公路隧道施工中溶洞處治措施研究

作者簡介：黎峰銘（1998—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

溶洞是公路隧道典型的不良地質(zhì)之一，其獨(dú)特的地貌特征給施工建設(shè)很大的困擾。針對這一問題，文章結(jié)合大新經(jīng)龍州至憑祥高速公路崇德隧道施工過程中所遇到的溶洞及其處治方案，通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證CD法開挖+樁頂承臺(tái)拱底軟基處理措施的實(shí)效性，可為類似溶洞處治提供參考及指導(dǎo)。

公路隧道；監(jiān)控量測；CD法開挖；拱底軟基處理

中圖分類號：U457+.2 A 34 106 3

0 引言

巖溶地貌又稱喀斯特地貌，在我國西南地區(qū)分布較為廣泛。巖溶洞穴的形成是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果，石灰?guī)r不溶性的碳酸鈣受水和二氧化碳相互作用轉(zhuǎn)化為微溶性的碳酸氫鈣，逐漸發(fā)育成各式各樣的巖溶地貌和巖溶形態(tài)，給工程建設(shè)帶來一定的復(fù)雜性。隨著我國交通強(qiáng)國建設(shè)步伐的不斷加快，隧道施工以其明顯的特點(diǎn)，給巖溶地區(qū)施工帶來極大的安全挑戰(zhàn)。若未能妥善處治好巖溶隧道復(fù)雜的地質(zhì)，勢必會(huì)極大地影響隧道的正常施工，嚴(yán)重的會(huì)造成人員傷亡及重大經(jīng)濟(jì)損失。

為了解決隧道施工溶洞處治的各類問題，國內(nèi)眾多研究人員對此展開了廣泛的探討，總結(jié)出許多處治方案。賈曉旭等［1］以雁口山隧道為依托工程，分析研究軟弱圍巖隧道在CD法和臺(tái)階法兩種不同開挖方法施工過程中的圍巖變形、應(yīng)力變化和圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了CD法能更好地控制圍巖變形和應(yīng)力發(fā)展，塑性區(qū)分布范圍也明顯小于臺(tái)階法。馬乃富［2］結(jié)合大塘隧道采用鋼管樁施工方案進(jìn)行隧道軟基處理，并介紹了鋼管樁法的施工流程、工藝及注意事項(xiàng)。張民慶等［3］針對宜萬線大型巖溶型隧道，上部主要采取護(hù)拱回填、注漿加固及大管柵預(yù)支護(hù)，基底主要采取鋼管樁、板跨、梁跨、樁基承臺(tái)、回填路基等措施，以防止出現(xiàn)大面積塌方。李錕［4］以湖北滬蓉西高速公路巖灣隧道施工中所遇到的特大型溶洞為研究對象，結(jié)合該溶洞特點(diǎn)，采用洞渣回填、橋跨和拱形防護(hù)共同跨越的合理處治措施，豐富了隧道特大型溶洞的處治技術(shù)。

本文參考以上研究成果，采用地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆探探明溶洞前方圍巖情況，綜合分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)地貌，對崇德隧道左洞溶洞提出合理的處治方案。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)基本情況

崇德隧道為分離式隧道，左線起訖里程樁號為ZK218+791～ZK219+026，長235 m，最大埋深約126 m，處于樁號ZK218+900；右線起訖里程樁號為K218+809～K219+029，長220 m。其中左線Ⅴ級圍巖長度為135 m，占隧道全長57.4%；Ⅳ級圍巖長度為100 m，占隧道全長42.6%。右線Ⅴ級圍巖長度為130 m，占隧道全長59.1%；Ⅳ級圍巖長度為90 m，占隧道全長40.9%。崇德隧道為短隧道，左、右線進(jìn)出口洞門形式均擬采用端墻式，燈光照明，自然通風(fēng)。上宙每幅有效凈空（寬×高）為13.0 m×5.0 m。進(jìn)口端左線明洞段為3 m，右線明洞段為3 m。

1.2 溶洞情況描述

崇德隧道進(jìn)口左洞掌子面樁號為ZK218+895（設(shè)計(jì)為Ⅳ級圍巖），累計(jì)進(jìn)尺101 m。作業(yè)人員正在進(jìn)行超前小導(dǎo)管施工，左洞掌子面右側(cè)發(fā)現(xiàn)有溶洞跡象，立即對掌子面進(jìn)行初噴，封閉掌子面，于ZK218+893～ZK218+895處增設(shè)臨時(shí)拱架加強(qiáng)支護(hù)鎖口。經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明前方情況后，對掌子面右側(cè)進(jìn)行開挖揭露，在右側(cè)發(fā)現(xiàn)溶洞，溶洞向右側(cè)發(fā)育，溶腔橫向最大寬度約38 m，縱向長度約45 m，向上最大高度約為32.4 m，詳見圖1。

溶洞左側(cè)相對洞室面相對干燥，溶洞基本停止發(fā)育；溶洞右側(cè)雨季有少量點(diǎn)狀滴水，且洞壁多發(fā)育有白色鐘乳石，溶洞仍在緩慢發(fā)展中，溶腔形成時(shí)間較漫長，目前具備完全自穩(wěn)能力。由于溶洞輪廓參差不齊，局部有危巖體發(fā)育，經(jīng)觀察、檢測，溶洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有線狀流水，平時(shí)滴水應(yīng)為巖基裂隙水，判斷揭露溶腔上部無串珠狀溶洞。除隧道左線掌子面放炮時(shí)溶腔內(nèi)有碎石、塊石掉落外，洞內(nèi)平時(shí)無坍塌、崩塌現(xiàn)象，揭露溶腔具備完全自穩(wěn)能力。

1.3 超前預(yù)報(bào)情況

掌子面前方0～25 m的雷達(dá)反射信號以低頻為主，反射信號較強(qiáng)，同相軸時(shí)斷時(shí)連，幅值較強(qiáng)，局部存在震蕩信號，波形整體較雜亂。推測該段（0～25 m）圍巖溶溝發(fā)育，多為泥質(zhì)填充為主，右側(cè)部分存在小空洞，圍巖整體破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，節(jié)理裂隙密集發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。

1.4 超前地質(zhì)鉆探情況

ZK218+895～ZK218+927.7段掌子面右側(cè)圍巖等級推薦為Ⅴ級，推測為巖質(zhì)較堅(jiān)硬、巖體破碎的灰?guī)r地層，巖溶強(qiáng)發(fā)育，水平方向ZK218+895～ZK218+899段、ZK218+909.3～ZK218+914段及ZK218+926.6～ZK218+925.5段和傾斜向下鉆孔ZK218+895～ZK218+907.3段、ZK218+913.5～ZK218+915.8段及ZK218+923～ZK218+927段存在大規(guī)模廳堂式大溶洞，半充填狀，軟-流塑狀黏土填充，溶洞整體往下往右發(fā)育。由于掌子面存在多組節(jié)理裂隙切割，導(dǎo)致拱頂巖體形成楔形體，在后期施工中極易發(fā)生巖體崩塌、掉塊等地質(zhì)災(zāi)害。

1.5 監(jiān)控量測情況

本階段周邊位移、拱頂下沉監(jiān)控量測結(jié)果顯示，左洞ZK218+820～ZK218+894段，右洞ZK218+815～ZK218+872段共26個(gè)斷面圍巖變形正常；22個(gè)斷面累計(jì)位移量小于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的1/3，位移管理等級均為Ⅲ級，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測。

1.6 水文地質(zhì)情況

經(jīng)水文地質(zhì)調(diào)查、測量，結(jié)合詳勘資料，推測隧道下有巖溶管道與隧道大角度斜交通過。巖溶管道入口位于右線隧道出口右150 m處；巖溶管道出口位于隧道左線進(jìn)口左80 m處。經(jīng)測量，巖溶管道入口處水位高程為217.6 m（隧道出口設(shè)計(jì)高程約為226 m）；溶管道出口處水位高程為214.3 m（隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)高程約為223.9 m）。施工揭露溶腔段隧道設(shè)計(jì)高程為224.8 m，高于巖溶管道水面7.2～10.5 m；而鉆探揭露溶腔左側(cè)下部多為可塑狀黏土沉積，沉積厚度為11.6～13 m。溶腔右側(cè)出露白云質(zhì)灰?guī)r，溶蝕嚴(yán)重，地表多強(qiáng)風(fēng)化塊石、碎石堆積；裂隙發(fā)育，巖溶水沿裂隙下滲，排泄?？辈炱陂g經(jīng)水文試驗(yàn)，巖溶管道進(jìn)口處水量約為28～46 L/s，出口處水量約為26～42 L/s。隧道進(jìn)出口處水量相當(dāng)，隧道揭露溶腔段巖溶水與地下水聯(lián)系密切。

2 隧道施工溶洞處治方案與效果

2.1 隧道施工溶洞處治方案的確定

根據(jù)專家評審方案，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，溶洞長時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，決定采用“洞渣回填+CD法開挖+樁頂承臺(tái)”的綜合處治方案：

（1）在左洞ZK218+895掌子面處采用地質(zhì)雷達(dá)+鉆孔的方式對掌子面前方圍巖進(jìn)行探測。

（2）左洞ZK218+885～ZK218+895段采用洞內(nèi)工字鋼臨時(shí)支撐，采用洞渣反壓回填，形成工作平臺(tái)。平臺(tái)上部采用袋裝洞渣碼砌，并采用C25混凝土初噴封閉，同時(shí)預(yù)留42 mm鋼管引排掌子面出水；對掌子面右側(cè)進(jìn)行雙排小導(dǎo)管加固，管長L=6.0 m。完成后待掌子面前方地質(zhì)情況探明后繼續(xù)上臺(tái)階掘進(jìn)。

（3）CD法開挖：

①回填反壓掌子面后才能進(jìn)行開挖施工。左洞掌子面開挖掘進(jìn)時(shí)注意開挖后右側(cè)拱頂懸挑圍巖，加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)縮小開挖斷面，在溶洞一側(cè)以小斷面CD法開挖，采用拱架及噴射混凝土支護(hù)形成側(cè)導(dǎo)坑，將導(dǎo)坑內(nèi)施工右側(cè)拱腳的隧底加固，保證右側(cè)懸挑圍巖段安全掘進(jìn)，待通過黏土基礎(chǔ)段落后根據(jù)圍巖實(shí)際情況使用三臺(tái)階法開挖；護(hù)供上部型鋼拱架端頭鎖腳錨桿采用2排22藥卷錨桿進(jìn)行固定，鎖腳錨桿長3 m，深入基巖＞1.5 m，如圖2所示。

②CD法臨時(shí)拱架使用Ⅰ18型鋼以間距50 cm布置，在上導(dǎo)洞底部用2根22藥卷錨桿進(jìn)行固定，錨桿長2 m?？v向每榀一根與鋼架焊接牢固；頂、底部與襯砌鋼拱架采用螺栓、螺母及連接鋼板方式連接，工字鋼鋼架中心布置間距為50 cm；鋼架之間采用22縱向鋼筋連接，連接鋼筋的環(huán)向間距為100 cm，并在鋼架護(hù)內(nèi)側(cè)、外側(cè)靠近翼緣位置交錯(cuò)布置，連接鋼筋應(yīng)與鋼架焊接牢固。

（4）右側(cè)上臺(tái)階初支完成后進(jìn)行右側(cè)下臺(tái)階開挖及護(hù)拱初期支護(hù)。施工過程中遇基礎(chǔ)為黏土的段落，護(hù)拱基礎(chǔ)采用Ⅰ20 b工字鋼縱向敷設(shè)下墊層，基面不平整時(shí)采用M30砂漿找平，確保拱架受力均勻且穩(wěn)定；采用108×6.0 mm鎖腳錨管，鋼管入巖深度必須＞1 m，鎖腳錨管與護(hù)拱在拱腳處采取U型筋有效連接，縱向使用鋼筋焊接連成整體。為避免護(hù)拱鋼架受壓造成收斂過大變形失效，該段落鋪設(shè)臨時(shí)仰拱進(jìn)行支撐。

（5）在工作面上使用鉆機(jī)鉆孔向下鉆探，確定左洞內(nèi)拱底軟基范圍及深度。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)橫斷信息，ZK218+890～ZK218+911段掌子面右下角為黏土溶腔填充物段落，采取108 mm鋼管樁+樁頂C30鋼筋混凝土蓋梁的方式進(jìn)行處治。拱底軟基處治完成后，在右側(cè)蓋梁上施作0.6 m厚C30鋼筋混凝土護(hù)拱及隧道初期支護(hù)，以完成隧道與溶洞腔體的封堵隔斷。同時(shí)，在施作護(hù)拱的過程中每2 m布設(shè)一道160HDPE排水管接入隧道排水系統(tǒng)。本基礎(chǔ)處治方案為預(yù)設(shè)計(jì)，若下臺(tái)階開挖揭露和鉆孔驗(yàn)證結(jié)果與勘察斷面不符，應(yīng)及時(shí)反饋，調(diào)整基礎(chǔ)加固方案。見下頁圖3～4。

（6）及時(shí)跟進(jìn)仰拱及二襯，全斷面布設(shè)防水板。出水較大段落要在出水點(diǎn)增設(shè)引水管，同時(shí)加密環(huán)向排水管及橫向?qū)?，間距為2 m/道。

（7）襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)：

ZK218+890～ZK218+895段襯砌形式由XSD4a調(diào)整為XSD4a+形式，即初支Ⅰ18型鋼鋼架增加仰拱使之閉環(huán)；ZK218+895～ZK218+920段襯砌形式由XSD4a調(diào)整為XSD5b。

（8）整個(gè)處治過程中做好監(jiān)控量測工作，可加密布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，增加監(jiān)測頻率。

（9）施工過程中如有異常情況或有與本方案不符之處，應(yīng)及時(shí)通知各方到場進(jìn)行調(diào)整處理。

2.2 隧道溶洞段處治后變化情況

為了準(zhǔn)確掌握隧道溶洞段處治后沉降和收斂的變化情況，特將溶洞段K218+889～ZK218+923劃分為8個(gè)監(jiān)測斷面，分別對隧道拱頂下沉及周邊收斂情況進(jìn)行監(jiān)測，如圖5所示。其中溶洞段中ZK218+894拱頂A點(diǎn)累計(jì)位移情況及周邊收斂1#測線累計(jì)位移情況如圖6～7所示，沉降、收斂基本趨于穩(wěn)定。目前隧道已順利貫通，K218+889～ZK218+923段二次襯砌已澆筑完成，隧道未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，表明該隧道溶洞綜合處治效果良好。

3 結(jié)語

（1）施工時(shí)須高度重視隧道監(jiān)控量測工作，實(shí)時(shí)收集分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，掌握圍巖變形情況，以指導(dǎo)隧道施工。保證隧道施工整體過程清晰可控。

（2）溶洞處治是一門復(fù)雜的技術(shù)，應(yīng)因地制宜，綜合多種處理方法來制定有針對性的處治方案，確保隧道施工及后期運(yùn)營的安全，以求取得最佳的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

［1］賈曉旭，趙玉成.軟弱圍巖隧道CD法和臺(tái)階法施工力學(xué)行為分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，60（7）：121-125.

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［3］張民慶，黃鴻健，苗德海，等.宜萬線隧道工程巖溶治理技術(shù)與工程實(shí)例［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008（1）：26-36，52.

［4］李 錕.巖灣隧道特大型溶洞處治技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2015，35（1）：79-82.

收稿日期：2022-10-20