二道埡隧道掘進(jìn)遇溶洞處理技術(shù)研究

楊義強

摘要：本文以湖北十漫高速公路二道埡隧道為依托，對隧道掘進(jìn)遇溶洞時的不同情況下的處理技術(shù)及措施進(jìn)行了探索及研究，以期為隧道遇溶洞的處理帶來一些新的思路。

Abstract： Based on the Erdaoya Tunnel of Shiman Expressway in Hubei Province， this paper explores and studies the treatment techniques and measures under different conditions when tunneling encounters karst caves， in order to bring some new ideas to the treatment of karst caves in tunneling.

關(guān)鍵詞：公路隧道；溶洞；處理措施；技術(shù)探索

Key words： highway tunnel；karst cave；treatment measures；technical exploration

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）02-0123-04

0 引言

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層（石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽等）經(jīng)化學(xué)溶解作用和崩解、搬運和沉積作用等機械破壞所形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象，隨著生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展，巖溶地區(qū)工程建筑日益增多，所遇到的巖溶工程問題也日趨復(fù)雜多變。

巖溶是山區(qū)隧道建設(shè)中常見的地質(zhì)災(zāi)害，特別是在西部山區(qū)公路及鐵路建設(shè)中，常常出現(xiàn)的各種類型的巖溶地質(zhì)災(zāi)害，如果沒有采取科學(xué)、適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?，往往在施工和運營期間都會發(fā)生許多事故，甚至嚴(yán)重地危害隧道的正常使用，故妥善、有效處整治巖溶地質(zhì)災(zāi)害是確保隧道的正常使用的關(guān)鍵。

1 工程簡介

湖北十漫高速公路SME10合同段二道埡隧道采用分離式，左右線距離30～50m，左線樁號ZK92+900～ZK96+010，長3110m，二道埡隧道右線樁號YK92+955～YK96+024，長3069m。隧道處于巖溶發(fā)育地區(qū)，溶蝕構(gòu)造復(fù)雜，給施工處理帶來了極大困難。

2 巖溶洞穴的處理

2.1 一般巖溶地區(qū)隧道的處理原則

2.1.1 以隧道結(jié)構(gòu)安全和施工安全為出發(fā)點，以人與自然環(huán)境的和諧為機理

巖溶是一種非常復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，其生成和發(fā)育取決于各種地質(zhì)條件的綜合作用，如巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地下水及構(gòu)造運動等，同時巖溶的發(fā)育和形成過程也是地質(zhì)運動的自然平衡過程，而人類修建隧道穿越巖溶地區(qū)實際上是對原有巖溶平衡狀態(tài)的一種破壞。

巖溶整治的目的就是確保隧道結(jié)構(gòu)安全和施工安全，因此在整治過程中人們首要關(guān)注的是巖溶對隧道本身的影響，但要真正徹底整治，就須重點關(guān)注整治后對巖溶原有平衡狀態(tài)的恢復(fù)，即巖溶整治的實質(zhì)就在于對自然破壞的平衡“恢復(fù)”，以期達(dá)到人與自然的和諧。

2.1.2 因地制宜，綜合治理

巖溶形態(tài)的各異性決定了處理措施的不同，這主要表現(xiàn)在巖溶與隧道的關(guān)系以及巖溶本身的復(fù)雜性。如有無充填、充填物的軟硬狀態(tài)、成分組合以及巖溶水的發(fā)育情況等的不同，都會導(dǎo)致處理措施、處理方式的差異。同時在處理過程中，有時僅靠單一的處理手段，無法有效整治，例如在巖溶水整治過程中，局部地段可能通過疏導(dǎo)既有巖溶管道即可引排，有些地段可能需要增設(shè)排泄通道截排。因此在巖溶處理過程中，要根據(jù)不同巖溶的發(fā)育特點，因地制宜，采用綜合整治手段，才能有效治理。

2.1.3 不斷完善，徹底整治

由于巖溶的復(fù)雜性和微觀發(fā)育的不規(guī)律性，溶洞處理過程也是對巖溶問題不斷認(rèn)識的過程。從宏觀上講，巖溶發(fā)育的規(guī)律是可以判斷的，但現(xiàn)有技術(shù)手段和認(rèn)知水平，限制了對巖溶全面細(xì)致的認(rèn)識，特別是微觀發(fā)育的不規(guī)律性以及巖溶水的滯后效應(yīng)影響，只有經(jīng)過深入的地質(zhì)調(diào)查、施工緊密結(jié)合起來，不斷發(fā)現(xiàn)整治過程中的問題，完善優(yōu)化設(shè)計，才能做到徹底整治。

2.2 一般巖溶地區(qū)隧道的處理方法和措施

隧道巖溶發(fā)育復(fù)雜多變，主要分為巖溶洞穴的處理和巖溶水的處理。根據(jù)巖溶對隧道不同的影響情況及施工條件，采取跨越、加固、支頂洞穴，疏通、截流、引排巖溶水，清除充填物，回填夯實、封閉地表塌陷等工程綜合治理措施。

2.2.1 巖溶水的處理

在巖溶整治過程中，尤其要關(guān)注對巖溶水的整治處理，巖溶水的發(fā)育情況往往影響決定著處理方法和手段的選擇，如充填溶洞一般采用復(fù)合地基理論進(jìn)行加固處理，但如果巖溶水發(fā)育，充填物易流失，則宜采用跨越結(jié)構(gòu)處理。

①巖溶水原則上以疏導(dǎo)處理為主，盡量恢復(fù)或維持既有排泄通道，如隧道開挖切斷巖溶管道，且隧道兩側(cè)均有明顯的管道，可根據(jù)巖溶管道與隧道的相對位置關(guān)系，采用上跨或下穿隧道的人造排泄通道與巖溶管道相連接，并結(jié)合溶洞發(fā)育形態(tài)，設(shè)置必要的檢查、清淤條件。

如隧道ZK93+836～+839有一溶洞穿過隧底，有從左向右約0.5m3/s的流水，雨季最大過水量約為1m3/s，溶洞自隧道左側(cè)向右側(cè)邊墻外延伸約30m后坡陡難以進(jìn)入，溶洞空洞部分高1～4m，寬1.5～8m，溶洞底板充填部分軟塑～流塑狀粘土，設(shè)置了1座1-2m箱涵下穿涵洞，如圖1示。并對涵洞上、下游10m范圍進(jìn)行鋪砌，于涵洞上游設(shè)沉砂池一處，于隧道右側(cè)墻身下部設(shè)置了一處寬2m，高2.2m檢查洞，以便在運營期間進(jìn)行溶洞處理的狀況進(jìn)行檢查維修。

②如采用上跨隧道維持既有巖溶排泄通道處理方法時，應(yīng)加強襯砌結(jié)構(gòu)的防水措施，提高抗水壓能力，并注意核實巖溶水量及充填情況，如巖溶水?dāng)y帶泥沙量大，易沉淀淤積，則不宜設(shè)置采用上跨設(shè)置排泄通道方案。

③對無明顯巖溶水排泄通道或巖溶水量較大原自然管道無法及時宣泄時，宜設(shè)置人工排泄通道引排巖溶水。通常采用的排水方式有盲溝、泄水孔、水溝改造、集水槽、泄水洞、廊道、旁洞、涵洞、豎井、倒虹吸等設(shè)施，設(shè)有橫洞、平導(dǎo)的隧道可利用為施工、運營期間的排水通道；為更好的匯集、截排巖溶水，防止巖溶水危及隧道結(jié)構(gòu)安全，可以通過設(shè)置集水槽、廊道及集水鉆孔等集水措施匯集巖溶水。

④巖溶水具有“滯后效應(yīng)”，在隧道揭穿巖溶管道后，其原有的水力平衡條件被打破，徑流條件發(fā)生改變，隨著巖溶水向隧道內(nèi)的匯流速度加快，使原有的巖溶排泄管道被逐漸疏通，巖溶水的運移速度加快，對降雨的反應(yīng)愈敏感，隧道周邊的這種徑流方式的改變直到重新平衡的過程，就是巖溶水的滯后效應(yīng)的過程。所以很多巖溶工點的涌水量往往在開挖揭示時不大，但到雨季時的涌水量驟增，形成水害，有的巖溶工點一個雨季甚至數(shù)個雨季后才達(dá)到最大。在巖溶水整治過程如果不充分認(rèn)識到巖溶水的這種“滯后效應(yīng)”，往往會形成工程隱患。考慮到巖溶水的這種滯后特性，在施工過程中遇到巖溶問題時，不能盲目的進(jìn)行襯砌封閉處理，而應(yīng)對該巖溶所處的地質(zhì)、水文環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查、分析，尤其是要注意加強巖溶發(fā)育地段的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)條件分析，并結(jié)合雨季觀測情況，對巖溶最大涌水量進(jìn)行推測、判斷，從而進(jìn)行合理的整治處理。同時在整治過程中，應(yīng)考慮施工期間的防止突水的過渡方案與措施。尤其是暴雨季節(jié)，應(yīng)加強對涌水量的觀測、設(shè)置臨時排水系統(tǒng)等。本項目ZK93+836～+839處溶洞排水處理時就是充分考慮了巖溶水的“滯后效應(yīng)”，設(shè)置了較大孔徑的涵洞進(jìn)行排水。

⑤巖溶水引排與充填物流失問題。

在對充填巖溶地段進(jìn)行巖溶水整治時，在引排巖溶水的同時存在充填物流失問題，因此在引排巖溶水的同時，一定要關(guān)注充填物的流失問題。

隧道揭示溶洞僅為巖溶管道且管壁為完整基巖時，則充填物流失對隧道結(jié)構(gòu)的影響較小，但應(yīng)注意巖溶水的疏通滯后效應(yīng)以及排水系統(tǒng)的淤積清理問題。

隧道穿越以充填為主的溶洞，如無明顯巖溶管道，且?guī)r溶水量較小，充填物無流失可能時，則考慮 “以堵為主、限量排放”的原則進(jìn)行處理；如有明顯巖溶出水點，且涌水量較大時，則考慮以排為主的整治原則，設(shè)置排水通道，并對隧道周邊充填物注漿形成固結(jié)圈，同時為防止充填物流失，應(yīng)對排水口采取必要的防沖刷流失措施。

2.2.2 巖溶洞穴的處理

隧道施工遇巖溶洞穴形態(tài)各異，發(fā)育規(guī)模大小不一，在處理巖溶洞穴時，重點要理清溶洞的發(fā)育形態(tài)以及溶洞與隧道的相對位置關(guān)系，然后才能有的放矢，采取有針對性的處理措施。

①隧頂以上溶洞的處理。

對發(fā)育至隧道洞頂以上的溶洞，一般采取襯砌背后回填的措施。但在溶洞頂板高懸，或溶洞橫向跨度大，穩(wěn)定性差時，如果仍采用回填密實的措施，不僅回填工程量大，技術(shù)經(jīng)濟不合理；且回填體重量過大，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的承載力增大，存在安全隱患。因此在隧頂以上溶洞處理時，根據(jù)溶洞發(fā)育的高度、跨度以及洞壁穩(wěn)定情況，采取回填、支頂、設(shè)置緩沖層以及巖壁防護(hù)等綜合處理措施，并對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的加強。

1）若隧頂以上的空溶洞較高，可通過設(shè)置1～2m厚砼或漿砌片石護(hù)拱，護(hù)拱背后設(shè)置一定厚度的干砌片石緩沖層，并對溶洞頂部巖壁施做錨噴網(wǎng)防護(hù)。

如圖2所示，隧道YK93+270處發(fā)育半充填溶洞，隧頂以上溶洞高度約13m，溶洞頂巖層節(jié)理發(fā)育，節(jié)理呈張開狀，順節(jié)理面多溶蝕形成溶縫，縫寬一般1～20cm，巖體被切割成大塊狀，溶洞壁及洞頂有滲滴水現(xiàn)象，雨季洞頂有小股狀及線狀水從溶縫中流下。該段采用V級鋼筋砼加強襯砌，襯砌背后施做1.5m厚砼護(hù)拱、4m厚干砌片石緩沖層，并對溶洞頂板施做錨噴網(wǎng)防護(hù)。為確保施工作業(yè)安全，先行施做砼護(hù)拱通過，然后通過預(yù)留作業(yè)口對溶洞頂板進(jìn)行防護(hù)處理，防護(hù)處理時先設(shè)置臨時防護(hù)網(wǎng)，再架設(shè)腳手架作業(yè)平臺；在護(hù)拱的安全作業(yè)空間下對隧道基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理、灌注襯砌砼，最后利用預(yù)留作業(yè)口施做緩沖層。

2）如溶洞垂直于線路方向發(fā)育較長，即橫向跨度較大的溶洞，一般可結(jié)合巖溶條件設(shè)置支頂柱、墻縮小溶洞的跨度；如溶洞頂板較穩(wěn)定，可考慮設(shè)置明洞支頂結(jié)構(gòu)。隧道YK94+915處發(fā)育溶洞，如圖3所示，溶洞底充填大量方解石結(jié)晶體和部分粘性土、碎塊石土，巖層產(chǎn)狀平緩，溶洞頂板基本順層面發(fā)育，溶洞橫向跨度約18m，在開挖時洞頂曾發(fā)生坍塌現(xiàn)象。處理該溶洞時于隧道外側(cè)設(shè)置漿砌片石支頂墻，施做頂板防護(hù)，減小溶洞跨度，提高溶洞的穩(wěn)定性，然后再進(jìn)行基礎(chǔ)、襯砌結(jié)構(gòu)的處理。

隧道ZK94+017～+046段隧底發(fā)育一溶洞，溶洞斜穿線路，頂板厚約1.8～7.3m，溶洞高度5～12m，寬6～15m，底部有塊石、粘土、少量積水，洞壁為完整基巖。由于頂板厚度與溶洞寬度的比值小于1，故該溶洞的頂板安全厚度不夠，需設(shè)置支撐柱支撐頂板縮小溶洞跨度，并輔以噴錨網(wǎng)防護(hù)。本項目于隧洞左側(cè)設(shè)置了連續(xù)的漿砌擋土墻作為支撐柱，通過擋墻將溶洞空間分割成兩部分，僅進(jìn)行隧洞所側(cè)的溶洞空腔回填，擋墻另一部僅對靠近隧洞的溶腔頂板進(jìn)行噴錨網(wǎng)加固，從而大幅減少了處理的工程量，降低了施工成本。具體見圖4所示。

②隧底溶洞的處理。

根據(jù)溶洞與隧道的相對位置關(guān)系，當(dāng)溶洞穿越隧道底部時，則需要根據(jù)溶洞發(fā)育的形態(tài)對隧道基礎(chǔ)進(jìn)行處理。隧道底部溶洞對隧道的影響較大，特別是對襯砌結(jié)構(gòu)承載以及線路行車方面。根據(jù)具體情況采用跨越、回填、支頂?shù)榷喾N處理措施，本項目創(chuàng)造性的采用了復(fù)合地基的結(jié)構(gòu)型式。

1）跨越結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

采用的主要跨越結(jié)構(gòu)有梁跨、拱跨、框架跨越等結(jié)構(gòu)形式。其主要適用于不宜回填的空溶洞，地下水發(fā)育、不易成孔或卡鉆的充填溶洞。作者本人在其它項目施工時采用了拱跨結(jié)構(gòu)及三連跨結(jié)構(gòu)跨越溶蝕下切較深，清理、回填處理難度大的隧道底溶洞，取得了良好的技術(shù)效果及經(jīng)濟效益。

2）回填措施的應(yīng)用。

對于地下水不發(fā)育、底部充填深度不大的溶洞，多采用混凝土、漿砌片石、干砌片石等進(jìn)行回填處理，本項目多處溶洞采用了以上施工處理措施。

3）復(fù)合地基在隧底充填溶洞中的應(yīng)用。

復(fù)合地基是指由兩種剛度（或模量）不同的材料（樁體和樁間土）組成，共同承受上部荷載并協(xié)調(diào)變形的人工地基，其原理主要是通過地質(zhì)改良、利用群樁效應(yīng)提高基礎(chǔ)承載力。本隧道穿越巖溶水不發(fā)育的軟土充填地層時，大量采用復(fù)合地基處理，復(fù)合地基主要適用于地下水不發(fā)育、不易流失的充填溶洞。復(fù)合地質(zhì)還需考慮施做空間及沉降變形等因素影響，均預(yù)留一定的凈空富裕量。

復(fù)合地基一般采用鋼管樁、旋噴樁、楔形樁等。如圖2、圖3分別采取鋼管樁、旋噴樁等復(fù)合地基，取得了較好的工程效果。

3 結(jié)束語

本項目對以上溶洞采取處理措施后進(jìn)行的后期跟蹤監(jiān)測表明處理效果良好，達(dá)到了目標(biāo)要求。二道埡隧道施工前還采取了多種超前地質(zhì)預(yù)報手段進(jìn)行巖溶預(yù)報，施工實踐證明，大型巖溶一般情況下是可以預(yù)報出來的，可以在揭示前采取必要的措施，減少損失。

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