齊岳山隧道巖溶發(fā)育特征與溶洞處治技術(shù)研究

趙少忠，黃 鑫，許振浩，李明海

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015；2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；3.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟南 250061；4.恩施州公路管理局，湖北 恩施 445000)

0 引言

我國可溶巖地層分布廣泛，約占我國國土面積的1/3。在巖溶地區(qū)修建隧道，極易遭遇各種巖溶地質(zhì)災(zāi)害，如突涌水、地表塌陷、洞害等，給隧道安全施工和運營帶來巨大威脅。其中，洞害是可溶巖地區(qū)隧道修建過程中最常見的巖溶地質(zhì)災(zāi)害形式之一。隧道洞周溶洞的存在使得圍巖與支護結(jié)構(gòu)的受力情況變得更為復(fù)雜，導(dǎo)致圍巖整體穩(wěn)定性降低，隧道施工難度增加，施工工期延誤，施工成本增加[1-3]；此外，溶洞周圍巖體及其內(nèi)部充填物易發(fā)生坍塌，引發(fā)地表塌陷，甚至造成機械損毀和人員傷亡。

溶洞形態(tài)復(fù)雜多變，發(fā)育規(guī)模大小不一，充填特性與分布位置也不盡相同，增加了溶洞的處治施工難度。黔張常鐵路高山隧道DIK53+678處揭露了一個巨型溶洞，該溶洞長124 m、寬32～63 m、高46～65 m，體積超過100萬m3，給隧道施工帶來極大不便，采用“洞砟回填+上部注漿”的方法成功進行了處治[4]。成貴鐵路玉京山隧道揭露一個巖溶大廳，該大廳橫向長約230 m、寬約93 m，垂直高度50～90 m，采用“注漿加固+五臺階法開挖+多種支護方式并存+模板法結(jié)合橋梁施作二次襯砌”的綜合施工方法成功進行了處治[5]。平羅高速公路栗木山隧道掌子面開挖至YK49+568處揭露一個體積約為8.2×104m3的大型溶洞，采用回填方案進行處理，并采用“橡膠緩沖層+混凝土護拱”方案進行溶洞頂部防護[6]。巖灣隧道ZK250+135～+166段特大型溶洞采用洞渣回填、橋跨和拱形防護等措施進行了處治[7]。王秋[8]針對東山隧道巨型溶洞，在設(shè)置綜合立體排水系統(tǒng)處治巖溶地下水的基礎(chǔ)上，采用樁板明洞跨越溶洞的結(jié)構(gòu)形式并加強結(jié)構(gòu)和溶洞壁支護的方法進行了處治。王少輝等[9]針對那丘隧道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)與洞渣回填的方案進行了綜合處治。楊洪希等[10]針對宣曲高速公路海德隧道不同位置的溶洞提出了相應(yīng)的處治措施。針對某高速公路隧道長條形大型底部溶洞回填起不到預(yù)期處治效果的情況，王建等[11]提出采用“工字鋼橫跨溶洞至溶洞墻壁+工字鋼上部設(shè)鋼筋混凝土板”的方案成功進行了處治。陳禹成等[12]對恩來恩黔高速公路和利萬高速公路巖溶隧道溶洞災(zāi)害進行了統(tǒng)計分析，并研究了不同位置溶洞對隧道圍巖應(yīng)力場、位移場的影響規(guī)律，提出了溶洞處治的原則，并對花果山隧道大型溶洞采用分階段、分部位、分步推進的方法進行了處治。上述研究成果對巖溶隧道溶洞處治具有重要的借鑒意義。

然而，巖溶隧道施工過程中可能遭遇多個大小不一、充填特性不同、分布位置不同的溶洞。目前，關(guān)于溶洞處治技術(shù)的研究多集中于針對隧道單個溶洞的處治，而對一整座隧道遇到的全部溶洞進行分類統(tǒng)計，并通過分析溶洞發(fā)育特征形成系統(tǒng)的處治技術(shù)研究還鮮有報道。本文擬通過對利萬高速公路謀道連接線工程齊岳山隧道施工中揭露的溶洞進行調(diào)研，分析溶洞發(fā)育規(guī)模、充填特性、含水狀態(tài)等特征，揭示隧址區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律和地質(zhì)成因，采用數(shù)值模擬方法研究特大型溶洞對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，并結(jié)合具體溶洞處治實例，探討不同規(guī)模和不同位置溶洞處治技術(shù)，進而提出溶洞處治的一些思考和建議。

1 工程概況

齊岳山隧道是利萬高速公路謀道連接線的控制性工程，位于湖北省利川市沙壩村三組和土地口村之間，隧道走向106°，隧道起訖樁號為GK0+350～GK3+310，全長2 960 m，最大埋深347 m。

隧址區(qū)屬構(gòu)造溶蝕-剝蝕中山地貌。齊岳山山脊地表高程為1 260～1 660 m，地形整體呈波狀起伏。溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等巖溶微地貌發(fā)育。隧址區(qū)主要不良地質(zhì)構(gòu)造為齊岳山背斜和中槽逆斷層。隧址區(qū)表層局部覆蓋有第四系殘坡積粉質(zhì)黏土。隧道自南坪進口方向至謀道出口方向依次穿越三疊系嘉陵江組角礫狀灰?guī)r、灰?guī)r，大冶組灰?guī)r、頁巖夾灰?guī)r，二疊系長興組灰?guī)r，吳家坪組中風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r夾煤層，茅口組灰?guī)r，吳家坪組中風(fēng)化硅質(zhì)灰?guī)r夾煤層，長興組灰?guī)r，三疊系大冶組頁巖夾灰?guī)r、灰?guī)r和嘉陵江組灰?guī)r。巖層傾角66°～72°，可溶巖地層中巖溶較發(fā)育。齊岳山隧道縱剖面地質(zhì)見圖1。

圖1 齊岳山隧道縱剖面地質(zhì)圖[13]

2 齊岳山隧道溶洞發(fā)育特征與地質(zhì)分析

2.1 溶洞概況

齊岳山隧道穿越地層以可溶巖地層為主，施工過程中共揭露大小溶洞26個，增加溶洞處治變更費用約1 470萬元。齊岳山隧道施工過程中揭露溶洞統(tǒng)計如表1所示。

表1 齊岳山隧道溶洞統(tǒng)計[13]

2.2 溶洞發(fā)育特征

2.2.1 溶洞規(guī)模

按照溶洞體積不同，將隧道揭露溶洞劃分為小型溶洞(V≤10 m3)、中型溶洞(10 m31 000 m3)4個類型[14]。齊岳山隧道各規(guī)模溶洞比例如圖2所示。

圖2 齊岳山隧道各規(guī)模溶洞比例

由表1和圖2可知，齊岳山隧道揭露的溶洞中，中型溶洞占比最大，約占53.8%；大型溶洞次之，約占30.8%；小型溶洞和特大型溶洞最少，占比均為7.7%。

2.2.2 充填特性

齊岳山隧道揭露溶洞以無充填溶洞為主，共21處，占比80.8%；充填溶洞5處，占比19.2%，且多為半充填或局部充填狀態(tài)。充填介質(zhì)主要為黏土、土石松散物，屬于溶洞巖石土風(fēng)化松散物的堆積體。揭露位于隧道頂部的充填溶洞后，溶洞內(nèi)充填介質(zhì)出現(xiàn)滑動、失穩(wěn)、坍塌等現(xiàn)象，甚至引起地表塌陷。

2.2.3 含水狀態(tài)

齊岳山隧道揭露溶洞以干溶洞為主，未揭露充水溶洞，僅部分溶洞中有集中的小型出水點、滲水或溶腔壁面濕潤現(xiàn)象。地下水位接近或低于隧道設(shè)計標(biāo)高，地下水對溶洞的穩(wěn)定性及隧道施工影響較小，隧道施工過程中無突水突泥災(zāi)害發(fā)生。大氣降水是地下水的主要補給來源，降雨通過巖溶洼地和落水洞進入巖體內(nèi)部，在一定程度上對洞內(nèi)滲水起到促進作用。

2.2.4 發(fā)育位置

齊岳山隧道揭露溶洞發(fā)育的位置以掌子面居多，占比約57.7%，揭露拱頂溶洞約26.9%，邊墻15.4%。其中有3處溶洞發(fā)育方向延伸至隧道底部，對隧道底部圍巖及支護結(jié)構(gòu)拱腳穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，溶洞處治時應(yīng)注重全面加固隧道底板與提高隧道拱腳承載力。

2.3 巖溶發(fā)育特征地質(zhì)分析

齊岳山隧道揭露溶洞發(fā)育特征與隧址區(qū)氣候特征、水文地質(zhì)條件及隧道高程密切相關(guān)。

隧址區(qū)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤氣候，年平均降雨量1 400 mm左右。受季節(jié)影響明顯，降水多集中在夏季，冬季雨量最少。降雨集中、降雨強度大是該地氣候特點之一。地下水不是很發(fā)育，少量地下水主要以裂隙水和松散孔隙水為主。地下水主要靠大氣降雨補給，通過落水洞或傾斜溶洞集中注入式補給下伏巖溶含水層[15]，地下水滲入方式有利于巖溶發(fā)育。

自2003年以來，在齊岳山先后修建了5條隧道，按照修建開始時間順序依次為：宜萬鐵路齊岳山隧道、滬蓉西高速公路齊岳山隧道、渝利鐵路余家隧道、利萬高速公路齊岳山隧道、利萬高速公路謀道連接線齊岳山隧道[16]。5條隧道處于同一個地質(zhì)單元，斷層、巖溶等不良地質(zhì)極其發(fā)育，給施工帶來極大難題。其中，宜萬鐵路齊岳山隧道、利萬高速公路齊岳山隧道、利萬高速公路謀道連接線齊岳山隧道處于同一個巖溶水系統(tǒng)，即德勝場地下水系統(tǒng)。但這3條隧道處在不同的巖溶水動力分帶中，導(dǎo)致巖溶發(fā)育特征及巖溶災(zāi)害類型和程度不同。宜萬鐵路齊岳山隧道位于水平徑流帶下部、深部緩流帶上部，巖溶發(fā)育但極不均勻，以泥水充填型巖溶管道和溶洞為主，存在較大的水壓力，突水突泥具有較強的致災(zāi)性，且受降雨影響小。施工期共揭露187處大型巖溶管道、溶洞，發(fā)生8次特大突泥突水災(zāi)害。

利萬高速公路齊岳山隧道較前者提高了線位，位于季節(jié)變動帶(偏上)，巖溶較發(fā)育，以溶蝕裂隙和巖溶管道為主。受地表降雨影響，施工期突涌水災(zāi)害頻繁，以持續(xù)疏干型涌水為主要特征，其致災(zāi)程度相對較低，但持續(xù)時間久，涌水時間常為地下水疏干時間。施工過程中共揭示大小溶洞61個、涌水14次，雨季實測最大涌水量11 530 m3/h，在反坡施工段多次出現(xiàn)掌子面被淹情況[17]。

利萬高速公路謀道連接線齊岳山隧道相對前兩者進一步提高了線位，位于垂直下滲帶，巖溶以垂直發(fā)育形態(tài)為主。在進出口段地下水位低于隧道設(shè)計標(biāo)高，僅在隧道中段(GK1+360～GK2+000)區(qū)域處于穩(wěn)定的地下水位附近，因此，隧道施工受地下水影響較小。施工中揭露溶洞為局部充填、無充填的干溶洞，未發(fā)生突涌水災(zāi)害。但受巖溶發(fā)育影響，隧道頂部溶洞極易產(chǎn)生充填介質(zhì)滑移、塌方、地表塌陷等災(zāi)害，如在揭露GK0+411、GK0+437、GK2+310、GK3+265等溶洞時發(fā)生坍塌，導(dǎo)致溶洞內(nèi)部泥石落入隧道內(nèi)，甚至造成一些溶洞對應(yīng)的地表位置出現(xiàn)塌陷。GK3+265溶洞充填介質(zhì)坍塌與地表塌陷見圖3。

(a)充填介質(zhì)坍塌 (b)地表塌陷

3 溶洞對隧道圍巖的變形影響規(guī)律

3.1 溶洞探測

以GK3+210～+275特大型溶洞為例，在溶洞揭露前，開展地質(zhì)雷達超前預(yù)報，結(jié)合掌子面圍巖地質(zhì)變化情況，及時預(yù)測掌子面前方溶洞發(fā)育情況；提前采取綜合措施，如控制開挖進尺、加強超前支護和注漿封堵等，保障隧道施工安全。由于在GK3+272里程附近隧道頂部存在坍塌和落石的風(fēng)險，因此未進行連續(xù)地質(zhì)雷達探測。在GK3+265里程溶洞坍塌后，在GK3+262上臺階進行探測，探測掌子面長度為6 m。地質(zhì)雷達探測圖像見圖4。

(a)GK3+292～+272(掌子面由左向右) (b)GK3+262～+242(掌子面由右向左)

探測結(jié)果顯示：1)GK3+292～+272段圍巖完整性差，節(jié)理發(fā)育，層理較明顯，層間有少許夾泥，局部可能含有較大裂隙或溶洞。GK3+290～+282段掌子面右側(cè)1～4 m，巖溶裂隙較發(fā)育，可能存在較大孔隙和溶洞。GK3+290～+284段掌子面左側(cè)0～3 m內(nèi)，溶蝕裂隙、孔隙較發(fā)育，可能存在較大孔隙和小型孔洞，且含少許夾泥。2)GK3+262～+242段圍巖完整性差，節(jié)理發(fā)育，層理較明顯，層間有少許夾泥，局部可能含有較大裂隙或溶洞。GK3+260～+252段掌子面右側(cè)1～3 m，巖溶裂隙較發(fā)育，可能存在較大孔隙和溶洞。GK3+260～+252段掌子面左側(cè)3～4 m，溶蝕裂隙、孔隙較發(fā)育，可能存在較大孔隙和小型孔洞，且含少許夾泥。

開挖揭露溶洞起點位于GK3+267.5處，大致走向為由線路左側(cè)斜沿小樁號方向向右下方延伸，與隧道軸線斜交，對隧道直接影響長度達65 m(GK3+210～+275)。溶洞發(fā)育位置示意和現(xiàn)場揭露溶洞情況分別見圖5和圖6。

圖5 特大型溶洞示意圖[18]

(a)洞內(nèi)松散堆積體 (b)溶洞洞徑變化處

3.2 隧道開挖過程圍巖變形數(shù)值模擬

為研究隧道開挖過程中特大型溶洞對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，以GK3+210～+275段特大型溶洞為例進行分析。由于該溶洞發(fā)育規(guī)模大且形態(tài)復(fù)雜，為方便計算，選取溶洞與隧道交叉段進行分析，并將溶洞簡化為與隧道水平正交的長方體溶洞進行模擬，溶洞長為64 m，寬為12 m，高為13 m。建立三維數(shù)值計算模型，模型長(隧道縱向，Z軸)、寬(隧道橫向，X軸)、高(隧道豎向，Y軸)分別為72、100、100 m，如圖7所示。

(a)隧道剖面 (b)溶洞剖面

模型下邊界施加豎向位移約束，左右邊界施加水平位移約束，前后邊界施加軸向位移約束。計算時采用摩爾-庫侖彈塑性模型。隧道圍巖為Ⅲ級圍巖，巖體力學(xué)參數(shù)如下：重度γ=25 kN/m3，彈性模量E=3 GPa，泊松比μ=0.32，內(nèi)摩擦角φ=30°，黏聚力c=0.8 MPa，抗拉強度t=0.6 MPa。隧道處于進洞段落，地表為斜坡，平均埋深為44.2 m。為簡化計算，設(shè)置隧道地表為平面，地表距離隧道頂部44.2 m。

在隧道內(nèi)每3 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共設(shè)置監(jiān)測斷面22組(位置0—72 m)，每個監(jiān)測斷面上布置4個監(jiān)測點，即在隧道的拱頂、左側(cè)拱腰、右側(cè)拱腰及拱底位置處各布置1組監(jiān)測點。隧道與溶洞相交處，在隧道內(nèi)未設(shè)置監(jiān)測斷面，在溶洞內(nèi)沿隧道軸線方向每3 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共布置監(jiān)測斷面5組(位置42—54 m)，溶洞內(nèi)沿溶洞軸線方向每4 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共設(shè)監(jiān)測斷面9組(位置-16—16 m)，每個監(jiān)測斷面上布置2個監(jiān)測點，即在溶洞的頂部、底部位置處各布置1組監(jiān)測點，用以研究溶洞影響下圍巖特定部位位移隨開挖的變化規(guī)律。監(jiān)測點布置如圖8所示。

(a)橫斷面監(jiān)測點布置

采用FLAC3D數(shù)值軟件模擬隧道開挖，采用全斷面開挖方式，每次開挖3 m，計算中不考慮支護作用，通過記錄監(jiān)測點的位移變化，獲取隧道施工過程中圍巖及溶洞的位移數(shù)據(jù)。隧道開挖完成后圍巖水平方向與豎直方向位移云圖如圖9所示，隧道及溶洞位移曲線如圖10所示。

由圖9和圖10(a)可知，由于溶洞存在，隧道開挖后，隧道拱頂和拱底圍巖豎向位移增加，且離溶洞越近，隧道拱頂和拱底位移增加越大；隧道左、右拱腰水平位移減小，但距離溶洞超過6 m后，隧道拱腰水平位移幾乎不再受溶洞影響。

(a)水平方向 (b)豎直方向

由圖10(b)可知，隨著隧道開挖靠近監(jiān)測斷面(即Z=36 m)，隧道拱頂、拱底位移逐漸增大，在靠近監(jiān)測斷面開挖時(開挖Z=30 m和33 m)，隧道內(nèi)拱頂、拱底豎向位移最大，隨后位移逐漸趨于穩(wěn)定；開挖至溶洞段時對該監(jiān)測斷面豎向位移影響不大。拱腰的水平位移數(shù)值較小，但也有類似規(guī)律。

(a)隧道各監(jiān)測斷面位移曲線

由圖10(c)可知，受隧道開挖的影響，溶洞縱向各監(jiān)測點拱頂和拱腳發(fā)生豎向變形，隧道與溶洞交接部位位移較大，遠離交接部位(如溶洞中心)位移較小。

由圖10(d)可知，受隧道開挖的影響，溶洞橫向各監(jiān)測點拱頂和拱腳發(fā)生豎向變形。其中，與隧道軸線相交位置的位移最大，向左右兩側(cè)的位移逐漸減小。這是因為，隧道開挖對與隧道軸線相交處溶洞監(jiān)測點的位移影響大，距離隧道遠的監(jiān)測點受隧道開挖影響小。

綜上所述，隧道開挖后，溶洞和隧道相互影響，在二者共同作用下圍巖發(fā)生變形。隧道開挖后，溶洞與隧道交接處圍巖的位移最大，遠離隧道與溶洞交接部位的圍巖變形較小。因此，在進行溶洞處治時，更應(yīng)關(guān)注溶洞與隧道交接部位圍巖的穩(wěn)定性并采取針對性處治措施。

4 齊岳山隧道溶洞處治技術(shù)

溶洞的存在對圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，隧道施工過程中必須對溶洞進行處治，以保證隧道圍巖的穩(wěn)定和施工運營安全。

4.1 不同規(guī)模的溶洞處治

根據(jù)齊岳山隧道揭露溶洞發(fā)育規(guī)模特征，對不同規(guī)模的溶洞采用不同的處治方法。對于中型、小型溶洞，采用C20混凝土對溶洞進行回填，并適當(dāng)提高圍巖支護等級，加強支護結(jié)構(gòu)的強度。對于大型、特大型溶洞，根據(jù)溶洞發(fā)育形態(tài)及其與隧道的位置關(guān)系，制定了專項處治方案，在此基礎(chǔ)上，進行清除充填介質(zhì)、回填、加固、提高支護結(jié)構(gòu)強度等處治。

4.2 不同位置的溶洞處治

溶洞位于隧道洞身的不同位置，對隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響不同。當(dāng)隧道底部存在溶洞時，隧道支護結(jié)構(gòu)和路面產(chǎn)生懸空，容易發(fā)生隧道底板塌陷，降低隧道使用的可靠度；當(dāng)隧道側(cè)部存在溶洞時，隧道兩側(cè)邊墻圍巖抗力不對稱；當(dāng)隧道頂部存在溶洞時，充填物易發(fā)生坍塌，坍塌規(guī)模較大會引起地表塌陷，洞內(nèi)落石也是不可忽視的安全隱患；大型洞穴的存在會給隧道施工帶來極大困難。因此，應(yīng)根據(jù)不同的溶洞位置，采用不同的處治方法。

4.2.1 頂部溶洞

對頂部溶洞的處治，以混凝土回填為主，同時加強支護結(jié)構(gòu)，做好頂部落石防護，必要時需設(shè)置防護拱罩。

以GK1+008處頂部溶洞處治為例，將溶洞影響范圍內(nèi)(GK1+005～+015)隧道的支護結(jié)構(gòu)由S3型復(fù)合襯砌提升至S5型復(fù)合襯砌，取消仰拱及超前支護，二次襯砌維持原設(shè)計。拱頂溶腔通過預(yù)留φ108鋼管泵送C20混凝土填充，混凝土厚度1.5 m。預(yù)留φ100排水管，與隧道永久排水系統(tǒng)相接。GK1+008頂部溶洞處治示意如圖11所示。

圖11 GK1+008頂部溶洞處治示意圖

4.2.2 側(cè)部溶洞

對側(cè)部溶洞的處治，仍然以回填為主，同時需加強支護結(jié)構(gòu)。

以GK3+050處側(cè)部溶洞處治為例，將溶洞影響范圍內(nèi)(GK3+052.5～+042)隧道的支護結(jié)構(gòu)由S3型復(fù)合襯砌提升至S4型復(fù)合襯砌，格柵鋼架變更為I16工字鋼，縱向間距調(diào)整為80 cm。溶洞通過預(yù)留φ108鋼管泵送C20混凝土填充。預(yù)留φ100排水管，與隧道永久排水系統(tǒng)相接。GK3+050側(cè)部溶洞處治示意如圖12所示。

圖12 GK3+050側(cè)部溶洞處治示意圖

4.2.3 底部溶洞

對底部溶洞的處治以回填為主，加強支護結(jié)構(gòu)，同時施作底部鋼筋混凝土梁板，保證隧道內(nèi)路面的穩(wěn)定性。

以GK1+216處溶洞處治為例，該溶洞覆蓋整個掌子面，從拱頂上方向掌子面前方、底板下方發(fā)育。1)將溶洞影響范圍內(nèi)(GK1+213～GK1+233)隧道支護結(jié)構(gòu)由S3型復(fù)合襯砌提升至S5型復(fù)合襯砌，Ⅰ18工字鋼及系統(tǒng)錨桿縱向間距調(diào)整為50 cm，二次襯砌厚度調(diào)整為60 cm，取消仰拱。2)GK1+205～+225段施作C25鋼筋混凝土梁板，寬度12 m，厚度1.5 m，上下布設(shè)雙層φ25鋼筋網(wǎng)，間距20 cm，保護層厚度20 cm，連接鋼筋采用φ12鋼筋，間距40 cm，梅花形布置，預(yù)留排水溝。3)溶洞下部區(qū)域采用洞渣回填至拱腳后于右側(cè)施作C25鋼筋混凝土梁，梁體嵌入兩側(cè)基巖各1 m，梁長度7 m(GK1+215～+222)，寬度2.8 m，高度1 m，縱向四周主筋采用φ25鋼筋，間距20 cm，箍筋采用φ12鋼筋，間距20 cm，水平筋采用φ12鋼筋，間距15 cm。落空區(qū)域施作C25鋼筋混凝土護拱，護拱厚度為1.5 m,布設(shè)雙層φ22鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距 20 cm×20 cm，連接筋采用φ12 鋼筋。護拱外層施做Ⅰ18鋼拱架，拱架縱向間距 50 cm。4)預(yù)留φ100 排水管，與隧道永久排水系統(tǒng)相接。GK1+216底部溶洞處治示意如圖13所示。

圖13 GK1+216底部溶洞處治示意圖

4.2.4 同一溶洞多位置出現(xiàn)

對于發(fā)育規(guī)模較大溶洞，溶洞會在隧道不同里程的不同位置出現(xiàn)，對隧道施工及圍巖穩(wěn)定性影響較大，需開展針對性處治。

以GK3+275～+210特大型溶洞處治為例，由于溶洞發(fā)育規(guī)模大，對隧道影響范圍特別大。通過分析溶洞發(fā)育特征及其與隧道的空間位置關(guān)系，結(jié)合溶洞對隧道圍巖變形的影響規(guī)律，采用分段處治的方法，將溶洞影響段劃分3段，即GK3+272～+255段、GK3+255～+235段和GK3+235～+210段，并對不同段溶洞制定不同的處治方案[18]。由于溶洞與隧道交接部位的圍巖變形較大，在溶洞處治過程中，對隧道與溶洞交接部位提高支護等級；同時，需提高溶洞頂部和側(cè)壁圍巖的穩(wěn)定性，提高隧道拱腳的承載力和加固隧道底板。隧道施工現(xiàn)場照片如圖14所示。

(a)頂部長管棚

通過對揭露的各個溶洞采用相應(yīng)的處治技術(shù)，齊岳山隧道自運營以來未發(fā)生突涌水、結(jié)構(gòu)破壞等地質(zhì)災(zāi)害與病害，證明了隧道溶洞處治技術(shù)的合理性和可行性。

上述不同規(guī)模和不同位置的溶洞處治技術(shù)是針對依托工程提出的，可為其他隧道溶洞處治提供參考和借鑒，相關(guān)施工參數(shù)可根據(jù)實際情況進行適當(dāng)調(diào)整，以實現(xiàn)安全、經(jīng)濟和高效的溶洞處治。

5 溶洞處治建議與思考

在巖溶地層修建隧道，遭遇溶洞的幾率極大，形成成熟的溶洞處治技術(shù)對于提高隧道施工速度和施工質(zhì)量至關(guān)重要。因此，應(yīng)通過對既有溶洞處治經(jīng)驗、處治效果進行總結(jié)分析，形成規(guī)范化超前探測、標(biāo)準(zhǔn)化處治流程、模塊化處治技術(shù)和針對性處治方案，以提高處治效率和處治效果。

5.1 規(guī)范化超前探測

巖溶隧道施工過程中應(yīng)重視超前地質(zhì)預(yù)報對溶洞探測及處治的作用，開展規(guī)范化的超前地質(zhì)探測。采用地質(zhì)識別、物探識別和鉆探識別相結(jié)合的方法[19]，提前查明溶洞發(fā)育的規(guī)模、充填特性、分布位置，評估其可能造成的危害及危害程度，做好應(yīng)對措施，避免揭露溶洞時發(fā)生突水、塌方等重大災(zāi)害，同時也為進一步查清溶洞分布特征及溶洞處治提供依據(jù)。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)化處治流程

標(biāo)準(zhǔn)化處治流程是在現(xiàn)場施工遭遇溶洞后，由現(xiàn)場施工人員依次上報給技術(shù)員、技術(shù)主管、監(jiān)理、工程部長、總工、設(shè)計代表、業(yè)主單位，通過開展現(xiàn)場查勘，召開專題討論會，實施工程變更，形成相應(yīng)的處治方案，并按照既定方案開展處治施工，形成標(biāo)準(zhǔn)化的作業(yè)流程，提高施工效率。

需注意的是，應(yīng)根據(jù)溶洞的規(guī)模及其對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響情況，確定不同類型溶洞處治的流程、上報的人員范圍及參加會議人員的規(guī)模。

5.3 模塊化處治技術(shù)

所謂模塊化處治技術(shù)，即將溶洞處治過程劃分為不同的處治模塊單元，每個模塊單元均形成成熟的規(guī)范化的處治技術(shù)，如清淤技術(shù)、泄水降壓技術(shù)、回填技術(shù)、加強支護技術(shù)、護拱技術(shù)、拱罩防護技術(shù)、邊墻防護技術(shù)、底部溶洞鋼筋混凝土蓋板處治技術(shù)、橋梁跨越技術(shù)等。在處治過程中根據(jù)需要采用不同的處治模塊進行綜合處治。

5.4 針對性的處治方案

大型溶洞和特大型溶洞往往復(fù)雜多變、形態(tài)各異。因此，針對大型和特大型溶洞，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)化處治流程的基礎(chǔ)上召開專家評審會議，根據(jù)其發(fā)育形態(tài)、與隧道的空間位置關(guān)系、充填特性，建立隧道溶洞數(shù)值計算模型，研究溶洞對隧道圍巖應(yīng)力和位移的影響規(guī)律，制定針對性的處治方案，實現(xiàn)每處大型和特大型溶洞都有專有的處治方案，即“一洞一案”。在溶洞處治方案實施過程中，根據(jù)不同要求和步驟采用模塊化處治技術(shù)。

6 結(jié)論與建議

1)齊岳山隧道位于垂直入滲帶，巖溶發(fā)育以垂向型為主，施工中共揭露26處溶洞，其中中型溶洞占比最大，約占53.8%，大型溶洞次之，約占30.8%，小型溶洞和特大型溶洞最少，占比均為7.7%。揭露溶洞以無充填和部分充填干溶洞為主。

2)隧道開挖后，在溶洞與隧道相互作用影響下，二者的交接部位圍巖變形最大，施工中需對該部位進行重點防護，提高其穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)塌方、掉塊等事故。

3)結(jié)合典型溶洞案例，給出了齊岳山隧道頂部溶洞、側(cè)部溶洞、底部溶洞及多位置同時存在溶洞的處治技術(shù)，后期運營結(jié)果證明了溶洞處治效果良好。

4)提出了溶洞處治應(yīng)形成規(guī)范化超前探測、標(biāo)準(zhǔn)化處治流程、模塊化處治技術(shù)和針對性處治方案，以此提高溶洞處治效率和處治效果。

5)本文主要針對齊岳山隧道部分充填和無充填干溶洞處治進行了分析探討。數(shù)值模擬中對溶洞進行了簡化，真實復(fù)雜形態(tài)下溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律還需開展深入研究；此外，應(yīng)進一步開發(fā)針對充水充泥溶洞的系統(tǒng)的處治技術(shù)，避免突水突泥災(zāi)害的發(fā)生。