鋼管嵌入基巖不小于1 m，端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。

d）加強(qiáng)監(jiān)控量測，拱頂下沉數(shù)據(jù)完全收斂后再施做二襯。

4 結(jié)語

齊岳山隧道在建設(shè)期間安全完成大型溶洞段隧道施工，各項(xiàng)工程驗(yàn)收合格，運(yùn)營3 年來未發(fā)生水患、結(jié)構(gòu)破壞等不良影響，實(shí)踐證明采取的處治技術(shù)合理可行，現(xiàn)對技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)如下：

a）溶洞發(fā)育規(guī)模、充填性質(zhì)、與隧道空間關(guān)系、地下水特征和穩(wěn)定性評價可作為大型溶洞處治的主要依據(jù)。

b）溶洞穩(wěn)定性分析不局限于上方和側(cè)壁，底板穩(wěn)定性分析同樣重要，特別是下伏溶洞的探測，建議以鉆探為主。

c）受溶洞影響形成的隧道偏壓，臨空側(cè)宜采用大體積混凝土回填或注漿加固溶洞充填物，以期盡量提供對稱抗力。

d）修建在溶洞堆積體上的隧道，宜按明洞結(jié)構(gòu)充分考慮堆積體基礎(chǔ)承載力，采取適用的基底處治措施，避免不均勻沉降發(fā)生。

e）有過水需要的大型溶洞處治，宜按橋涵水文計算方法確定過水構(gòu)造物斷面大小，保證原過水通道的暢通。