廣西喀斯特巖溶區(qū)隧道溶洞處治技術(shù)探討

李杰科 付立勇

溶洞的處治是喀斯特巖溶區(qū)隧道工程建設(shè)的一大難點(diǎn)，溶洞內(nèi)的懸空結(jié)構(gòu)、填充物滲漏、季節(jié)性集中降水等不良因素會(huì)導(dǎo)致隧道施工存在困難，處治不當(dāng)極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過(guò)大等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響隧道施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度。文章結(jié)合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過(guò)程遇到的溶洞及其處治方案，探討喀斯特巖溶區(qū)溶洞形成機(jī)理，分析隧道溶洞處治的原則和措施，以期對(duì)溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

隧道;溶洞;回填;跨越;技術(shù)

U459A230744

0?引言

喀斯特又稱(chēng)巖溶，是具有溶蝕力的水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱(chēng)。除溶蝕作用以外，還包括流水的沖蝕、潛蝕以及坍塌等機(jī)械侵蝕過(guò)程。我國(guó)喀斯特地貌分布廣、面積大，較著名的區(qū)域有廣西、云南和貴州等?。▍^(qū)）。

溶洞的處治是喀斯特巖溶區(qū)隧道工程建設(shè)的一大難點(diǎn)，溶洞內(nèi)的懸空結(jié)構(gòu)、填充物滲漏、季節(jié)性集中降水等不良因素會(huì)導(dǎo)致隧道施工困難，處治不當(dāng)極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過(guò)大等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響隧道施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度。本文結(jié)合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過(guò)程遇到的溶洞及其處治方案，探討喀斯特巖溶區(qū)溶洞形成機(jī)理，分析隧道溶洞處治的原則和措施，以期對(duì)溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1?工程概況

廣西崇左至水口高速公路是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“六橫七縱八支線”中“橫六”合浦至那坡高速公路的重要組成部分，全長(zhǎng)94 km，共設(shè)隧道2座。其中特長(zhǎng)隧道1座長(zhǎng)3 011 m，隧址區(qū)巖性以灰?guī)r為主，地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造網(wǎng)狀發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性差。地質(zhì)勘探資料顯示，隧址區(qū)鉆孔遇溶率為42.85%，鉆孔線溶洞率為12.22%～44.20%。實(shí)際施工過(guò)程中隧道內(nèi)共分布大小溶洞50余處，其中大型溶洞6處，屬典型的溶洞群分布隧道。

2?溶洞的形成機(jī)理及分布形態(tài)

溶洞是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的地下空間，是石灰?guī)r地區(qū)地下水長(zhǎng)期溶蝕的結(jié)果。石灰?guī)r的主要成分之一是難溶于水的固體（CaCO3），其在水（H2O）、二氧化碳（CO2）環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成可溶性的無(wú)機(jī)酸式鹽碳酸氫鈣[Ca（HCO3）2]，化學(xué)方程式為：CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2。由于石灰?guī)r層各部分石灰質(zhì)含量不一致，被侵蝕的程度各異，就逐漸被溶解分割成互不相依、千姿百態(tài)的溶洞。

溶洞在隧道開(kāi)挖斷面的分布位置及形狀大小呈現(xiàn)隨機(jī)性，不同位置、不同大小的溶洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響各不相同。根據(jù)隧道斷面結(jié)構(gòu)，溶洞分布形態(tài)基本可劃分拱頂、拱腰、拱腳、底板四處代表性部位。由此，應(yīng)對(duì)癥下藥，研討相應(yīng)的處治技術(shù)方案。

3?隧道溶洞對(duì)隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)的影響

喀斯特巖溶區(qū)隧道施工過(guò)程中若遇溶洞，可能會(huì)發(fā)生冒頂、突泥涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。受凈空及其他洞內(nèi)條件的制約，大型或常規(guī)施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，甚至部分工作只能依靠人工小規(guī)模開(kāi)展，易造成人員傷亡，施工設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，既增加隧道的施工難度，延長(zhǎng)施工工期，又大量增加施工費(fèi)用。

此外，倘若隧道溶洞處治不恰當(dāng)，會(huì)對(duì)高速公路后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大危害。溶腔涌水會(huì)導(dǎo)致二襯滲漏水，隧道路面水毀損壞;回填不密實(shí)會(huì)導(dǎo)致路面、二襯不均勻沉降開(kāi)裂變形，使路面跳車(chē)影響行車(chē)安全，甚至?xí)?dǎo)致隧道坍塌，道路中斷，造成極大的不良社會(huì)影響，而且二次處治費(fèi)用相當(dāng)高昂。

因此，如何處治所遇到的各種溶洞，已成為修建隧道的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

4?隧道溶洞處治的基本原則

本線路隧道所遇溶洞基本為干溶洞或填充型溶洞，個(gè)別溶洞有少量水流。對(duì)位于開(kāi)挖輪廓線外一倍洞跨內(nèi)的溶洞，處治的基本原則是強(qiáng)調(diào)一溶洞一方案設(shè)計(jì)的針對(duì)性，在確保安全性的前提下，兼顧經(jīng)濟(jì)適用性。根據(jù)開(kāi)挖后的實(shí)際地質(zhì)情況，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)報(bào)告，對(duì)隧道圍巖級(jí)別作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，采取封堵、加固措施進(jìn)行處治：（1）清除溶洞內(nèi)松散充填物，采用噴、錨、網(wǎng)及鋼筋束對(duì)溶洞壁進(jìn)行封錨加固;（2）在隧道開(kāi)挖范圍外采用漿砌片石回填;（3）當(dāng)溶洞底有水流時(shí)，需確保水系不變，采用涵洞或橋梁跨越。

5?隧道溶洞處治技術(shù)方案

5.1?干溶洞或填充型溶洞回填處治

5.1.1?拱頂溶洞回填處治

溶洞分布在拱頂（見(jiàn)圖1），若溶洞有黏土等充填物，需在鋼拱架防護(hù)下挖除3 m厚充填物;若溶洞無(wú)充填物，則依次施做初期支護(hù)、二次襯砌。注意在溶洞位置預(yù)留2根分別突出開(kāi)挖輪廊線外1.5 m、3.0 m的鋼管作為混凝土泵送通道，待二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，以每層厚度≤1.5 m，分層泵送3 m左右C30混凝土回填溶洞，且應(yīng)在前一層混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度以上方可進(jìn)行后一層混凝土的泵送。為及時(shí)排除溶洞內(nèi)隨時(shí)可能產(chǎn)生的積水，應(yīng)預(yù)留110 mmHDPE雙壁波紋管與隧道防排水系統(tǒng)連接。

5.1.2?拱腰溶洞回填處治

溶洞分布在拱腰，橫向外側(cè)發(fā)展（見(jiàn)圖2），若溶洞有黏土等充填物，需清除松散充填物;若溶洞無(wú)充填物，則對(duì)深度≤2 m的溶洞，施作初期支護(hù)、二次襯砌后，直接利用C30混凝土分層泵送回填;對(duì)深度>2 m的溶洞，在開(kāi)挖輪廊線1.5 m以外范圍回填片石，依次施作初期支護(hù)、二次襯砌。注意在溶洞位置預(yù)留C30混凝土泵送鋼管及110 mmHDPE雙壁波紋管，做法與拱頂溶洞處治要求類(lèi)似。

5.1.3?拱腳溶洞處治

拱腳溶洞（見(jiàn)圖3）對(duì)隧道施工影響較大，特別是在Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖臺(tái)階法施工過(guò)程中，嚴(yán)重的情況下可造成拱腳局部失穩(wěn)直至基底整體剪切失穩(wěn)。拱腳沉降和水平收斂是隧道施工大變形控制的關(guān)鍵，本隧道采用臺(tái)階法施工，以下分別對(duì)上、下臺(tái)階的受力工況進(jìn)行闡述：

（1）溶洞分布在上導(dǎo)洞拱腳

當(dāng)溶洞分布在上導(dǎo)洞拱腳處，且溶洞向下側(cè)發(fā)展時(shí)，出于下導(dǎo)洞開(kāi)挖的需要，溶洞下部暫不必回填，但必須對(duì)同水平及上側(cè)空洞進(jìn)行回填，可在上導(dǎo)洞拱腳處溶洞上方并排橫鋪工字鋼2根，工字鋼兩端嵌入圍巖≥0.5 m，作為鋼拱架支撐。將鋼拱架按設(shè)計(jì)間距立于架設(shè)穩(wěn)固的工字鋼之上，通過(guò)焊接方式使兩者連接成整體。溶腔采用泵送C30混凝土方式填充，當(dāng)溶腔較大時(shí)，開(kāi)挖輪廊線1.5 m以外范圍可回填片石。預(yù)留110 mmHDPE雙壁波紋管排水。

（2）溶洞分布在下導(dǎo)洞拱腳

當(dāng)溶洞分布在下導(dǎo)洞拱腳處時(shí)，若溶洞有黏土等充填物，需進(jìn)行清除。若溶洞無(wú)充填物，則在溶洞底部自下而上至離拱腳3 m處分層回填片石，并壓漿固結(jié)。上部3 m內(nèi)分層采用C30混凝土澆筑，振搗密實(shí)。若溶洞向下發(fā)展較淺，對(duì)溶洞內(nèi)充填物進(jìn)行清理后，可直接分層澆筑C30混凝土回填。

5.1.4?底板溶洞處治

隧道底板出現(xiàn)溶洞（見(jiàn)圖4），首先應(yīng)清除充填物，采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段探明溶洞底部持力層厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若持力層不達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則采用鉆孔注漿技術(shù)，充填、置換處理溶洞，使下部溶腔內(nèi)水泥混合體凝固后強(qiáng)度提高，以達(dá)到持力層補(bǔ)強(qiáng)的目的;或考慮采用梁板跨越。在持力層滿足要求的前提下，底板溶洞向下發(fā)展較淺時(shí)，可自下而上分層回填片石，壓漿固結(jié)，上部1 m采用C30混凝土分層澆筑。

5.2?流水溶洞跨越處治

上金隧道左洞開(kāi)挖至樁號(hào)KB25+220～226段，左側(cè)揭露溶洞。溶洞位于左側(cè)下臺(tái)階，洞口長(zhǎng)度約6 m，寬度約6 m，深度約12 m，腔體呈葫蘆狀。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和材料分析，溶洞正好處于一個(gè)主斷層和一個(gè)小斷層交接處。溶洞橫向向左延伸至附近的左江，溶洞揭露部分屬溶洞右側(cè)端頭，基底普遍黏土夾碎石，局部集中堆石，存在少量常年流水，流水水位呈季節(jié)性漲落。如圖5所示。

當(dāng)隧道遇到大型溶洞，底部有水流時(shí)，需確保水系不變，采用橋梁方式跨越溶洞。施工前，需對(duì)溶洞周邊安全施工環(huán)境進(jìn)行全面排查，路線范圍內(nèi)溶洞壁采用掛鋼筋網(wǎng)（8 mm鋼筋網(wǎng)片20×20 cm）噴射厚度≥10 cm的C25混凝土進(jìn)行防護(hù)。鑒于本溶洞各方向發(fā)育相對(duì)較寬，采用垂直于道路中線的擴(kuò)大基礎(chǔ)式橫向C30支撐墻，上方架設(shè)高度為120 cm的C40梁板跨越。C30支撐墻基礎(chǔ)基底根據(jù)開(kāi)挖的基巖分布狀況調(diào)整，使基礎(chǔ)底面落在完整的基巖上，且基礎(chǔ)下方5 m范圍內(nèi)無(wú)溶洞。基礎(chǔ)與基巖、每層混凝土之間采用42×4 mm固腳鋼管連接，固腳鋼管按梅花型布置，縱橫向間距均為50 cm。支撐墻實(shí)際高度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整。作為支承，梁板內(nèi)側(cè)搭接于完整基巖上，梁板外側(cè)與支撐墻整體澆筑，梁板縱向兩端與完整基巖搭接寬度≥1 m。梁板預(yù)埋110 mmHDPE雙壁波紋管透水。如圖6所示。

6?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用以上喀斯特巖溶處治技術(shù)方案，攻克了50余處隧道溶洞，當(dāng)前崇左至水口高速公路2座隧道圓滿地完成了開(kāi)挖、支護(hù)任務(wù)。從巖溶處治的效果來(lái)看，隧道洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過(guò)大等地質(zhì)災(zāi)害得到了較好地控制，在很大程度上降低了因巖溶地質(zhì)災(zāi)害造成的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。初支體系和二次襯砌結(jié)構(gòu)性能可靠，滿足設(shè)計(jì)使用要求，有效保證了隧道施工質(zhì)量和進(jìn)度。

[1]李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺(tái)階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（Z1）：2 732-2 736.

[2]秦?趣，諶洪星，張美竹.喀斯特山區(qū)礦業(yè)城市地質(zhì)災(zāi)害成因及治理方案[J].國(guó)土與自然資源研究，2011（6）：41-42.

[3]李繼君.隧道溶洞處理探討[J].山西建筑，2016，32（19）：304-305.