公路隧道施工中溶洞處理技術(shù)研究

作者簡介：

范國宇（1995—），碩士，助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)工程管理工作。

公路隧道穿越有充填型溶洞時，因圍巖受到擾動或支護(hù)不及時，易導(dǎo)致掌子面圍巖失穩(wěn)，出現(xiàn)滑塌、塌方等安全問題。文章以大新至憑祥高速公路痕塘隧道為例，對痕塘隧道k243+018～k243+008溶洞段進(jìn)行研究，采用地質(zhì)雷達(dá)探測和超前鉆探兩種方法探明掌子面前方圍巖情況，并結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，制定合理的溶洞處理方案：S5a襯砌支護(hù)+雙層超前小導(dǎo)管+勤量測，且在溶洞段施工過程中，加大監(jiān)測頻率，較為準(zhǔn)確地掌握隧道的位移變化情況。結(jié)果表明：此段隧道拱頂沉降和周邊收斂均在合理范圍內(nèi)，驗證了此溶洞處理方案的合理性，確保了隧道施工安全。

公路隧道；溶洞；圍巖情況；溶洞處理

中圖分類號：U457+.2 A 30 095 3

0 引言

在我國高速公路建設(shè)工程中，隧道工程處于非常重要的位置。巖溶地質(zhì)在我國西南部和中部地區(qū)十分常見。在巖溶地區(qū)修建隧道時，經(jīng)常會遇到溶洞，溶洞的存在影響了施工進(jìn)度和施工人員的安全。因此，在巖溶地區(qū)修建隧道是十分困難的，需要根據(jù)現(xiàn)場情況制定溶洞處理方案，以確保隧道施工人員的安全。

為確保隧道能安全順利地穿越溶洞段，許多研究人員結(jié)合理論知識，對現(xiàn)場情況進(jìn)行分析，提出了許多處理方案。劉高星等［1］對周盤溝隧道巖溶段采用的護(hù)拱+鋼筋網(wǎng)的溶洞處理方案進(jìn)行介紹，并結(jié)合現(xiàn)場工程應(yīng)用驗證了此方案的合理性。王少輝等［2］針對那丘隧道大型溶洞提出了采用洞渣回填和“承載樁基+縱橫框架梁板+鋼筋混凝土擋墻”組合結(jié)構(gòu)的綜合方案。朱建偉等［3］以鄭萬鐵路小三峽隧道為例，對現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析，提出采用梁板跨越+外封內(nèi)排+支護(hù)加強(qiáng)措施處理溶洞。李鳴沖［4］針對龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800溶洞段，提出了復(fù)合地基+整體結(jié)構(gòu)、單壓式結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)的處治方案。王建等［5］對隧道底部揭露的巨型溶洞進(jìn)行了研究，提出采用工字鋼橫跨隧道底面以下溶洞，并在工字鋼上澆筑鋼筋混凝土板的方案，以避免溶洞回填效果不佳的情況。蔣進(jìn)波［6］根據(jù)溶洞的不同位置及形態(tài)，提出不同形態(tài)溶洞的處治方案。

本文根據(jù)研究人員提出的溶洞處理方案，采用地質(zhì)雷達(dá)探測和超前鉆探兩種方法探明掌子面前方圍巖情況，并結(jié)合監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，制定合理的溶洞處理方案。同時，加密測點，加大監(jiān)測頻率，較為準(zhǔn)確地掌握了隧道的位移變化情況。

1 工程概況

痕塘隧道左洞設(shè)計長度為823 m，右洞設(shè)計長度為826 m，左右洞平面設(shè)計線間距為13.8～24.9 m，隧道凈高為5.0 m，最大埋深為192.0 m。隧址區(qū)屬溶蝕-堆積峰林谷地地貌，海拔高程一般約為170.3～395.6 m，相對高差約為225.3 m；隧道進(jìn)出口均為斜坡地形，山體較陡，自然坡度為30°～50°，局部陡立。隧道進(jìn)口段自然坡度約為34°，坡向約為3°；出口段自然坡度約為46°，坡向約為109°。

2 溶洞情況

2.1 地質(zhì)描述

痕塘隧道右洞憑祥端掌子面樁號為K243+018，地層主要有層狀中風(fēng)化灰?guī)r，為較硬巖，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，具有一定的溶蝕現(xiàn)象。該段隧道開挖后，圍巖可能出現(xiàn)拱頂松動，側(cè)壁自穩(wěn)能力較差而坍塌。K243+018～K243+008段設(shè)計為Ⅳ級圍巖，支護(hù)類型為S4b，采用Ⅰ14型鋼拱架，間距為100 cm，噴射混凝土厚度為20 cm，二襯厚度為40 cm。

2.2 掌子面情況描述

痕塘隧道憑祥端右洞揭露掌子面（K243+018）右側(cè)拱腰位置為中風(fēng)化灰?guī)r，左側(cè)拱腰下2 m至拱頂及右側(cè)拱腰處，揭露一個溶洞，溶腔寬度為6.5 m、高度為8 m、縱向為7 m，溶腔內(nèi)為黏土+孤石填充，填充物較潮濕，未發(fā)現(xiàn)出水情況。在出渣過程中，正拱頂處存在掉塊現(xiàn)象（黏土），掌子面受擾動后出現(xiàn)了塌方跡象，塌方持續(xù)時間約為15 min，掌子面整體被掩埋。后續(xù)采用洞渣對塌方進(jìn)行回填反壓處理，并修整出施工超前小導(dǎo)管作業(yè)平臺，便于施工超前支護(hù)。

第二天發(fā)現(xiàn)拱頂土體有掉塊滑動跡象，隨后拱頂處的土體開始向外推移，1 h左右塌方體趨于穩(wěn)定狀態(tài)。通過現(xiàn)場觀察，塌方體主要由軟塑狀黏土組成，本次塌方體約500 m3左右，長度約為18 m，寬度為12.5 m，高度平均為3.5 m。在塌方體端頭位置進(jìn)行了標(biāo)識，對塌方體進(jìn)行了監(jiān)測。土體向外滑移1 m后，未出現(xiàn)位移變化。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)報

探地雷達(dá)100 MHz屏蔽天線Scan圖與Wiggle圖如圖1所示。

痕塘隧道憑祥端右洞K243+027～K243+007段的地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果如下：

（1）測線前方K243+023～K243+021段中測區(qū)域、K243+013～K243+011段中間區(qū)域各出現(xiàn)一組同相軸較連續(xù)的、不均勻的中低頻反射波，振幅較強(qiáng)、變化較快、有規(guī)律、波形雜亂。根據(jù)掌子面揭露圍巖情況，初步推斷以上區(qū)域內(nèi)為巖溶，可能存在夾泥層、溶蝕裂隙，圍巖整體性和穩(wěn)定性較差。

（2）其他區(qū)域內(nèi)，電磁波反射波組不多，有零星的電磁反射信號，信號的振幅不強(qiáng)，頻率中等，同相軸較連續(xù)。初步判斷此區(qū)段范圍內(nèi)巖層較為完整，節(jié)理發(fā)育一般，含水量不大。

2.4 超前鉆探預(yù)報

針對痕塘隧道憑祥端地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，進(jìn)行了右洞K243+020處的超前鉆探。本次掌子面鉆探設(shè)置鉆孔3個，依次分別編號為1號、2號、3號。

（1）1號孔（中線拱頂）：里程樁號為K243+020，鉆孔深度為31 m?？變?nèi)地質(zhì)情況：0～4 m位置為注漿料+中風(fēng)化白云巖；4～7 m位置為中風(fēng)化白云巖；7～28 m位置為黏土，泥渣潮濕，不易吹出孔外，鉆進(jìn)速度較快；28～31 m位置為中風(fēng)化白云巖。

（2）2號孔（右側(cè)拱腰）：里程樁號為K243+019.7，鉆孔深度為31 m?？變?nèi)地質(zhì)情況：0～4 m位置為注漿料+中風(fēng)化白云巖；4～6 m位置為中風(fēng)化白云巖；6～28 m位置為黏土，泥渣潮濕，不易吹出孔外，鉆進(jìn)速度較快；28～31 m為中風(fēng)化白云巖。

（3）3號孔（左側(cè)拱腰）：里程樁號為K243+020.1，鉆孔深度為31 m。孔內(nèi)地質(zhì)情況：0～4 m位置為注漿料+中風(fēng)化白云巖；4～7 m位置為中風(fēng)化白云巖；7～25 m位置為黏土，泥渣潮濕，不易吹出孔外，鉆進(jìn)速度較快；25～31 m位置為黏土，含水量較低，不易吹出孔外，鉆進(jìn)速度較慢。

2.5 監(jiān)控量測結(jié)果

右洞K243+023處的拱頂沉降量最大，為1.8 mm；K243+083處的累計沉降量最大，為22.3 mm；K243+023處的周邊位移最大，其值為2.0 mm；K243+093上臺階的累計收斂值最大，其值為21.7 mm。測點的實測位移值U均小于U0/3，屬于Ⅲ級位移管理等級，支護(hù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，待掌子面坍塌排險處理完成后可正常施工。

3 溶洞處理方案

3.1 具體處理措施

（1）采用洞渣對塌方體進(jìn)行反壓回填，對土體起支撐作用，防止土體繼續(xù)滑動。土體按照0.7 m間距梅花形布設(shè)5 m長小導(dǎo)管，小導(dǎo)管暫設(shè)置7排，每排18根；然后用30 cm厚C25噴射混凝土對塌方體進(jìn)行封閉，待強(qiáng)度滿足要求后，對塌方體進(jìn)行注漿固結(jié)。待掌子面處于穩(wěn)定狀態(tài)后，開展后續(xù)施工，確保施工安全。

（2）K243+018～K243+008段支護(hù)類型由S4b調(diào)整為S5a。S5a支護(hù)參數(shù)見表1。工字鋼左右側(cè)鎖腳均采用雙排直徑為42 mm注漿鋼花管，長度按4.5 m設(shè)置。

（3）K243+018～K243+008段采用雙層小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，第一環(huán)角度為5°～12°，第二環(huán)角度為12°～30°。導(dǎo)管環(huán)向間距為40 cm，每環(huán)35根，每根長6.0 m，縱向排距為2.4 m。如圖2、圖3所示。

（4）K243+018～K243+008段開挖方法采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工。

（5）施工下臺階前對該段隧底方向進(jìn)行巖溶探測，探明拱底下方圍巖情況，根據(jù)拱底圍巖情況，確定后續(xù)的仰拱施工處置方案。

（6）施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測及現(xiàn)場安全預(yù)警，加密監(jiān)控量測點，對掌子面進(jìn)行超前地質(zhì)雷達(dá)掃描及超前地質(zhì)鉆探，對仰拱底進(jìn)行雷達(dá)探溶，如發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時上報。一旦掌子面出現(xiàn)向外滑移、拱頂塌落等情況，應(yīng)立即停止施工，撤離作業(yè)人員。

3.2 處理后溶洞段變化

在k243+008～k243+018溶洞段的施工過程中，為了更準(zhǔn)確地了解隧道拱頂沉降和周邊收斂的變化情況，將k243+008～k243+023段分為7個監(jiān)測斷面，并對隧道位移變化進(jìn)行了監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出此段隧道拱頂沉降和周邊收斂變化曲線，如圖4和圖5所示。由圖4～5可知，在k243+008～k243+018溶洞段施工過程中，隧道拱頂沉降和周邊收斂基本趨于穩(wěn)定。隧道拱頂沉降變化最大的是k243+018斷面，累計沉降量為30.23 mm。隧道周邊收斂變化最大的是k243+008斷面，周邊收斂為18.7 mm，k243+023處周邊收斂最大，其值為22.47 mm。由于掌子面施工對相鄰段隧道初支影響較大，施工過程中應(yīng)盡量減少對圍巖的擾動，保證相鄰隧道初支穩(wěn)定。

按照本文所制定的溶洞處理方案進(jìn)行隧道施工，施工過程隧道拱頂沉降和周邊收斂變化均在合理范圍內(nèi)，且基本趨于穩(wěn)定。k243+008～k243+018段二次襯砌已完成澆筑，隧道沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象，驗證了溶洞處理方案的合理性。

4 結(jié)語

（1）當(dāng)隧道穿越有充填型溶洞時，應(yīng)該結(jié)合圍巖情況和監(jiān)測數(shù)據(jù)制定施工方案，控制隧道開挖長度，及時用噴射混凝土封閉掌子面、施作初期支護(hù)，確保圍巖穩(wěn)定，從而避免掌子面塌方的發(fā)生。

（2）在隧道施工過程中，應(yīng)加大監(jiān)測頻率和監(jiān)測點密度，較為準(zhǔn)確地掌握隧道拱頂沉降和周邊收斂的變化情況是否在合理范圍內(nèi)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工方案，確保隧道的施工安全。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-10-12