公路隧道充填型溶洞處治方案設(shè)計(jì)

張 超， 吳 華， 姜同虎

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

巖溶是公路隧道施工過程中常見的不良地質(zhì)問題之一。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)穿越巖溶區(qū)隧道的設(shè)計(jì)與施工開展了一系列研究。羅瓊[1]以新建渝懷鐵路圓梁山隧道施工實(shí)踐，總結(jié)了隧道巖溶及巖溶水的處理途徑和高壓富水巖溶隧道的施工技術(shù)。蔣樹屏等[2]從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、防排水技術(shù)、結(jié)構(gòu)處治技術(shù)以及通風(fēng)技術(shù)等4個(gè)方面對(duì)巖溶地質(zhì)特長隧道的關(guān)鍵技術(shù)問題及對(duì)策進(jìn)行了闡述。劉招偉等[3]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的研究方法，總結(jié)了隧道巖溶突水機(jī)制和防治對(duì)策。李術(shù)才等[4]系統(tǒng)總結(jié)了隧道建設(shè)過程中地質(zhì)缺陷超前勘探方法和高壓大流量巖溶裂隙水超前預(yù)報(bào)方法。薛俊峰[5]通過采取多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段探測(cè)巖溶發(fā)育規(guī)律，并針對(duì)性地給出了巖溶的有效處理措施。宋瑞剛等[6]從勘察設(shè)計(jì)角度總結(jié)了巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)地貌基本特征，并針對(duì)性地給出了巖溶區(qū)隧道設(shè)計(jì)要點(diǎn)和施工對(duì)策。鄢定媛等[7]以那丘隧道為對(duì)象，通過對(duì)橋梁、回填、改線等溶洞處治方案的比選分析為今后廊道廳堂式溶洞的處治提供了參考。孫柏林等[8]通過比較分析各種塌方處治的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了巖溶區(qū)隧道充填型溶洞塌方處治優(yōu)化方案。周超[9]針對(duì)徐州地鐵1號(hào)線施工遇到的巖溶問題，總結(jié)出了徐州地區(qū)巖溶發(fā)育特點(diǎn)及分布規(guī)律，研究出了適用于徐州灰?guī)r地區(qū)的巖溶處理方法。蔚立元等[10]綜合采用地震方法和電磁方法對(duì)陽靈隧道斷裂帶開展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究，并提出了用三臺(tái)階法和雙層鋼拱架支護(hù)通過巖溶影響段施工。

本文以獅子嶺隧道工程為對(duì)象，針對(duì)獅子嶺隧道穿越巖溶區(qū)過程中遇到的充填型溶洞問題，考慮該隧道工程地質(zhì)及水文情況，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，研究制定了充填型溶洞處治方案，為今后公路隧道充填型溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。

1 工程概況

獅子嶺隧道是在建的德州至上饒高速公路池州至祁門段的一座分離式長隧道。獅子嶺隧道右線起止樁號(hào)K37+629-K38+952，長1 326 m，最大埋深約254 m，左線起止樁號(hào)ZK37+590-ZK38+930，長1 340 m，最大埋深約253 m。隧址區(qū)地貌為皖南中低山區(qū)，地層巖性主要為強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r、全～中風(fēng)化砂巖。隧道進(jìn)洞口巖溶較發(fā)育，多為溶隙，溶隙寬5 cm，長2～2.5 cm，每米2～3條，溶洞直徑約1 m，洞深未知，大雨期間有水流出，圖1所示為獅子嶺隧道進(jìn)口溶洞照片。

圖1 獅子嶺隧道進(jìn)洞口溶洞照片

獅子嶺隧道右線K37+850-K38+330段穿越圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，巖性較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整。該段埋深為135～250 m，且隧道設(shè)計(jì)底板標(biāo)高為84.0～89.6 m，隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高位于該區(qū)域巖溶發(fā)育帶中，基巖裂隙水欠發(fā)育，雨季地下水可沿裂隙滲水滴水，圍巖穩(wěn)定性一般，屬Ⅲ級(jí)圍巖。原設(shè)計(jì)采用Ⅲ型襯砌，初期支護(hù)采用12 cm素C25早強(qiáng)混凝土，系統(tǒng)錨桿采用φ22早強(qiáng)砂漿錨桿(錨桿長2.5 m，間距@120×120 cm)，無超前支護(hù)，二次襯砌采用35 cm素C30混凝土，施工工法采用全斷面法。

2 溶洞揭露情況

2019年2月28日，獅子嶺隧道右線開挖至樁號(hào)K37+979位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)掌子面外側(cè)拱腰處揭露一溶洞，溶洞直接約0.5 m，隨著挖機(jī)不斷地排險(xiǎn)、敲擊，溶洞口呈擴(kuò)大趨勢(shì)，并有黃色軟泥出現(xiàn)，地下水呈股狀?yuàn)A帶軟泥涌出，如圖2所示。

圖2 2月28日溶洞揭露照片

3月2日，右線掘進(jìn)至樁號(hào)K37+980位置后，溶洞開口變大，長約8 m，高約5 m，前方可視深度約8 m，可見溶洞右側(cè)壁超出輪廓線約3 m，溶洞頂超出拱頂約3 m，間斷有突泥、涌水現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 3月2日溶洞揭露照片

3月8日，經(jīng)逐步打開左側(cè)基巖，開挖至樁號(hào)K37+983.5位置，可見溶洞往左側(cè)發(fā)展，左側(cè)超出輪廓線約5 m，地下水穩(wěn)定，無明顯異?，F(xiàn)象。3月9日，掌子面左側(cè)出現(xiàn)突泥、涌水現(xiàn)象，并有急劇趨勢(shì)，經(jīng)測(cè)算本次突泥量約800 m3。施工單位現(xiàn)場(chǎng)立即暫停掌子面開挖，封閉掌子面，并及時(shí)撤離人員和設(shè)備，做好現(xiàn)場(chǎng)警戒，分析研究制定溶洞處治方案，如圖4所示。

圖4 3月9日溶洞揭露照片

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，通過調(diào)查、檢測(cè)手段，初步認(rèn)為該溶洞為灰?guī)r受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成裂隙，裂隙在地下水作用下溶蝕，同時(shí)被溶蝕殘留物充填形成的，為泥質(zhì)充填型溶洞。充填物為軟塑狀黏性土，總體認(rèn)為掌子面前方仍屬于充填型溶洞發(fā)育區(qū)，延伸范圍15～20 m，溶洞規(guī)模較大。

3 溶洞處治方案

經(jīng)隧道掘進(jìn)施工，及時(shí)采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、檢測(cè)等輔助手段，不斷揭露獅子嶺隧道右線溶洞發(fā)育情況，初步探明溶洞邊界大小及發(fā)育趨勢(shì)， 參建各方共同研究擬定了如下處治方案，如圖5所示。

圖5 充填型溶洞處治方案示意圖

(1)臨時(shí)反壓掌子面。清除突泥后，為防止后期突泥和涌水影響溶洞處治施工甚至人員和設(shè)備安全，擬對(duì)掌子面采用洞渣進(jìn)行反壓，并采用30 cm厚C25噴射混凝土、φ22早強(qiáng)砂漿錨桿(錨桿長3.5 m，間距@100×100 cm)及φ8鋼筋網(wǎng)(@20×20 cm)進(jìn)行封閉加固，確保施工安全。

(2)已開挖段襯砌加強(qiáng)設(shè)計(jì)。待掌子面反壓回填及封閉加固處理完成后，針對(duì)已開挖段圍巖初期支護(hù)拱架采用I18工字鋼拱架，拱架縱向間距50 cm，C25噴射混凝土厚度為24 cm，系統(tǒng)錨桿采用φ25中空注漿錨桿(錨桿長3.5 m，間距@50×100 cm)，二次襯砌采用45 cm厚C30鋼筋混凝土。

(3)已開挖段環(huán)向注漿加固。針對(duì)已開挖段拱頂上方溶蝕裂隙，待初期支護(hù)施作完畢，再進(jìn)行環(huán)向注漿加固，注漿鋼管采用φ50×5 mm鋼管，長4.0 m，環(huán)向間距150 cm，縱向間距150 cm，注漿漿液全部采用M10水泥砂漿。

(4)溶腔段施作護(hù)拱和擋墻。對(duì)于溶腔段，在左側(cè)溶洞采用C25混凝土，第一層澆筑2.5 m厚、3.0 m高擋墻，第二層澆筑2.0 m厚、2 m高擋墻，右側(cè)采用C25混凝土澆筑2.0 m厚、3.0 m高擋墻，并在起拱線以上預(yù)留鋼拱架位置。然后沿初期支護(hù)輪廓斷面架立I20a鋼支撐，間距60 cm，在拱架外側(cè)架立φ8鋼筋網(wǎng)片(@20×20 cm)，作為護(hù)拱的骨架鋼筋，并預(yù)留φ300 mm混凝土輸送鋼管，及時(shí)施作初期支護(hù)和二次襯砌，待主體結(jié)構(gòu)有一定承載能力后，護(hù)拱上澆注約2 m厚C25混凝土，以掩護(hù)施工操作。溶腔段26 cm厚C25早強(qiáng)混凝土，二次襯砌采用60 cm厚C30鋼筋混凝土。

(5)吹填細(xì)沙。待溶腔段護(hù)拱、初期支護(hù)及二次襯砌施工完成，待主體結(jié)構(gòu)具有一定承載能力后，在護(hù)拱外側(cè)吹填約3.0 m厚細(xì)沙作為緩沖層，防止溶腔內(nèi)突泥或落石等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。

(6)施工工法調(diào)整。鑒于溶洞段圍巖穩(wěn)定性較差，原設(shè)計(jì)的全斷面法施工已不再適用，針對(duì)右線充填型溶洞實(shí)際情況，結(jié)合該段襯砌支護(hù)施工，建議溶洞段采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，施工過程中嚴(yán)格控制開挖步距，遵循“先加固，后處理，強(qiáng)支護(hù)，穩(wěn)通過”的處理原則。

(7)輔助措施。隧道穿越溶洞發(fā)育區(qū)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，尤其是超前探水工作。在溶洞處理中，不得阻斷溶洞內(nèi)泄水通道，溶洞發(fā)育區(qū)段環(huán)向排水管應(yīng)加密，引排巖溶裂隙水，避免對(duì)隧道造成水害，并制定緊急情況下的人員疏散方案，如發(fā)現(xiàn)涌水、突泥跡象，應(yīng)首先疏散人員，確保施工安全。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)獅子嶺隧道溶洞揭露過程的實(shí)際情況，考慮該隧道工程地質(zhì)及水文情況，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，研究制定了充填型溶洞處治方案，即采用結(jié)構(gòu)加固、設(shè)置護(hù)拱和擋墻、施工工法調(diào)整、加強(qiáng)防排水及監(jiān)控量測(cè)等措施綜合處理，為今后公路隧道充填型溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。