軟弱黏土填充型隧道溶洞處治技術(shù)探討

摘要：軟弱黏土填充并延伸至隧道全斷面且拱底下覆深厚軟土地基的溶洞，是隧道工程施工較為罕見的問題之一。文章以賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）下排二號(hào)隧道溶洞為依托工程，探討廣西高速公路建設(shè)過程中隧道全斷面軟弱黏土填充型溶洞處治技術(shù)，為類似巖溶病害處治技術(shù)方案決策提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程；軟弱黏土；溶洞處治

U457+.2A421314

0 引言

廣西喀斯特地貌分布范圍廣且發(fā)育情況復(fù)雜，隧道巖溶處治已成為多數(shù)新建高速公路修建過程的難點(diǎn)問題之一。目前巖溶處治的相關(guān)研究有：梁瑋瑋［1］研究了新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方的處治措施，該措施主要以“大管棚+超前小導(dǎo)管注漿”方式提高溶洞段圍巖穩(wěn)定。嚴(yán)德添等［2］研究了三柳高速公路大塘隧道采用鋼管樁方案處治隧道仰拱軟弱下臥層。黎峰銘、黎昕［3］研究了大憑高速公路崇德隧道“洞渣回填+CD法+樁頂承臺(tái)”的溶洞處治技術(shù)。楊楚兵、范國宇［4］研究了大憑高速公路某隧道采用“洞中洞”方案處治大型溶洞。趙少忠等［5］研究了齊岳山隧道的26處溶洞，分析了溶洞的規(guī)模、特性及地質(zhì)成因等特點(diǎn)，并給出了隧道不同位置的溶洞處治建議。趙庚亮等［6］研究了南寧地鐵4號(hào)線巖溶發(fā)育特點(diǎn)并認(rèn)為采取注漿加固巖溶區(qū)軌道交通溶洞的處治建議是合理可行的。衛(wèi)敏［7］研究了渝懷鐵路某隧道采用“超前小導(dǎo)管+帷幕注漿”和“管棚+帷幕注漿”2種支護(hù)方式處治高壓富水巖溶問題，結(jié)果表明超前管棚比超前小導(dǎo)管能更有效地維持圍巖的穩(wěn)定性。王建等［8］研究了“工字鋼橫跨+鋼筋混凝土板”在貴州某高速公路隧道巨型溶洞回填處治的作用。姜曉博等［9］研究了預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁跨越的方式在河百高速公路丘莫隧道大型溶洞處治過程的運(yùn)用。陳禹成等［10］研究了隱伏溶洞位置變化對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出了花果山隧道的溶洞的處治原則和方案。李杰科等［11］基于廣西崇水高速公路隧道巖溶處治方案，研究了喀斯特地區(qū)巖溶形成機(jī)理，并相對(duì)應(yīng)地提出了溶洞處治原則和措施。趙興華等［12］研究了溶洞形成機(jī)理和其對(duì)施工的影響，并介紹了廣西河百高速公路丘莫隧道和梁家領(lǐng)隧道的巖溶處治方法。李雄周等［13］研究了云南某高速公路隧道巖溶段，并提出了“洞內(nèi)+地表”巖溶處治新方法。孫柏林等［14］針對(duì)尚家灣隧道溶洞提出了護(hù)拱法配合砂漿錨桿穩(wěn)固塌腔巖面的處治技術(shù)。董志明等［15］研究了大直徑自進(jìn)式錨桿在京昆線古家山隧道巖溶處治過程中的運(yùn)用，結(jié)果表明其具有快捷安全和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文以賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）下排二號(hào)隧道大型溶洞為研究對(duì)象，探討軟弱黏土填充型全斷面溶洞的處治方案，為類似隧道工程全斷面巖溶處治方案的比選提供借鑒。

1 工程概況

下排二號(hào)隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，凈空為11 m×5 m。右線總長為720 m，最大埋深為202 m；左線總長為714 m，最大埋深為188 m。隧址區(qū)位于巖溶峰叢地貌，山體連綿起伏，山峰陡峭，地形起伏大。主要地質(zhì)概況為上覆第四系殘積（Qel+dl）黏土，下伏石炭系上統(tǒng)（C3）灰?guī)r。

2 溶洞概況

2.1 揭露過程

下排二號(hào)隧隧道出口端左洞上臺(tái)階施工至ZK373+044～ZK373+090段時(shí)，掌子面揭露為1處大型黏土填充溶洞，填充范圍從左側(cè)向右側(cè)逐步擴(kuò)大，直至充滿整個(gè)掌子面，填充物為黏土夾雜塊石，填充物主要為黑色黏土，局部夾雜黃色黏土，塊石直徑為50～150 cm，未發(fā)現(xiàn)明顯滲水現(xiàn)象，擾動(dòng)后土層松散，基本無粘結(jié)力，穩(wěn)定性較差且遇水易軟化，施工過程中發(fā)生坍塌，拱頂存在塌腔空洞。右洞施工至YK373+030～YK373+065段時(shí)，掌子面揭露1處大型黏土填充溶洞，填充范圍從右側(cè)向左側(cè)逐步擴(kuò)大，直至充滿整個(gè)掌子面填充物范圍，填充物同左洞，經(jīng)初步判斷與左洞的填充溶洞連通。病害發(fā)生過程如下：

2018-12-04施工至ZK373+044斷面時(shí)，ZK373+070～ZK373+090段拱頂沉降速率增加，拱頂局部出現(xiàn)噴射混凝土開裂病害。

2018-12-09至2018-12-15停工期間，受連續(xù)降雨影響，ZK373+044～ZK373+090段初期支護(hù)快速下沉和收斂，出現(xiàn)環(huán)向開裂、噴射混凝土剝落、鋼架扭曲變形等現(xiàn)象，右側(cè)偏壓明顯，鋼架出現(xiàn)局部變形，沉降、收斂嚴(yán)重，導(dǎo)致初期支護(hù)侵入二次襯砌范圍。

2019-01-07，施工至YK373+030掌子面時(shí)，YK373+030～YK373+065段監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)異常，沉降速率、拱腳收斂速率增加，掌子面及時(shí)停止開挖。

2019-01-07至2019-01-27停工期間，YK373+030～YK373+065段初期支護(hù)快速下沉和收斂，出現(xiàn)環(huán)向開裂、噴射混凝土剝落、扭曲變形等病害，沉降、收斂嚴(yán)重，初期支護(hù)侵入二襯范圍。

2.2 發(fā)育情況

運(yùn)用C6XP多功能地質(zhì)鉆在右洞YK373+065～YK37+038段及左洞ZK373+090～ZK373+058段共布置9個(gè)鉆孔（右洞7個(gè)、左洞2個(gè)）探明了隧道溶洞發(fā)育情況。

鉆探揭露該巖溶形態(tài)以填充型溶洞為主，溶洞填充物主要以紅黏土夾石和黑黏土夾石為主。9個(gè)鉆孔都遇到填充型溶洞，遇溶洞率為100%，線巖溶率為42.9%～100.0%，初步鉆探隧道底板溶洞填充物的厚度gt;20 m，填填充物主要為可塑狀紅黏土混碎石和塊石、板結(jié)黑黏土混碎石和塊石等。溶洞發(fā)育情況詳見表1。

鉆探結(jié)果如圖1、圖2所示，在左洞掌子面正前方16 m范圍的地質(zhì)以黏土夾石為主，16～44 m為硬質(zhì)灰?guī)r；在右洞掌子面正前方8～14 m范圍內(nèi)的地質(zhì)也以黏土夾石為主，范圍以外為硬質(zhì)灰?guī)r；隧道底板巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，并以填充型溶洞為主，填充物的厚度gt;20 m，填充物主要為軟塑～可塑狀紅黏土混碎石和塊石、板結(jié)黑黏土混碎石和塊石等。鉆孔揭露隧底填充型溶洞填充物最大厚度為25.0 m，填充物主要為板結(jié)硬塑狀黑結(jié)土混碎石和塊石。

3 變形特征

為確保隧道施工過程安全以及判斷圍巖穩(wěn)定性和確定二襯支護(hù)時(shí)間，監(jiān)測(cè)了拱頂下沉和周邊位移2個(gè)項(xiàng)目，并采用累計(jì)變形量和變形速率2個(gè)指標(biāo)研判隧道狀況。拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)布置在拱頂及其左、右水平間距為2 m的位置，周邊收斂的觀測(cè)點(diǎn)布置在隧道腰部水平測(cè)線，并與拱頂下沉觀測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面。

由圖3～4可知，左洞變形可分為3個(gè)階段，分別為緩慢變形階段（第1～8 d）、急劇變形階段（第9～20 d）和變形基本穩(wěn)定階段（第21～31 d）。沉降變形發(fā)展階段主要在監(jiān)測(cè)第8 d，截止在第21 d，沉降速率最大發(fā)生在ZK373+070斷面，當(dāng)日最大沉降速率最大沉降值97 mm；其次是ZK373+085斷面，最大沉降值74 mm；再次是ZK373+064斷面，最大沉降值65 mm；最后是ZK373+076斷面，最大沉降值41 mm。由圖5～6可知，右洞沉降變形主要發(fā)生在YK373+047斷面，其變形特征也分為3個(gè)階段，其中緩慢變形階段（第1～16 d）、急劇變形階段（第17～26 d）和變形基本穩(wěn)定階段（第27～29 d），最大沉降值123 mm。YK373+058和YK373+064斷面變形相對(duì)穩(wěn)定，最大沉降量分別為19 mm和8 mm。

4 處治方案

經(jīng)對(duì)比分析，下排二號(hào)隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞采用“應(yīng)急處治+永久處治”相結(jié)合的處治方案，詳細(xì)方案如下。

4.1 應(yīng)急處治方案

4.1.1 掌子面

左洞ZK373+044掌子面至上臺(tái)階段立即進(jìn)行反壓回填，右洞YK373+038掌子面停止掘進(jìn)并立即進(jìn)行封閉處理。

4.1.2 初支

在初支侵限段，增設(shè)Ⅰ18工字鋼，間距為1.0 m的復(fù)拱及臨時(shí)仰拱，其中上臺(tái)階臨時(shí)仰拱立于80 cm×50 cm的C25混凝土條形基礎(chǔ)之上，并且在每榀護(hù)拱和臨時(shí)仰拱之間增設(shè)2根Ⅰ18工字鋼斜撐，侵限段應(yīng)急處治完成且變形穩(wěn)定后對(duì)初支背后空腔泵送C20混凝土回填密實(shí)。

4.1.3 效果

經(jīng)應(yīng)急處治后，下排二號(hào)隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段初支變形趨勢(shì)得到有效控制，但受連續(xù)降雨、拱底軟基和節(jié)假日停工等不利條件影響，初支變形仍未完全收斂。

4.2 永久處治方案

4.2.1 拱底軟基加固措施

根據(jù)下排二號(hào)隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞填充物性質(zhì)、范圍和洞內(nèi)施工情況，綜合考慮加固機(jī)理、效果、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營期的安全風(fēng)險(xiǎn)，最終選定“樹根樁+鋼管樁+仰拱承臺(tái)”方案（如圖7所示）處治拱底軟基。

4.2.1.1 樹根樁+鋼管樁

隧道橫向布置6根樹根樁+6根鋼管樁+6根樹根樁，間距分別為70 cm、100 cm和70 cm，樹根樁、鋼管樁縱向間距均為70 cm。樹根樁樁長≥28 m或嵌入基巖≥1 m，由內(nèi)到外豎直方向夾角分別為0°、3°、6°、9°、12°和15°，且樁徑≥20 cm。樁內(nèi)通長布置由4根C16主筋和A8箍筋組成的外徑10 cm鋼筋籠，灌注強(qiáng)度不低于C35的細(xì)石混凝土。鋼管樁樁長≥15 m或嵌入基巖≥1 m，垂直布置，且樁徑≥15 cm。樁內(nèi)布置A42×4鋼花管，鋼花管內(nèi)灌注M30砂漿，鋼花管外灌注強(qiáng)度不低于C35的細(xì)石混凝土。

4.2.1.2 仰拱承臺(tái)

仰拱承臺(tái)由“30 cm級(jí)配碎石墊層+C30混凝土墊臺(tái)”構(gòu)成，其中混凝土墊臺(tái)內(nèi)布設(shè)2層20 cm×20 cm的C16鋼筋網(wǎng)，并且保證混凝土墊臺(tái)的最小厚度≥50 cm。施工順序?yàn)榇龢涓鶚逗弯摴軜妒┕ね瓿尚纬蓮?qiáng)度并破除樁頂50 cm和清除仰拱標(biāo)高下80 cm厚洞渣后，再施工級(jí)配碎石墊層和混凝土墊臺(tái)。

4.2.2 加強(qiáng)型襯砌支護(hù)

為了提高該段圍巖的穩(wěn)定能力，采用A42×4 mm、縱向間距1.0 m的雙層小導(dǎo)管注漿加固圍巖，完成后對(duì)侵限段初支逐榀換拱。換拱段鋼支撐采用Ⅰ25工字鋼，縱向間距為50 cm，上、中、下臺(tái)階拱腳位置各增設(shè)2根斜向下45°的A108鎖腳鋼管加強(qiáng)支護(hù)，打入基巖深度≥3 m，并在中、下臺(tái)階拱腳位置增加Ⅰ18工字鋼縱梁，同時(shí)為了預(yù)留足夠初支變形空間，預(yù)留變形量提高至30 cm，二襯混凝土強(qiáng)度提高為C40，厚度加強(qiáng)為70 cm，環(huán)向主筋加強(qiáng)成雙層C25，縱向間距為10 cm。

4.3 處治效果

下排二號(hào)隧道ZK373+090～ZK373+044段和YK373+065～YK373+030段溶洞經(jīng)過“應(yīng)急處治+永久處治”相結(jié)合的方案處治完成且經(jīng)過通車運(yùn)營兩年后，未發(fā)生路面沉降或二襯開裂病害，表明該處治方案是合理有效，可為類似溶洞處治方案比選時(shí)提供參考。

5 結(jié)語

（1）隧道掘進(jìn)過程應(yīng)采取多種方式驗(yàn)證地質(zhì)狀況并根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況謹(jǐn)慎施工。開挖遇到溶洞時(shí)先探明溶洞規(guī)模、特征，為確定處治方案積累技術(shù)資料。處治過程應(yīng)合理組織連續(xù)施工并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)情況因地制宜及時(shí)調(diào)整技術(shù)方案。

（2）溶洞處治采取“應(yīng)急處治+永久處治”方式既可以在突發(fā)情況下保障施工人員設(shè)備的安全，也可以保障通車運(yùn)營后的行車安全。

（3）軟弱黏土填充型溶洞范圍內(nèi)的超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌應(yīng)采取加強(qiáng)措施，且初期支護(hù)應(yīng)預(yù)留足夠變形量，可以有效避免二次侵限和換拱。采用“樹根樁+鋼管樁+承臺(tái)”方式處治深厚拱底軟弱地基具有較好的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］梁瑋瑋.新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方處治分析［J］.西部交通科技，2023（8）：95-97.

［2］嚴(yán)德添，陳人豪，孟繁賀.大塘隧道巖溶特征及處治方案探討［J］.西部交通科技，2023（4）：130-132.

［3］黎峰銘，黎 昕.公路隧道施工中溶洞處治措施研究［J］.西部交通科技，2023（1）：106-108.

［4］楊楚兵，范國宇.巖溶地區(qū)公路隧道穿越大型溶洞處治技術(shù)研究［J］.西部交通科技，2023（1）：109-111，205.

［5］趙少忠，黃 鑫，許振浩，等.齊岳山隧道巖溶發(fā)育特征與溶洞處治技術(shù)研究［J］.隧道建設(shè)（中英文），2022，42（7）：1 289-1 299.

［6］趙庚亮，張志龍，趙金鵬，等.南寧地鐵4號(hào)線巖溶發(fā)育特征及處治技術(shù)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21（31）：13 552-13 560.

［7］衛(wèi) 敏.隧道穿越大型填充溶洞超前支護(hù)方案研究［J］.中國鐵路，2021（3）：41-48.

［8］王 建，王麗君，馬建新，等.巖溶地區(qū)公路隧道穿越大型溶洞處治措施分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2020，16（S2）：964-970，998.

［9］姜曉博，賴慶招.巖溶強(qiáng)發(fā)育隧道跨越大型溶洞施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2020，49（S1）：699-702.

［10］陳禹成，王朝陽，郭 明，等.隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律及處治技術(shù)［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2020，50（5）：33-43.

［11］李杰科，付立勇.廣西喀斯特巖溶區(qū)隧道溶洞處治技術(shù)探討［J］.西部交通科技，2019（11）：74-77.

［12］趙興華，上官洲境，陳建光.巖溶發(fā)育地區(qū)隧道溶洞處治方法［J］.西部交通科技，2018（5）：135-139.

［13］李雄周，王星星，秦之富.云南省某高速公路隧道巖溶段處治技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2017，13（S1）：433-441.

［14］孫柏林，王 升，徐學(xué)軍，等.巖溶區(qū)隧道填充型溶洞的塌方處治優(yōu)化研究［J］.公路工程，2015，40（5）：187-192.

［15］董志明，鄭鵬武.大直徑自進(jìn)式錨桿在隧道工程巖溶處治中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50（2）：187-191.