岩溶发育地区隧道溶洞处治方法

赵兴华，上官洲境，陈建光

(中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530031)

0 引言

岩溶发育地区隧道溶洞的处治方法直接影响隧道后期的运营寿命和安全，为了保证隧道溶洞处治的安全和使用寿命，在隧道施工过程中，需要对隧道与溶洞的平面位置关系以及溶洞的水文地质特点加以深入分析研究，制定行之有效的处治方法，避免发生因选择处治方法不当引起的隧道安全和质量事故。

1 溶洞的形成机理

溶洞的形成是因为石灰岩地区地下水长期溶蚀，石灰岩中不溶于水的碳酸钙在水和二氧化碳的作用下转化为微溶性的碳酸氢钙。由于石灰岩层各部分含石灰质数量不同以及被侵蚀的程度不同，会被逐渐溶解分割成为互不相依、形状各异的溶洞。

2 溶洞的危害以及对隧道施工的影响

隧道穿越溶洞处治不当，会对隧道后期运营带来很大的危害。溶洞水处治不当极易引起隧道二衬渗漏水，水害破坏路面。溶洞回填处治不当，极易引起隧道路面和二衬下沉开裂变形，路面跳车，严重时造成隧道坍塌，二次处治会产生较大的费用和极坏的社会影响。

同时隧道穿越溶洞，受隧道净空限制，常规和大型机械无法施工，增加了隧道的施工难度，延长了隧道施工工期。并且季节性的岩溶洞穴涌水也会给隧道施工带来诸多不稳定因素。因此，制定一个科学、合理、有效的溶洞处理方案对隧道穿越岩溶地段至关重要。

3 隧道溶洞处治原则

(1)科学性原则。因洞制宜，一洞一方案原则。聘请专业洞穴调查人员详细调查，准确判断溶洞与隧道的平面位置关系及溶洞水文、地质特点，制定专项单体溶洞处治方案。

(2)有水溶洞以排为主，堵排结合的动态方案、动态施工原则。详细调查溶洞水文特点，溶洞水以排为主，堵排结合，溶洞水的通道尽量疏通，禁止堵塞。

(3)安全性原则。保证岩溶隧道处治溶洞时的施工安全和后期的运营安全。

(4)适用性原则。充分考虑隧道内狭小空间，合理选择施工机械设备、施工工艺，降低施工难度。

(5)经济型原则。保证安全、质量和使用寿命的前提下，做到溶洞处治方案经济合理。

4 隧道溶洞处治方法

本文以在建的广西河池至百色高速公路项目丘莫隧道和梁家隧道溶洞处治为例，对隧道溶洞处治方法做简要分析。

4.1 溶洞回填处治

以丘莫隧道为例。丘莫隧道右洞K77+827处(隧道设计标高约459.6 m)溶洞洞口呈不规则状，长约32 m，洞口宽10～20 m，走向约70°，洞顶标高约466～473 m，洞底标高约451～458 m，洞高约8～12 m，隧道右洞穿越该溶洞；洞顶未见明显的小型孔洞，洞顶及洞壁局部钟乳石发育，未见地下水滴漏(见图1)。

图1 丘莫隧道YK77+827溶洞发育平面图

溶洞底部发现两个支洞，支洞1走向310°，往北西向倾斜，可见深度37 m，平均坡度38°，洞口位于隧道右洞K77+824右侧洞壁下方，洞口顶部标高450.26 m，洞口宽3.9 m，高2.0 m；溶洞与隧道右洞大角度相交。根据勘察情况对隧道并无影响。

支洞2往70°方向发育延伸，与隧道右洞小角度相交；呈坡度32°～37°的扇形边坡，坡长约70 m，坡顶宽5.59 m，标高451.34 m(洞口处)，坡底宽约60 m，标高399.47～413.87 m，相对高差37.47～51.87 m；洞顶标高424.67～452.74 m，洞高3～8 m，局部10～11 m，顶板厚度(洞顶至隧道右洞路面距离)2.46～31.96 m。K77+827溶洞及支洞2洞顶围岩岩性为白云岩、灰质白云岩夹少量灰岩，中风化，洞顶岩溶形态以石钟乳、石帘及溶蚀裂隙(沿岩层面发育)为主，局部为孔洞，规模小；地质调查未见洞顶发育规模较大(直径或厚度1 m以上)的欠稳定～不稳定结构体；围岩中发育2组闭合状节理，节理产状40°～50°∠25°～30°及290∠42°，岩体较破碎；隧道爆破开挖期间，K77+827溶洞及支洞2洞顶仅有少量钟乳石及小岩块坠落；综上所述，K77+827溶洞及支洞2洞顶围岩总体基本稳定，局部洞顶浅部分布少量欠稳定的小型岩块及钟乳石。

由于支洞2洞身距离隧道设计高薄弱处仅10.41 m，洞口处仅5 m，对隧道主体结构及运营管理造成安全隐患，故采用回填治理方案(见图2)。

图2 丘莫隧道YK77+827溶洞支洞2填充纵断面图

溶洞回填施工工艺是：

(1)对隧道洞体上方溶洞危石进行清理，并挂网锚喷加以封闭处理。

(2)从上至下清理溶洞支洞2处落石，至K77+800处，清理支洞2K77+800以上洞顶危石，并挂网锚喷，使洞顶平顺，保证下方施工安全，并逐级开凿出施工平台。

(3)从支洞YK77+800开始修筑M7.5浆砌片石，一直到支洞与主洞溶洞交界处顶部。

(4)隧道基底采用M7.5浆砌片石，溶洞段隧道衬砌参照S5-A衬砌类型，外露侧施作偏压墙，具体参数参照明洞偏压耳墙，高度根据现场实际情况调整。

(5)溶洞隧道施工时先施做基础回填，然后架立外侧拱架，用锁脚锚杆固定，并挂网锚喷，当做内模，施作耳墙，然后开挖暗洞侧洞体。

(6)隧道沿路线方向右侧预留排水沟道，引入支洞1。

(7)耳墙上方如遇空间狭小，可采用泵送混凝土填充密实。

溶洞回填施工注意事项有：

(1)确保隧道洞身上方危石清理干净，避免对施工及后期运营留有严重隐患。

(2)M7.5浆砌片石必须嵌入新鲜基岩1.5 m以上，保证基础的稳定性。

(3)洞顶不规则溶蚀区域须清表后挂网锚喷处理平整，以便与下部结构连接。

(4)M7.5浆砌片石与洞顶连接处采用膨胀混凝土时，应严格参照相应施工规范，如遇锥型溶洞无法施做，可预留圆管，采用泵送方式填充，确保二者密贴共同受力。

(5)在施工过程中如发现有新的水流迹象，应加以引流疏通处理。

4.2 桥梁跨越溶洞处治

以丘莫隧道为例，丘莫隧道右线K77+892出口端掌子面发现溶洞。溶洞斜线往下发展，开口处可见纵向长度约17 m，溶洞向隧道底部发展，溶洞底部距隧道上断面开挖底约62 m高，往隧道掌子面方向约80 m，溶洞向隧道进洞左侧方向发展约70 m，往隧道进洞右侧方向发展约30 m，底部形成约8 000 m2的大型溶腔。往隧道上方发展可见5 m左右漏斗，成葫芦状往洞顶延伸，不见底，往左洞发展，初步推测最大宽度约10 m。溶洞底仅有几块大石块(初步判断为隧道揭示时掉块)，未见堆积石渣或石块，底部局部覆盖薄层淤泥，钟乳石分布，未见水。雨季时溶洞顶左上方有裂隙水流出，如图3所示。

图3 丘莫隧道溶洞平面图

结合该处溶洞的地质水文特点和处治原则，采用现浇箱梁跨越溶洞。上部结构采用1×37 m预应力混凝土简支箱梁，桥梁起点桩号K77+858，桥梁终点桩号K77+896，桥梁全长38 m，横坡为2%，纵断面纵坡2.5%(见图4)。

丘莫隧道右线K77+876溶洞现浇箱梁分为行车道梁和衬砌基础梁，其横断面尺寸如下页图5所示。

图4 丘莫隧道跨越溶洞桥梁平面图(单位：cm)

图5 丘莫隧道横截面尺寸图(单位：cm)

4.3 隧道整体进入具有膨胀性质填充物的大型溶腔的处治

以梁家隧道为例。通过对掌子面拱部、拱底、掌子面前方、左右侧进行地质钻探揭示：溶洞内有土夹石或泥土(土体呈黄色，无水时呈干硬，有水时呈软塑～流塑状态，属膨胀性土)填充物。溶腔纵向发育长度37 m为土，部分夹石，拱部约26 m、掌子面左右侧约20 m为软弱填充物，隧道拱底25 m深度范围均为软弱填充物，再向下为灰岩分界面。

穿越该类地质条件溶洞的处治方法如下：

4.3.1 超前支护

考虑到围岩状况极差，上部荷载大的情况，采用大管棚+超前高压注浆预支护的超前支护方案。施工采用扩挖工作室的方式进行施作。由于黏土颗粒细密，常规超前小导管支护方案浆液难以扩散，故采用超前高压注浆预支护方案。管棚直径108 mm，每环41根，环向间距40 cm，共3环，环向搭接长度为3 m。施工采用扩挖工作室的方式进行施作。超前前进式注浆导管采用50 mm小导管，长度为600 cm，边墙以上布设，角度45°，每环27根，环向间距1 m，纵向间距1 m。浆液为水泥浆，注浆压力初压为1～2 MPa，终压为5～6 MPa(见图6、图7)。

图6 梁家隧道超前大管棚支护纵断面示意图

图7 梁家隧道超前前进式注浆导管布置图

4.3.2 开挖

为保证施工期安全，钢拱架应尽早成环，开挖采用三台阶+临时仰拱方案，每级台阶均设置临时仰拱。开挖应尽量减少对围岩的扰动，每级台阶开挖后都应尽早施作临时仰拱，使初支成环，仰拱开挖每循环应<3 m。隧道开挖按架立两环钢拱架间距为一循环进尺，初期支护边开挖边支护，二次衬砌应根据监控量测结果综合分析，适时施作，二次衬砌距主洞上台阶掌子面距离不超过9 m，如图8所示。

图8 梁家隧道施工工序示意图

4.3.3 初期支护及二次衬砌

根据钻孔资料显示，隧道拱顶以上26 m为黄泥夹石，与右线隧道情况相似，且右洞开挖后出现了持续性大变形，不能稳定，致使初支及二衬部分段落垮塌，情况严重，同时考虑到溶洞发育无规律可循，分界面可能起伏较大或岩体仍较为破碎，出于安全考虑，隧道结构衬砌参数方案设计时按拱顶35 m荷载拟定。为保证施工期安全推荐采用双层初支方案为实施方案。二衬厚度为85 cm，预留变形量21 cm，初支厚度为(24+31)cm(见图9)。

图9 梁家隧道衬砌断面图

4.3.4 基底处理

根据地质钻孔资料显示，隧道仰拱底25 m深度范围为软基，下部为灰岩分界面。由于上部荷载大，下部基础软，隧道沉降量过大，极易产生塌方事故。采用树根桩方案为隧道地基处治方案。施工时应注意施工工序：待第三级台阶开挖完毕后，尽快施作两侧边墙部位钢拱架，并使临时仰拱成环，在第三级台阶底开始钻孔施作树根桩，具体工艺参看设计图纸。树根桩施作完毕开挖仰拱，完成仰拱初期支护措施(见图10)。

图10 梁家隧道树根桩布孔立面及平面图

5 结语

鉴于溶洞形状、大小、地质水文特点千变万化，溶洞与隧道的位置关系错综复杂，与之相适宜的方案也不尽相同，难以对隧道溶洞处治进行全面系统的归纳总结，本文仅对少数隧道典型溶洞处治方法进行简要分析，希望对后续类似地质情况下隧道溶洞处治施工具有一定的借鉴作用。