某巖溶隧道病害成因機(jī)理及治理措施研究

中圖分類號(hào)：U457.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.055

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0187-05

0 引言

隨著我國(guó)公路交通運(yùn)輸建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程比重逐漸加大。截至2021年年末，全國(guó)公路總里程達(dá)到528. ，比上年年末增加 全國(guó)公路隧道達(dá)到23268處、2469. 延米，增加1952處、269. 延米，其中特長(zhǎng)隧道1599處、717. 08× km延米，長(zhǎng)隧道6211處、1084.43 × 104延米1。孟慶生等2-3對(duì)貴州境內(nèi)259座公路隧道的變形、裂縫、滲水等病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，多從施工質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)等方面進(jìn)行成因分析；葉劍可等4-6根據(jù)襯砌病害原因分析提出了隧道襯砌病害防控措施?；谀壳皩?duì)深大巖溶運(yùn)營(yíng)隧道病害的本質(zhì)原因及處理方案研究較少，本文相關(guān)病害探查方法及改造措施也可為類似工程提供借鑒和參考。

工程概況

1.1工程地質(zhì)條件

某隧道位于廣西河池宜州市境內(nèi)，為分離式長(zhǎng)隧道。隧道右洞起止樁號(hào)為 ，隧道長(zhǎng)度為1322m，進(jìn)、出洞口路面高程分別為189.914m、162.500m，最大埋深為345m。如圖1所示，隧址區(qū)分布主要為石炭系中（C₂）-上統(tǒng)（C3）灰?guī)r，為典型巖溶峰叢谷地地貌。龍頭一永順區(qū)域正斷層在 處與隧道相交，受斷層影響隧道區(qū)局部巖石裂隙發(fā)育，富水性較好。測(cè)區(qū)發(fā)育有（八況）地下暗河，自北西向南東流經(jīng)八況后，向南順龍頭一永順斷裂帶（隧址區(qū)），發(fā)育泄入刁江。由于受排泄基準(zhǔn)面——刁江深切的制約，地下河中游水泡水庫(kù)的枯水期水位標(biāo)高為215m，下游悶水苑水庫(kù)中水位為152.9m，隧道病害段最高歷史水位達(dá)165. 9m。

1.2 原設(shè)計(jì)施工情況

施工期間右洞在 YK28+878處揭穿該大型廳堂式溶洞的正洞，該大溶洞橫穿整個(gè)隧道的左右線，左洞范圍內(nèi)從左至右到隧道左洞中線附近逐漸收斂并停止發(fā)育，左下行線之間呈一寬約10m、高25m的廊道，溶洞發(fā)育至上行線時(shí)擴(kuò)大呈直徑約 高 的巖溶大廳（如圖2所示）。

施工期間，對(duì) 段范圍內(nèi)回填泵送混凝土作為緩沖層。在基底埋置預(yù)制管涵（四根無(wú)縫不銹鋼鋼管， ，將溶洞內(nèi)的匯水引入左線21lt;28+842 左側(cè)處地下河，以保證地下水排泄通暢。除隧道拱架位置（距隧道中心線7m位置）采用垂直偏移15°打設(shè) 鋼管外，其余基底位置均采用垂直打設(shè) 鋼管，間距為1 打設(shè)深度以嵌入完整基巖 0.5m 作為控制。鋼管施工時(shí)管棚鋼管前端呈尖錐狀，在尾部焊接 mm加勁箍，管壁四周交錯(cuò)鉆 16mm壓漿孔，并采用M30水泥砂漿注漿加固。

2病害特征概況

該隧道于 2014-09-26 建成通車，在2022年6月巡查過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隧道 段拱腰、邊墻、電纜溝等部位出現(xiàn)不同程度的裂縫、路面不均勻沉降、空腔及空隙、隧道滲水、襯砌結(jié)構(gòu)脫空等病害。

2.1裂縫

如圖3、圖4、圖5所示，左側(cè)拱腰、局部邊墻部位裂縫尤為嚴(yán)重，路面產(chǎn)生了不均勻沉降變形現(xiàn)象；裂縫多為張性裂縫，呈直線形、折線形、弧形等。

隧道上行線樁號(hào) 段左側(cè)邊墻、拱腰病害較嚴(yán)重，裂縫長(zhǎng)度較大，貫通性較好，最長(zhǎng)達(dá)13.0m，寬度以 為主，局部達(dá) ，最大探測(cè)深度達(dá) 0.8m ，裂縫主要集中在隧道邊墻檢修道以上 。隧道右側(cè)病害相對(duì)左側(cè)要輕，裂縫主要集中在 段右邊墻處，其余邊墻部位少量分布，裂縫長(zhǎng)度小，貫通性較差，最長(zhǎng)為3.8m，寬度一般為 。

2.2 路面沉降變形

如圖6所示，路面沉降最明顯區(qū)段為 ～YK28+865 ，其中 YK28+839附近高程曲線明顯陡降，在YK28+843 處路面沉降達(dá)到最大值，沉降量達(dá)19.594cm。

2.3襯砌滲水

隧道內(nèi)滲漏水主要發(fā)生在施工縫處，其他部位少量分布。如YK28+025處邊墻滲水，底部充填物有水流從上行線向左洞延伸的痕跡，洞底水位在降雨1～2d后才上升，雨停 d后才逐漸消退。隧道地下水受降雨補(bǔ)給作用明顯。

3成因機(jī)理分析

3.1勘探工作布置

測(cè)區(qū)地形險(xiǎn)峻，地質(zhì)條件復(fù)雜，單一常規(guī)手段難以系統(tǒng)全面查明。劉東等7-8在天巴高速公路勘察中采用半航空瞬變電磁法，施工揭露巖溶與探測(cè)結(jié)果吻合度達(dá)85% 。張霄等9在南石璧隧道中運(yùn)用包括高密度電法、瞬變電磁法及地震映像法的綜合物探技術(shù)，查明溶洞及破碎帶空間分布信息并于后期施工揭示相對(duì)比，取得較好的試驗(yàn)結(jié)果?？凳篮５炔捎谩般@孔電視 + 電磁波CT\"手段聯(lián)合，大大消除了物探資料的多解性，既提高了數(shù)據(jù)的可靠性又滿足了對(duì)分辨率的要求。

本次針對(duì)隧道病害段落分布，采用面、線、點(diǎn)的順序全方位、逐步進(jìn)行勘探。在地表開(kāi)展半航空瞬變電磁勘探，隧道內(nèi)部行車道布置地面物探測(cè)線，同時(shí)結(jié)合鉆探及孔間CT掃描對(duì)巖溶的形態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充修正，采用多手段技術(shù)進(jìn)行相互印證，詳細(xì)查明隱伏巖溶的發(fā)育形態(tài)?？辈旃ぷ髁咳绫?所示。

3.2巖溶形態(tài)分布

通過(guò)孔內(nèi)電視掃描和內(nèi)窺鏡視頻發(fā)現(xiàn)，仰拱底面存在空腔或空隙，空腔高度一般為5～15cm，空隙寬度一般為 ，但規(guī)模較小，未發(fā)現(xiàn)較大空腔存在。其中，ZK2、ZK3、ZK7仰拱混凝土底面空腔高度分別為10cm、5cm和 50m ，空腔內(nèi)可見(jiàn)石鐘乳，ZK4、ZK9可見(jiàn)空隙存在。

SZK3－ 1（YK28 + 848.70左5.40m）、SZK7－1（YK28+847.30右6.40m）、SZK9－1（YK28+875.50右6.10m）處初期支護(hù)背后存在空洞，空洞橫向延伸長(zhǎng)度為 其中， 52×3-1.52×9-1 處空洞處于支護(hù)結(jié)構(gòu)與回填層之間，SZK7－1處空洞處于緩沖層內(nèi)。SZK3-1處所揭露初期支護(hù)厚度僅為0.10m，小于設(shè)計(jì)的 ，且初期支護(hù)混凝土膠結(jié)極差，推測(cè)原空洞處為堆積回填的碎塊石層和初期支護(hù)膠結(jié)，后期受地下水等因素影響，碎塊石層發(fā)生沉降后與初期支護(hù)發(fā)生剝離形成空洞。SZK7一1處多為緩沖層施工時(shí)施工措施未采取到位，混凝土產(chǎn)生離析，塊石間空隙未填充密實(shí)形成空洞。SZK9一1處于初期支護(hù)與緩沖層之間，初期支護(hù)并未與緩沖層澆筑形成整體，亦有可能二者之間原為回填碎石后發(fā)生了沉降形成了空洞。上述情況表明支護(hù)結(jié)構(gòu)已存在局部脫空見(jiàn)圖7和圖8。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察的典型縱斷面、橫斷面、三維地質(zhì)模型成果來(lái)看（見(jiàn)圖9至圖11），溶洞底部呈“袋狀”，自底部往上整體以垂直發(fā)育為主，局部呈扁平狀向四周水平延伸發(fā)育20m左右再收斂閉合。隧道路面以上主要為水平發(fā)育，表現(xiàn)為溶洞往隧道右洞水平延展發(fā)育，在其右側(cè)形成一大型廳堂式空腔，水平延伸長(zhǎng)55m，豎向發(fā)育最大高度達(dá)50m，溶洞頂部輪廓呈“拱形”。溶洞在隧道左側(cè)輪廓基本與支護(hù)結(jié)構(gòu)外輪廓相似，僅在YK28+803～$＼yen123，456$ 段以通道走廊的形式往左洞延伸。

綜上所述，里程樁號(hào) 段最大的溶洞橫穿整個(gè)隧道的左、右線，于隧道左洞中線附近逐漸收斂并停止發(fā)育，為大型廳堂式溶洞，溶腔最大高度約為 ，最大長(zhǎng)度約為100m，最大寬度為 ，如圖12所示。

3.3病害成因分析

3.3.1隧道基底巖溶發(fā)育

大規(guī)模的巖溶發(fā)育是產(chǎn)生病害的核心內(nèi)在因素。溶洞為第四系軟塑粉質(zhì)黏土提供了沉積條件，巖溶裂隙等是連接溶洞與地下河或外部的主要通道，地下河是攜帶沉積或運(yùn)移顆粒物質(zhì)的方式，地下系統(tǒng)中溶洞、裂隙、地下河等相互密切聯(lián)系，復(fù)雜多變的沉積環(huán)境條件導(dǎo)致該層位不穩(wěn)定，工程性質(zhì)差。隧道穿越該溶洞，下部沉積王層規(guī)模大、土質(zhì)軟弱、厚度大、壓縮性大、力學(xué)強(qiáng)度低。粉質(zhì)黏土層位長(zhǎng)期受地下水影響以及后期的沉降固結(jié)，導(dǎo)致隧道進(jìn)而發(fā)生沉降變形開(kāi)裂。

3.3.2地下水補(bǔ)徑排能力強(qiáng)

隧道受臨近的悶水水庫(kù)控制區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)排泄面（約151. 153.19m）影響，病害處溶洞現(xiàn)狀水位為151.23～153.15m，歷史最高水位為165.9m。隧道病害處仰拱最低高程為164.01m，位于季節(jié)變動(dòng)帶151.23～165.9m范圍內(nèi)。隧道位于地下水季節(jié)變動(dòng)帶，同時(shí)受到富水?dāng)鄬拥挠绊?，地下水連通能力強(qiáng)。

3.3.3原地基處理效果不佳

從溶洞充填物性質(zhì)來(lái)看，坍塌回填形成的碎塊石土層級(jí)配差，空隙、空洞多，施工期間分層回填壓實(shí)的密實(shí)效果可能偏差，局部仍呈松散狀或空隙較多，細(xì)小顆粒易被攜帶流失，故后期存在沉降的可能性大。

根據(jù)鉆探揭示和井內(nèi)電視成果分析，大部分回填碎塊石間隙未見(jiàn)水泥砂漿膠結(jié)物以及緩沖層內(nèi)膠結(jié)差，僅于崩塌堆積層上部局部存在水泥砂漿膠結(jié)物，但膠結(jié)程度差，結(jié)構(gòu)較松散，使仰拱底面局部出現(xiàn)空腔或空隙，施工期間對(duì)崩塌堆積層注漿加固效果較差。

該段病害成因主要為施工過(guò)程中隧底處理措施效果差或不得當(dāng)，在地下水作用下碎石土層中細(xì)小顆粒被潛蝕以及軟弱土發(fā)生壓縮固結(jié)，導(dǎo)致隧底局部脫空；在長(zhǎng)期循環(huán)的車輛動(dòng)載影響下，最終使隧道不均勻下沉，邊墻受拉開(kāi)裂變形。該隧道襯砌其他裂縫、隧底漏空、路面變形、滲漏水、裝修層破壞，水溝開(kāi)裂均由隧道不均勻沉降造成。

4治理措施研究

隨著軟塑粉質(zhì)黏土的固結(jié)作用、地下滲流及地下水升降作用和車輛動(dòng)載以及可能存在的緩沖層應(yīng)力影響，地基沉降變形的狀態(tài)會(huì)持續(xù)惡化，左側(cè)邊墻及拱頂開(kāi)裂進(jìn)一步加劇，將危及隧道安全。針對(duì)病害主要成因及特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)以加固隧底為重點(diǎn)，提出以下兩種解決方案。

4.1復(fù)合地基加固

采用鋼管樁注漿加固隧底人工填筑碎石層、爆破塌塊石層及第四系崩積碎塊石土；在變更設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上加密鋼管間距及注漿壓力，并嚴(yán)格控制注漿效果，在滿足隧底承載力的同時(shí)，將隧底以下20m左右加固為一個(gè)整體，達(dá)到隧底整體沉降的效果，并在現(xiàn)有隧道拱墻及仰拱施工縫處進(jìn)行切割，把施工縫改造成沉降縫（如圖13所示）。注漿孔共計(jì)690個(gè)（惟幕孔255個(gè)，一般孔435個(gè)），鉆孔長(zhǎng)度為17250m，水泥漿暫按20750m考慮（其中水玻璃速凝劑為4980 ）。

具體施工工序如下：

（1）隧道范圍采用鉆孔注漿加固，鉆孔間距為1.0m，呈梅花形布置。

（2）注漿加固區(qū)域：隧底人工填筑碎石層、爆破坍塌塊石層及第四系崩積碎塊石，平均加固深度暫按隧底以下25m考慮。

（3）按幕孔、一般性鉆孔順序施作，施工完成圍護(hù)邊界孔后再施工一般性鉆。惟幕孔采用低壓雙液注漿，避免漿液擴(kuò)散至無(wú)效區(qū)域。

（4）注漿壓力初壓為 ，終壓為

（5）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)孔口管壓力為 1.5MPa ，原量lt;70L/min，穩(wěn)定 。

4.2 橋隧合修

隧底設(shè)置橋梁，橋面寬13.3m，減小橋梁跨度，通過(guò)合理增加樁的方式，分?jǐn)偹淼雷饔门c橋樁的荷載，從而實(shí)現(xiàn)橋梁與隧道整體性設(shè)置。

如圖14、圖15所示，上部結(jié)構(gòu)采用 （1×8+4×10+ 1×8） m鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)，梁部采用土胎模板采用節(jié)段現(xiàn)澆法施工。 臺(tái)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，其余墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)墩臺(tái)橫向布置3根直徑為2.0m的鉆孔灌注樁。樁基礎(chǔ)按端承樁設(shè)計(jì)。端承樁原則上要求樁基入土有效長(zhǎng)度≥12m ，樁基整體嵌入中風(fēng)化巖≥3m；如遇溶洞，應(yīng)穿越溶洞后嵌入巖層 ≥1.0m，且樁基進(jìn)入中風(fēng)化基巖段總長(zhǎng)≥5m ，樁基底部以下的基巖頂板厚度≥5m。本次設(shè)計(jì)共設(shè)置18根鉆孔灌注樁，總長(zhǎng)為892.5m，最長(zhǎng)樁為89m，采用低高度鉆機(jī)施工。

目前隧道運(yùn)營(yíng)壓力較大，橋隧合修方案受場(chǎng)地限制比較明顯，等改擴(kuò)建施工時(shí)作為永久處理方案進(jìn)行治理；復(fù)合地基加固可作為臨時(shí)治理措施，同時(shí)對(duì)該段進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。各治理方案優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

5結(jié)語(yǔ)

本文以某公路隧道為調(diào)查對(duì)象，對(duì)其既有病害的特征、成因機(jī)制、治理措施進(jìn)行分析探討，主要得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)該隧道病害位置進(jìn)行了調(diào)查，統(tǒng)計(jì)隧道兩側(cè)襯砌裂縫的數(shù)量、寬度、長(zhǎng)度和走向，以及裂縫產(chǎn)生的位置和沉降位置情況，發(fā)現(xiàn)大部分裂縫產(chǎn)生位置處有溶洞分布，溶洞與隧道病害存在著必然聯(lián)系。

（2）隧道襯砌開(kāi)裂、路面沉降變形主要是由加固地基注漿固結(jié)效果差、地下水漲落與地下滲流導(dǎo)致碎石土層顆粒流失發(fā)生沉降變形以及軟弱土層壓縮固結(jié)作用等引起地基不均勻沉降造成。

（3）據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，地下暗河出水口較窄，出水量受到限制，當(dāng)上游來(lái)水量增大時(shí)，地下河水將從巖溶小管道虹吸倒灌補(bǔ)給溶洞內(nèi)，回填碎塊石層中細(xì)小顆粒多被地下滲流潛蝕帶走，加劇空洞的發(fā)育。

（4）采用綜合勘察手段，基本查明下伏巖溶形態(tài)為大型廳堂式溶洞。隧道底部左側(cè)區(qū)域溶洞橫向延伸更長(zhǎng)、向下延伸更深，且其回填碎塊石層、軟塑粉質(zhì)黏土層相較于右側(cè)區(qū)域厚度更大。

（5）針對(duì)分析既有隧道病害成因，提出了基底注漿加固、橋隧合修等方式對(duì)隧道進(jìn)行病害治理，分別從場(chǎng)地施工條件、造價(jià)及處理效果進(jìn)行分析，對(duì)類似工程治理起到一定指導(dǎo)作用。

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