巖溶地區(qū)公路隧道穿越大型溶洞處治技術(shù)研究

作者簡介：

楊楚兵（1994—），助理工程師，主要從事高速公路建設(shè)工程管理工作。

文章以大新至憑祥高速公路某隧道為例，研究巖溶地區(qū)公路隧道穿越大型溶洞的處治方案。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，提出“洞中洞”方案：在掌子面附近2 m內(nèi)的初支增設(shè)背拱，支護形式調(diào)整為S5a，待初支穩(wěn)定后泵送混凝土形成護拱，增強初支強度，減小危石掉落對隧道結(jié)構(gòu)的影響，同時加強施工監(jiān)控。通過對監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行分析，此溶洞段隧道施工過程中，溶洞圍巖穩(wěn)定，隧道的拱頂沉降和周邊收斂變化均在合理范圍，驗證了“洞中洞”方案的合理性，為類似隧道溶洞處理提供了參考。

巖溶地區(qū)；公路隧道；大型溶洞；處治方案

中圖分類號：U457+.2 A 35 109 3

0 引言

廣西地區(qū)地勢復(fù)雜、險峻，多以喀斯特地貌為主，隧道建設(shè)中常遇到溶洞、突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害。其中，發(fā)育復(fù)雜、規(guī)模巨大的溶洞對于隧道設(shè)計和施工都是一項巨大的挑戰(zhàn)［1-2］。巖溶地質(zhì)特殊性強，溶洞的發(fā)育形態(tài)、填充狀況和地下水運動規(guī)律在不同隧道各不相同，原有的溶洞處治工程案例經(jīng)驗只可借鑒不可照搬。快速、有效地制定針對性強的巖溶處治措施是巖溶隧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題［3-4］。本文以大新至憑祥高速公路工程為依托，結(jié)合后期第三方地質(zhì)勘探結(jié)果，從降低施工風(fēng)險和保證運營安全的角度出發(fā)，研究了某隧道左洞ZK168+113～ZK168+140段溶洞處治方案，以制定安全、合理的溶洞處治措施。

1 工程概況

某隧道左幅長845 m，右幅長836 m，為單向雙車道分離式隧道。隧址區(qū)巖層呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為130°∠34°，主要發(fā)育兩組裂隙，進口與出口處存在差異。據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查，隧址區(qū)主要存在危巖崩塌、堆積體及巖溶，地表多有溶槽、溶溝、落水洞、漏斗、豎井、溶蝕洼地等不良地質(zhì)現(xiàn)象，地下常出現(xiàn)巖溶空腔。

2 溶洞規(guī)模及發(fā)育特征

某隧道進口左洞樁號ZK168+113掌子面揭露大型溶洞，掌子面圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，溶蝕裂隙發(fā)育，層間結(jié)合較差，圍巖自穩(wěn)能力較差。左側(cè)溶洞位于上臺階掌子面左側(cè)拱頂至拱腳位置。溶洞局部揭露后，其環(huán)向?qū)挾燃s為5 m、縱向深度約為30 m、拱頂向上高度約為5 m，已經(jīng)發(fā)育至拱腳處，向下深度未知。右側(cè)溶洞位于上臺階掌子面右側(cè)拱頂至拱腳位置，局部揭露后，其環(huán)向?qū)挾燃s為5 m、縱向深度約為30 m、拱頂向上高度約為50 m，已發(fā)育至拱腳處，向下深度未知。溶洞位置侵入開挖輪廓線內(nèi)，其輪廓線遠超過隧道開挖輪廓線。溶洞內(nèi)外干濕潤狀態(tài)，內(nèi)腔有少量積泥。溶洞環(huán)縱向發(fā)育情況如圖1所示。完全揭示溶洞后，在Z168+123～ZK168+133段發(fā)現(xiàn)拱頂右上方存在石牙，從已開挖段向掘進方向發(fā)展。

3 綜合調(diào)查結(jié)果

3.1 超前地質(zhì)鉆探結(jié)果

超前地質(zhì)鉆探采用C6超前水平鉆進行鉆探，其鉆探結(jié)果見下頁表1。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報

隧道樁號ZK168+101～ZK168+131里程區(qū)間的地質(zhì)雷達探測圖如圖2所示，超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果如下：

（1）掌子面前方6～15 m段（即ZK168+107～ZK168+116）范圍內(nèi)，雷達波信號以低頻為主，同相軸局部連續(xù)，波形較為均一，幅值強，且存在多次震蕩信號［2］。結(jié)合掌子面地質(zhì)情況及雷達回波分析，推測該區(qū)域圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體較破碎，溶蝕裂隙較發(fā)育，發(fā)育有充填型溶洞或溶槽，溶隙中多為泥質(zhì)充填，層間結(jié)合較差，圍巖自穩(wěn)能力較差。

（2）掌子面前方23～30 m段（即ZK168+124～ZK168+131）范圍內(nèi)，雷達波信號以均勻的低頻為主，頻率有規(guī)律地急劇變化，同相軸連續(xù)、規(guī)則，波形較為均一，信號幅值強，存在多次震蕩信號。結(jié)合掌子面地質(zhì)情況及雷達回波分析，推測該區(qū)域圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，發(fā)育有充填型溶洞，多為軟塑狀黏土充填，層間結(jié)合差，圍巖自穩(wěn)能力差。

（3）其他區(qū)域雷達波信號以中等頻率反射為主，幅值局部較強。結(jié)合掌子面地質(zhì)情況及雷達回波分析，推測該區(qū)域圍巖巖體較破碎-較完整，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，局部裂隙中充填少量軟塑狀黏土，層間結(jié)合較差，圍巖自穩(wěn)能力一般。

4 溶洞處理方案

（1）對已揭露段圍巖及溶洞進行初噴，加強圍巖自穩(wěn)能力。

（2）ZK168+107.6～ZK168+109.6已支護段增加背拱，采用Ⅰ20工字鋼，間距為60 cm，緊貼初支內(nèi)壁；左右兩側(cè)拱腳采用Ⅰ20工字鋼縱向敷設(shè)下墊層。

（3）ZK168+109.6～ZK168+123段支護形式調(diào)整為S5a。拱架采用Ⅰ20工字鋼縱向敷設(shè)下墊層，對應(yīng)溶腔位置預(yù)留泵送管及排氣管，初支間距可適當(dāng)調(diào)整，確保初支緊貼掌子面。

（4）Z168+123～ZK168+133段支護形式調(diào)整為S5a。鋼架間距調(diào)整為50 cm，鋼架連接鋼筋環(huán)向間距調(diào)整為50 cm；拱架采用Ⅰ20工字鋼縱向敷設(shè)下墊層；加強鎖腳，采用76 mm小導(dǎo)管鎖腳長度至6 m，單拱架增加至4組；初支面后背預(yù)埋160 mmUPVC排水管至中心排水溝，縱向間距為50 cm；對應(yīng)溶腔位置預(yù)留泵送管及排氣管。拱頂右上方石牙處，在鋼架施工前，采用Ⅰ20工字鋼支撐巖體，下部焊接支撐在支護臺車上面，上部支撐焊接鋼板，增大受力面積支撐巖體，確保鋼架工作面施工安全；鋼架施工完成后，在拱背焊接Ⅰ20工字鋼支撐巖體，焊接要牢固，具體支撐長度及支撐角度根據(jù)現(xiàn)場調(diào)整，確保鋼架支撐住巖體。

（5）Z168+133～ZK168+140段支護形式調(diào)整為S5a。鋼架間距調(diào)整為50 cm，鋼架連接鋼筋環(huán)向間距調(diào)整為50 cm；拱架采用Ⅰ20工字鋼縱向敷設(shè)下墊層，加強鎖腳，采用76 mm小導(dǎo)管鎖腳長度為6 m；在初支面后背預(yù)埋中160 mmUPVC排水管至中心排水溝。

（6）ZK168+113～ZK168+140段由于兩側(cè)溶腔超出輪廓線，考慮泵送混凝土填充時拱架受壓會造成收斂過大，該區(qū)段在泵送前鋪設(shè)臨時仰拱進行支撐。仰拱采用Ⅰ18以間距50 cm進行鋪設(shè)，縱向連接筋為1 m。工字鋼兩側(cè)有效連接在拱腳縱向工字鋼上，確保臨時仰拱整體受力。

（7）上述工序完成后，經(jīng)監(jiān)測穩(wěn)定后，分批次對溶腔泵送C20混凝土進行填充，單次泵送填充高度≤2 m（初次泵送混凝土應(yīng)覆蓋鎖腳導(dǎo)管）。在泵送過程中加強初支變形監(jiān)測。掌子面右側(cè)若不能形成封閉空間，可考慮支模板或采用洞渣回填封閉，確保泵送過程順利進行。最終拱頂泵送混凝土高度應(yīng)高于初支拱頂2.5 m，形成弧形卸力結(jié)構(gòu)。

（8）巖溶正在發(fā)育的地段，巖溶中可能會存在長流水現(xiàn)象。隧道開挖時間處于當(dāng)?shù)睾导?，為確保隧道能夠安全度過該溶洞段，最終確定采用“洞中洞”方案，在大型溶洞中通過泵送混凝土形成保護隧道的外拱形卸力結(jié)構(gòu)，既能使流水正常流通，又能減少泵送混凝土的數(shù)量，形成經(jīng)濟安全的支護體系。

5 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

在施工過程中，對左洞進口ZK168+103～ZK168+140段加強監(jiān)測，確保施工安全，特別是對Z168+123～ZK168+133存在石牙的段落加強了監(jiān)測頻率。選取ZK168+116、ZK168+121、ZK168+126、ZK168+131共4個斷面進行分析，根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)繪制隧道累計拱頂沉降變化曲線和隧道累計周邊位移變化曲線，見圖3～14。由圖3～14可知，ZK168+131斷面的拱頂累計沉降量最大，其值為10 mm；ZK168+131斷面的上臺階累計周邊位移最大，其值為9 mm；ZK168+121斷面的下臺階累計周邊位移最大，其值為3 mm。綜上可知，此溶洞段施工過程中，隧道的拱頂沉降和周邊位移均在設(shè)計規(guī)范的位移范圍內(nèi)，證實了本文提出的溶洞處理方案的可行性。

6 結(jié)語

溶洞具有不規(guī)則性、隨意性，通常為過水通道，內(nèi)部多有淤泥填充。在巖溶地區(qū)進行隧道施工前，應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，了解前方圍巖地質(zhì)條件，動態(tài)調(diào)整施工方案，以確保施工安全。發(fā)現(xiàn)溶洞后，應(yīng)先制定揭露溶洞的方案，對溶洞進行揭露。大致探明掌子面前方的圍巖情況后，結(jié)合溶洞的現(xiàn)場情況，制定合理的溶洞處治方案，并加強施工監(jiān)測，掌握隧道的位移變化情況，確保隧道施工的安全。

本隧道所遇溶洞發(fā)育規(guī)模大，局部地段拱頂存在石牙，溶洞側(cè)壁局部分布有危巖體，施工技術(shù)難度大。通過綜合分析，采用了“洞中洞”方案。目前該隧道已越過溶洞段，溶洞段施工過程中，隧道位移變化均在合理范圍內(nèi)，驗證了采用本文提出的溶洞處理方案是合理、可行的，為類似隧道溶洞處理提供了參考。

參考文獻

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收稿日期：2022-10-13