大塘隧道巖溶特征及處治方案探討

嚴德添 陳人豪 孟繁賀

摘要：文章介紹了廣西壯族自治區(qū)三江至柳州高速公路NO11標段大塘隧道溶洞發(fā)育規(guī)模、形態(tài)特征，總結了溶洞處治原則及思路，針對典型溶洞提出了相應的處治方案，并介紹方案實施的具體步驟。該隧道已順利實現(xiàn)貫通，可為以后類似溶洞處治提供借鑒。

關鍵詞：溶洞、形態(tài)特征、處治方案

中圖分類號：U457+.2A381303

0引言

近年來，隨著廣西高速公路的大力發(fā)展和建設，新建高速公路橋隧比有逐漸升高的趨勢，且隧道占比較多。廣西碳酸鹽巖出露面積占全區(qū)土地的比重＞40%，很多隧道在巖溶區(qū)修建，而巖溶區(qū)隧道遇到溶洞的概率非常高，給隧道工程建設帶來很大的風險。

本文以廣西壯族自治區(qū)三江至柳州高速公路NO.11標段大塘隧道溶洞處治工程為依托，列舉了典型溶洞發(fā)育形態(tài)特征，對該隧道溶洞的處治思路、措施和處治效果進行分析，總結了隧道溶洞處治技術措施。

1工程概況

大塘隧道位于柳城縣太平鎮(zhèn)近潭村大塘屯與新村尾屯之間的山體中。該隧道為分離式隧道，起于IK139+360、JK139+370，終于IK140+320、JK140+340，設計長度為965 m（公里樁號長），設計高程約為146～170 m（黃海高程），最大埋深約為280 m。隧道區(qū)屬峰叢谷地地貌。

2地質構造

隧道位于甲伴嶺區(qū)域性大斷層影響帶內，該斷層帶走向呈近東西向，斷線向南、北方向彎曲呈弧形，斷距為300～500 m。甲伴嶺區(qū)域斷層的分支逆斷層太平-柳城斷層（F：82°/NW∠65°）從隧道區(qū)經過，在JK140+035（IK140+021）附近與隧道大角度相交，錯斷石炭系地層，規(guī)模不大。隧道山體巖層呈單斜構造，進洞口處巖層產狀為195°∠52°，隧道中部巖層產狀為210°∠35°，出洞口處巖層產狀為240°∠42°。產狀變化較大。

隧道主要穿越石炭系上統(tǒng)（C3）及中統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r地層，該地層巖石多呈厚層狀構造，包括中風化、微風化巖石，巖質較硬-堅硬狀。

3溶洞發(fā)育規(guī)模與形態(tài)特征

大塘隧道屬于線位斜穿巖溶孤峰高位洼地的情況，施工過程中揭露了多處規(guī)模大小不一、形態(tài)各異的溶洞，顯示出該隧道所處區(qū)域巖溶不良地質強烈發(fā)育。其較典型溶洞發(fā)育形態(tài)特征見表1。

在隧道施工中所遇到的溶洞均為大中型溶洞，其中部分溶洞出現(xiàn)涌沙現(xiàn)象。從施工所揭露的情況來看，隧道穿過巖溶水垂直循環(huán)帶，地表的縱深裂隙、落水洞或溶洞等向下延伸至隧道附近時逐漸擴大為溶洞。各溶洞多與地表溶蝕裂隙連通，雨季地表水多沿裂隙下滲匯集至溶洞內形成溶洞水，水流匯集和消散的時間均較長，水量隨降雨變動較大。

4溶洞處治原則及思路

溶洞對隧道工程的影響主要是空穴、地下水、洞穴填充物、坍塌及洞頂?shù)乇硭莸?個方面［1］。廣西壯族自治區(qū)三江至柳州高速公路NO11標段大塘隧道施工中所遇到的溶洞均為大中型溶洞，項目根據(jù)溶洞的大小及發(fā)育形態(tài)特征，對溶洞采用“探溶洞、強支護、弱擾動、固基底”12字原則進行處治。發(fā)現(xiàn)溶洞后，首先結合掌子面揭露情況，進行超前地質預報，并采用長短探孔探明溶洞發(fā)育情況、填充情況；根據(jù)溶洞情況對溶洞段襯砌支護進行加強并采用對圍巖擾動更少的施工方法；隧道基底溶洞處理不當易出現(xiàn)仰拱斷裂和隧道整體下沉的現(xiàn)象［4］，根據(jù)隧道基底溶洞發(fā)育情況采用C15混凝土換填方案、板跨越方案、樁板方案、鋼管樁方案或旋噴樁方案進行處治。

5典型溶洞處治方案

（1）右洞IK139+924～IK139+954段填充型大溶洞，以粉細砂、塊石等填充為主，填充物具有含水量大，易流動性等特點。根據(jù)補充勘察資料，該溶洞范圍橫向超過隧道開挖最大寬度、豎向從上臺階至基底約12 m深。如圖1所示。

①超前地質預報及超前支護：結合掌子面揭露情況，進行超前地質預報，并采用長短探孔對溶洞四周、前方、基底進行驗證，要求基本探明溶洞發(fā)育及填充情況。主洞超前支護采用雙層小導管，環(huán)向間距為30 cm，搭接長度≥150 cm，其中內層小導管長450 cm，角度為15°，外層小導管長600 cm，角度為40°［2］；側導洞超前支護采用單層小導管，長450 cm，角度為30°。

②支護方案調整：為確保施工及結構安全，結合超前地質預報及超前探孔驗證，IK139+924～IK139+954段支護參數(shù)由S4-B型調整為S5-A型襯砌支護；同時取消S5-A型襯砌系統(tǒng)錨桿，改成42×4 mm注漿小導管；增大預留變形量，由10 cm調整為25 cm。

③施工方法調整：采用單側壁導坑法，要求每循環(huán)進尺不得≥0.5 m［3］；加強鎖腳，采用兩根89×5 mm鋼管，長度≥8 m，角度為45°；根據(jù)監(jiān)控量測結果，在必要時設置臨時仰拱。在溶洞段開挖后立即對新暴露的開挖面積掌子面進行噴射混凝土封閉，厚度為10 cm，同時對突水點預埋排水管進行臨時引排。

④溶洞段基底處治：溶洞段兩端填充物埋深淺的段落，采用C15混凝土換填方案；對于填充物埋深較深的段落，采用板跨越方案，具體尺寸為13 m×12.6 m×1.5 m（縱向×橫向×厚度）鋼筋混凝土板，實際跨徑為11 m。

（2）左洞JK139+895～JK139+937段屬于半填充型大溶洞，存在導水巖溶管道與地表相通。施工期間左側拱腳出現(xiàn)涌水涌沙情況，最大涌水量約為0.3 m3/s，最大一次涌出泥沙量約為3 000 m3；降雨時洞內涌水水勢急、水量大，降雨停止3 d后停止涌水。溶腔內部出現(xiàn)塌方，大量泥沙及孤石滾落擠壓初支。溶洞發(fā)育于隧道左側，從隧道拱頂外約2 m處向左發(fā)展，上下貫通隧道，縱向長度＞30 m，基底往下厚度約11 m，溶洞內充填泥沙、大塊孤石等。如圖2所示。

處治設計（見下頁圖3）：

①超前地質預報：結合掌子面揭露情況，進行超前地質預報，并采用長短探孔對溶洞四周、前方、基底進行驗證，要求基本探明溶洞發(fā)育及填充情況。

②支護方案調整：為確保施工及結構安全，結合超前地質預報及超前探孔驗證，JK139+895～JK139+937段支護參數(shù)由S4-B型調整為S5-A型襯砌支護；取消支護溶洞側系統(tǒng)錨桿，改成42×4 mm注漿小導管；增大預留變形量，由10 cm調整為15 cm。在溶洞側初支外側，采用C15素混凝土澆筑形成厚度≥3 m的保護殼。

③施工方法調整：采用三臺階七步開挖法，每循環(huán)進尺≤0.5 m［3］；加強鎖腳，采用兩根89×5 mm鋼管，長度≥8 m，角度為45°；根據(jù)監(jiān)控量測結果，在必要時設置臨時仰拱。對突水點預埋排水管進行臨時引排，做好反濾措施，保證排水管通暢。

④溶洞段基底處治：擬定溶洞段大樁號側埋深較淺的段落，直接采用C15混凝土換填方案；對于JK139+896～JK139+926段溶洞基底處治采用梁板跨越方案。采用30 m×8.6 m×0.9 m（縱向×橫向×厚度）鋼筋混凝土板，增設縱向地基梁作為主力受力構件，具體尺寸為30 m×2.6 m×2.1 m（縱向×橫向×厚度），同時地基梁中部設置200 cm的樁。如圖3所示。

（3）左洞JK139+495～JK139+555段大型填充型溶洞，該溶洞發(fā)育貫穿整個隧道，以土夾石、軟塑狀黏土填充為主，隧底松軟，地基承載力不足，拱部及拱腳滲水嚴重，開挖過程中出現(xiàn)了塌方、大變形、地表塌陷等問題。見下頁圖4。

處治設計（見圖5）：

①超前地質預報：結合掌子面揭露情況，進行超前地質預報，并采用長短探孔對溶洞四周、前方、基底進行驗證，要求基本探明隧道發(fā)育情況、填充情況。

②支護方案調整：JK139+495～JK139+555溶洞段原支護形式為S4-B/S5-B，根據(jù)超前地質預報及掌子面情況，對支護進行了加強處理。支護類型中取消系統(tǒng)錨桿，改成42×4 mm注漿小導管；增大預留變形量，由12 cm調整為20 cm。

③施工方法調整：采用三臺階七步開挖法，要求每循環(huán)進尺不得＞0.5 m［3］；加強鎖腳，采用兩根89×5 mm鋼管，長度≥8 m，角度為45°；根據(jù)監(jiān)控量測結果，在必要時設置臨時仰拱。

④溶洞段基底處治：結合補勘資料、現(xiàn)場開挖揭露情況，仰拱下軟弱下臥層最大深度達30 m，且拱頂荷載大。鑒于隧道二襯是剛性結構，對沉降（整體下沉，不均勻沉降）十分敏感。基于控制沉降目的，考慮洞內施工場地限制，通過比選論證樁板方案、鋼管樁方案、旋噴樁方案，最終確定了鋼管樁地基處理方案。其中A型鋼管樁有效直徑≥15 cm，內置89×5 mm鋼花管；B型鋼管樁有效直徑≥10 cm，內置42×4 mm鋼花管。

6結語

溶洞處理，首先需要采取超前地質預報、超前探孔、地質鉆孔、物探等綜合手段查明溶洞具體的發(fā)育規(guī)模、形態(tài)特征，然后再采取針對性的處治方案。本文詳細介紹了大塘隧道溶洞的形態(tài)特征，總結了溶洞處治原則及思路，并結合3個典型溶洞處治經驗，證明上述處治措施是可行的，為今后類似隧道溶洞處治提供了借鑒及建議。

參考文獻

［1］ 傅中文，舒磊，謝為民.復雜地質條件下隧道施工中典型巖溶處理措施［J］.山西建筑，2009，35（7）：299-302.

［2］JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程［S］.

［3］JTG/T 3660-2020，公路隧道施工技術規(guī)范［S］.

［4］賴金星，汪珂，邱軍領.溶洞位置對隧道結構影響的數(shù)值模擬研究［J］.公路，2015，60（8）：275-281.

作者簡介：嚴德添（1990—），工程師，主要從事公路隧道勘察設計研究工作。