公路隧道施工中溶洞的處治措施分析

龍開林 王濤

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護集團有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

貴州以高原山地為主，屬于喀斯特地貌。山區(qū)公路修建中常采用隧道穿越山體，山體巖溶較為發(fā)育，溶洞較多，隧道工程常會遇到溶洞。溶洞處治是隧道工程施工中常常遇到的難題。公路工程隧道施工掘進過程中遭遇溶洞以及引起涌水、涌泥甚至冒頂?shù)任＜叭松戆踩鹿实那闆r時有發(fā)生。如何快速有效處治并安全穿過溶洞，關(guān)系隧道施工的安全、質(zhì)量、進度及施工成本，同時也關(guān)系到隧道運營期的安全使用。本文以魏家地隧道施工過程中2處有代表性的溶洞處治作為案例，探討公路隧道遇到溶洞時的處治方案。

1 溶洞的危害及對施工的影響

（1）隧道下方存在溶洞經(jīng)長時間的溶蝕會減小安全厚度，使得隧道底部存在全部或部分懸空，將會降低隧道的穩(wěn)定性，影響使用的可靠度；

（2）流經(jīng)溶洞的巖溶水可能對隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成侵蝕，降低隧道襯砌結(jié)構(gòu)牢固性，大大影響隧道的使用壽命；

（3）溶洞內(nèi)填充物松軟及洞體周邊圍巖破碎易坍塌，會改變隧道襯砌結(jié)構(gòu)外圍巖的應(yīng)力分布形態(tài)，從而影響隧道的穩(wěn)定性；

（4）溶洞冒頂后易引起周邊地表、地下水土流失，使隧道上方溶洞塌陷，導致溶洞內(nèi)外環(huán)境地質(zhì)被破壞，是造成隧道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的重要因素；

（5）溶洞巖質(zhì)破碎，溶洞易引起涌泥、涌水、坍塌甚至冒頂危及施工安全，難于處理；

（6）位于隧道下方的溶洞，一般填充物較松軟，并且較深或有水流時，使隧道基底難于處理。

2 溶洞處治步驟和措施

溶洞處治主要有兩個步驟：一方面，在掘露溶洞前，需探明洞內(nèi)情況、地質(zhì)情況，洞頂?shù)乇砬闆r；通常采取超前地質(zhì)探測。根據(jù)地質(zhì)探測情況采取合理的超前加固處治措施；合理的超前處治措施會給隧道溶洞處理帶來事半功倍的效果。另一方面，隧道內(nèi)溶洞掘露后，根據(jù)超前處治后的情況具體進行處治。

隧道遇到溶洞可以采取的處理措施一般有：引、堵、越、繞等方法。根據(jù)具體情況，可多種方法綜合使用。在超前地質(zhì)探測階段，一般有“引、堵”方法，主要對溶洞內(nèi)流體、水等進行引流或堵截；在隧道內(nèi)溶洞掘露后，一般有“引、堵、越、繞”等方法對溶洞實施綜合處治[1]。

2.1 超前地質(zhì)探測

由于設(shè)備、技術(shù)手段、溶洞的復雜性、環(huán)境條件等因素影響，設(shè)計階段很難準確素描溶洞的形態(tài)及準確掌握地質(zhì)狀況，難以準確預(yù)控隧道涌泥、涌水、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。但為避免不良地質(zhì)及施工不當所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，喀斯特巖溶地貌隧道較多采用的是按地質(zhì)施工同時優(yōu)化設(shè)計[2]。在掘進過程中超前地質(zhì)探測是關(guān)鍵，是隧道施工中最準確、及時掌握掌子面前方地質(zhì)情況的有效手段，目前常用的超前地質(zhì)探測方法如下：

（1）通過TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)作超前探測：隧道掘進過程中，每開挖100m通過TSP203對開挖前進方向進行中長距離（100～200m）預(yù)報，對不良地質(zhì)帶和巖溶帶進行超前地質(zhì)預(yù)報。

（2）掌子面的周邊探測：結(jié)合TSP203超前地質(zhì)預(yù)報體現(xiàn)的信息，在距溶洞或其它不良地質(zhì)帶10m左右的掌子面及周邊洞壁8～15m范圍利用地質(zhì)雷達進行全部掃描探測，可更準確探測溶洞情況。

（3）掌子面超前地質(zhì)鉆孔探測預(yù)報。在隧道施工通過巖溶、不良地質(zhì)段時每開挖20m采用超前地質(zhì)鉆對前進方向進行20～30m的鉆探。進一步探明溶洞位置、縱向長度，填充物質(zhì)及形態(tài)。鉆機鉆孔時要固定牢固，并安設(shè)孔口管及高壓閘閥，當超前鉆孔涌出高壓地下水時，確保能夠有效地控制。在掌子面采用開挖鉆機打深5m的鉆孔，對前方進行全方位探測，探孔沿周邊布設(shè)[3]。

（4）紅外線探水：隧道施工通過巖溶、巖溶水、不良地質(zhì)帶可能發(fā)生涌泥、涌水段，每開挖20m，對開挖面前方施作紅外線探測技術(shù)，對地下水進行探測。

（5）圍巖監(jiān)控量測：根據(jù)監(jiān)控量測方案，隧道洞內(nèi)外布置測點，監(jiān)控隧道圍巖收斂、沉降等變化情況，設(shè)置預(yù)警值，超預(yù)警值時，及時撤離人員及設(shè)備。

（6）地表觀察：察看隧道上方地表，是否有沉陷、坍塌跡象，是否有水流滲入跡象，如有，則立即停止洞內(nèi)一切作業(yè)，撤出人員設(shè)備。

2.2 超前處治措施

溶洞內(nèi)有填充物及水，溶洞掘露后可能會產(chǎn)生涌泥、涌水、坍塌等不安全情況時，需采取超前處治措施。根據(jù)超前地質(zhì)探測，基本可判斷溶洞位置，基本形態(tài)及洞內(nèi)填充物、水的情況，根據(jù)各種情況采取超前處治措施。

（1）溶洞內(nèi)有填充物的，填充物基本以土及碎碴石為主，小溶洞可通過超前小導管注漿加固，大或較大溶洞可通過超前大管棚穿過并注漿固結(jié)填充物；洞內(nèi)填充物固結(jié)后再實施掘進開挖。

（2）溶洞有水流時，宜排不宜堵；在查明水源流向及其與隧道位置的關(guān)系后，采用埋管、鉆孔等方式將水引出洞外。當巖溶水流的位置在隧道頂部或高于隧道頂部時，應(yīng)在適當距離處，設(shè)置引水管將水位降低到隧底標高以下，再行引排至洞外。

（3）地表有裂縫、塌陷的，及時在裂縫外周邊開挖截水溝，并用砂漿進行抺面，并設(shè)雨棚進行遮蓋。防止地表水滲入坍體或地下,以免坍方擴大。

2.3 揭露后的處治措施

經(jīng)過超前處治的溶洞，可以按“短進尺、弱爆破”控制向前逐漸掘進，直至將溶洞在隧道內(nèi)揭露。根據(jù)超前處治后的效果及揭露后的具體情況，采用多種方法綜合進行處治。

引：溶洞揭露后有水流時，宜排不宜堵；需仔細查明水源及流向及其與隧道位置的關(guān)系后，埋設(shè)暗管、涵洞等設(shè)施或鉆泄水洞將水引出洞外。當巖溶水流的位置在隧道頂部或高于隧道頂部時，應(yīng)在適當距離處，設(shè)置引水管將水位降低到隧底標高以下，再行引排至洞外。

堵：溶洞較小、深度不大或干溶洞或填充物較少時，可采用混凝土、漿砌或干砌片石或石碴回填封閉。隧道頂較小溶洞，可采用超前小導管注漿加固與雙液漿進行堵水，較大的溶洞采用超前大管棚注漿加固土體。發(fā)生涌泥及上部存在空腔的，在襯砌外拱頂設(shè)置護拱。

越：較大、較深不宜回填處理的溶洞或溶洞內(nèi)有暗河穿越的溶洞，宜采取梁、拱等方式跨越通過。

繞：溶洞較大較復雜，處理非常耗時的，且隧道邊側(cè)有條件施作導洞的，可采用迂回導坑或?qū)Ф蠢@過溶洞，繼續(xù)隧道前方的施工，同時處理溶洞。

3 處治案例

3.1 工程概況

魏家地隧道是赫章至六盤水高速公路中眾多隧道中的一道；隧道的起訖樁號K43+823～K44+436，長度613m，為雙向四車道左右分幅小凈距隧道；隧道最大埋深113m，為深埋隧道。工程場區(qū)屬千溶蝕峰叢（林）地貌，溶蝕峰叢（林）殘丘地貌，地形起伏大，地勢陡峭，山體自然坡度30°～60°，地表覆蓋層主要為紅黏土，下伏巖層為灰?guī)r。地表無溝渠河谷。

3.2 代表性溶洞情況

在整個隧道施工過程中，因遭遇溶洞造成涌泥及引發(fā)冒頂事故多次；其中有兩處比較特殊及有代表性。

（1）隧道左幅K44+005溶洞：經(jīng)過現(xiàn)場照明后通過影像仔細勘查、測量以及借助地質(zhì)雷達勘探，該處溶洞有以下特征：

（1）溶洞洞體較大，洞內(nèi)上方雖有滲水但無填充物，無破碎體存在，進行簡單清理后，人員可以進入溶洞區(qū)域施工；

（2）溶洞下方較深，有較深沉積物，組成基本為較多黏土、腐植土夾少量細砂石，溶洞呈漏斗狀；

（3）經(jīng)超聲波勘探，四周沒有較大溶洞分支及腔體；

（4）溶洞上下周邊圍巖均為中風化灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育，圍巖的自穩(wěn)能力較好。

隧道左幅開挖至K44+000時，據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報顯示，前方有大型溶洞，具體長寬高不是很明確，地表觀察無異常；通過地質(zhì)雷達及超前地質(zhì)鉆初步探明，溶洞位于K44+005～K44+020，順線路方向長度15m，但未見填充物、無水流出，初步判斷為空溶洞。由于溶腔順線路方向較長，無填充物，管棚效果較差，未進行超前管棚施作。按照“短進尺，弱爆破”控制開挖至K44+005掌子面時，掌子面正中間出現(xiàn)一處大型空溶洞，溶洞內(nèi)上方有較多地方滲水。經(jīng)測量，溶洞橫向?qū)?m，縱向長15m，向下延伸約43m，向上延伸30m。該處隧道埋深96m，溶洞未影響至地表。

（2）隧道左幅K44+210溶洞：雖用超前大管棚進行超前加固，但溶洞揭露后，因填充物流動性大，仍然發(fā)生涌泥至冒頂。經(jīng)過3d的停置及洞內(nèi)外觀察，該處溶洞有以下特征：

（1）溶洞洞體較大、較高；地表覆蓋層已因洞內(nèi)填充物涌出發(fā)生失穩(wěn)墜入洞內(nèi)，地表洞口暫時沒有急速擴大趨勢；洞體頂部周邊巖體分層較薄較破碎，溶洞內(nèi)隨時有零星石塊崩落，人員無法進入溶洞區(qū)域內(nèi)施工；溶洞內(nèi)已無涌出物。

（2）對隧道內(nèi)涌泥進行清理，可見溶洞下端出露洞口位于隧道右上側(cè)，下部圍巖為灰?guī)r，巖溶發(fā)育，整體性較好，圍巖的自穩(wěn)能力較好。

（3）穿越溶洞的超前大管棚已基本向下彎曲變形；管棚上堆積較多地表沉陷植被、少量塊石夾雜黏土。

（4）溶洞下部止于上導坑拱腰位置，距拱頂4m；經(jīng)超前地質(zhì)雷達勘探，隧道周邊溶隙發(fā)育，無大的洞體，該溶洞未向隧道底部發(fā)育。

隧道左幅開挖至K44+205時，據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，前方有較大溶洞，具體長寬高不明確，地表觀察無異常；通過地質(zhì)雷達及超前地質(zhì)鉆初步探明，溶洞位于K44+210～K44+217，順線路方向長度7m左右，寬度約4m；溶洞內(nèi)填充物主要為紅黏土、見少量水滲出。為確保施工安全，在K44+205 掌子面施作超前大管棚貫穿溶洞，長度20m，間距40cm；環(huán)向施作超前小導管及徑向錨桿，超前小導管采用雙液漿注漿。按照“短進尺，弱爆破”控制開挖至K44+210掌子面時打穿溶洞，發(fā)生涌泥至冒頂；涌泥大都為黏土，呈稠狀，夾有樹木等植物及少量石塊、石碴；涌泥堆填隧道內(nèi)長度36m，最深近5m，幾乎將掌子面全部填埋；經(jīng)測量，冒頂處埋深53m；地表形成寬6m，長13m橢圓形深坑，處于山谷低洼處邊緣，山體有少量滲水流入。

該兩處掌子面掘露地質(zhì)均為中風化灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶發(fā)育，但圍巖的自穩(wěn)能力較好。

3.3 處治方案

3.3.1 隧道左幅K44+005溶洞處理

經(jīng)討論確定采用上下護拱施工，用以加強隧道拱頂及底部，確保隧道總體安全。施工方案如下：

（1）底部加強：采用硬質(zhì)片塊石、碎石對溶洞下部進行回填，回填至仰拱底3m，再回填2m厚C20片石混凝土，然后再回填1m厚C30鋼筋混凝土；再回填碴石至上導坑開挖平臺以方便施工；

（2）初支加強：調(diào)整隧道支護形式，由原IVb調(diào)整為Vb，鋼拱架由原來的I18a改為I20a；

（3）拱頂加強：在溶洞區(qū)域隧道襯砌外側(cè)增設(shè)C30素混凝土護拱，護拱在拱頂處厚度2m；

（4）崩塌緩沖：在護拱上預(yù)留2個Ф108的吹砂孔超出護拱界面約2m高，通過吹砂孔在護拱上吹填2m厚細砂，作為防止溶洞上方后期發(fā)生巖體崩塌時沖擊隧道襯砌的緩沖層。吹砂孔在施作初支噴射混凝土時進行封堵；

（5）引水：施作護拱時埋設(shè)2根Ф108mm×6mm的排水管（左右側(cè)各1根）用以引流，需順接環(huán)向排水管引入邊溝；

（6）圍巖加強：環(huán)拱圈施作超前小導管及徑向錨桿，超前小導管采用雙液漿注漿。

3.3.2 隧道左幅K44+210溶洞處理

根據(jù)該處溶洞特點，經(jīng)討論確定采用增加拱頂護拱回填法施工。施工方案如下：

（1）超前大管棚加強：開挖掘露溶洞前5m在掌子面頂部施作超前大管棚，一方面，通過管棚注漿，盡可能固結(jié)溶洞內(nèi)填充物，形成護拱；另一方面，如因注漿效果不理想，開挖后填充物發(fā)生坍塌或突出或涌出（如本案情況），可作為后期施作護拱提供臨時安全防護及支撐措施；大管棚采用Ф108mm×6mm無縫鋼管，管內(nèi)設(shè)置4Ф20鋼筋籠，采用C20凈水泥漿壓注；

（2）防排水：對地表坍塌線外5m周邊開挖截水溝，用砂漿進行抺面；用彩條布設(shè)臨時雨棚進行全遮蓋；防止地表水滲入坍體或地下,減小坍塌擴散。緊靠截水溝修筑護欄，防止人畜跌落。

（3）增設(shè)護拱：清理淤泥，回填石碴至距洞頂2m左右，掌子面對洞口關(guān)模，分層向洞內(nèi)回填C30素混凝土形成護拱，護拱在拱頂處襯砌外厚度2m；

（4）緩沖層：在護拱上預(yù)留2個Ф108的吹砂孔超出護拱界面約2m高，通過吹砂孔在護拱上吹填2m厚細砂，作為防止溶洞上方后期發(fā)生巖體崩塌時沖擊隧道襯砌的緩沖層。吹砂孔在施作初支噴射混凝土時進行封堵；

（5）初支加強：調(diào)整隧道支護形式，由原IVb調(diào)整為Vb，鋼拱架由原來的I18a改為I20a；

（6）引水：施作護拱時埋設(shè)2根Ф108mm×6mm的排水管（左右側(cè)各1根）用以引流，需順接環(huán)向排水管引入邊溝；

（7）圍巖加強：環(huán)拱圈施作超前小導管及徑向錨桿，超前小導管采用雙液漿注漿。

上述2個溶洞經(jīng)過處治，隧道得已順利通過，經(jīng)過監(jiān)測，隧道沉降和圍巖收斂均在可控范圍內(nèi)。

4 處治要點

（1）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報中溶洞的信息，及時采取“短進尺、弱爆破”等控制措施，減小對圍巖的擾動，并確保掌子面有足夠的安全厚度。采用地質(zhì)雷達、超前地質(zhì)鉆等方法進一步進行探測，收集溶洞詳細信息；

（2）通過監(jiān)控掌握地表變化情況；

（3）根據(jù)溶洞地質(zhì)探測情況，分析預(yù)判溶洞掘露后最壞的影響，重點考慮施工安全，確定處治施工方案以及詳細的施工工序；

（4）溶洞處治前均需先治水；

（5）在未掌握溶洞詳細信息前，未確定施工方案前切勿冒險施工；

（6）溶洞掘露前除必要設(shè)備外，其余設(shè)備均需臨時撤除。

5 結(jié)束語

喀斯特巖溶地貌隧道施工遭遇溶洞較為普遍，根據(jù)理論聯(lián)系實施案例可知，可通過多種地質(zhì)勘探等輔助手段提前對溶洞情況進行預(yù)判，作好必要的超前加強措施，科學制定設(shè)計方案，可有效、安全、快速、經(jīng)濟地處理溶洞施工難題，在確保施工人員生命財產(chǎn)安全的同時，也為后期隧道安全運營提供有力的保障。