碌碡梁隧道溶洞處治方案設(shè)計研究

薛登峰

（山西路橋第一工程有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

碌碡梁隧道位于方山縣碌碡梁村附近，隧道方山端洞口處最小凈距21 m，中陽端洞口處最小凈距20 m，設(shè)計為分離式（部分小凈距）隧道。左線洞體全長2 318 m，右線洞體全長2 323 m，洞體最大埋深231.02 m，位于ZK22+860。隧道進出口位于黃土沖溝及基巖侵蝕溝谷，交通相對不便。隧道總體走向呈正南向185°～198°。隧道圍巖主要為太古界強風(fēng)化-全風(fēng)化混合花崗片麻巖為主的混合雜巖、寒武系中統(tǒng)徐莊組（E2x）及張夏祖（E2z）中風(fēng)化鮞狀灰?guī)r、局部泥質(zhì)條帶灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)冶里組（O1y）中-強風(fēng)化泥質(zhì)白云巖構(gòu)成，進出口段以第四系下更新統(tǒng)午城組（Q1w）粉質(zhì)黏土及第三系靜樂組（N2j）紅黏土為主。

2 隧道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級：一級公路（雙向四車道）；設(shè)計速度：80 km/h；汽車荷載等級：公路-Ⅰ級；設(shè)計使用年限：100年；隧道建筑限界凈寬：0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25 m；隧道建筑限界凈高：5.0 m；隧道防水等級：二級；混凝土抗?jié)B等級：不小于P8；隧道路面橫坡：直線段2%；超高段小于等于3%[1]。

3 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于呂梁山西翼山麓地帶，受區(qū)域構(gòu)造控制，區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造形跡是由燕山運動形成的構(gòu)造格局，其主體走向表現(xiàn)為北北東、北北西向，伴生了一系列褶皺，其間發(fā)育的褶曲大多為平緩寬闊的波狀起伏，大部呈對稱分布，在此應(yīng)力作用下，項目區(qū)節(jié)理、裂隙發(fā)育；主要構(gòu)造有斷層和褶皺。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查及物探，表明隧址區(qū)發(fā)育有斷層一道，經(jīng)地質(zhì)鉆探驗證，斷層位于K23+030處，為一正斷層，上盤基巖為∈2x地層，下盤基巖為赤堅嶺雜巖Mr，據(jù)調(diào)查資料顯示該斷層為死斷層，對工程影響主要表現(xiàn)在斷層帶范圍隧道圍巖級別較低，并存在滲漏水現(xiàn)象。

隧址區(qū)附近在K24+00—K33+700段發(fā)育寬緩的向背斜組合構(gòu)造，一翼傾向西南至南西西，一翼傾向南南東，第一處緊閉褶皺向斜樞紐位于K23+740，樞紐核心出露地表巖層為O1白云巖；背斜樞紐位于K23+900，樞紐核心出露地表巖層為O1白云巖，背向斜相連，樞紐走向推斷為155°，兩翼最大傾角達58°，為一緊閉傾伏褶皺。兩處樞紐部位地層巖性較破碎，對隧道圍巖級別判定有一定影響。

4 溶洞處治方案

隧道溶洞段落原有襯砌支護參數(shù)設(shè)計情況詳見圖1。

圖1 原設(shè)計襯砌支護參數(shù)圖

隧道在施工過程中，如遇到巖溶溶洞，首先需要了解、掌握隧道和溶洞的相對位置關(guān)系，以便制定合理的處置方案?，F(xiàn)將碌碡梁隧道溶洞與隧道的相對位置關(guān)系進行簡單的描述，具體情況詳見圖2。

圖2 溶洞與隧道相對位置關(guān)系圖

5 總體處治原則

碌碡梁隧道中陽端右洞掘進至K23+999時，上臺階掌子面左側(cè)拱肩至拱底出現(xiàn)一處大型溶洞，相關(guān)各方對溶洞進行了詳細(xì)測量、勘察，明確了溶洞和隧道的相對位置關(guān)系,詳見圖2。經(jīng)多方討論研究，形成如下總體處置原則：

a）暫停隧道右洞掌子面掘進與下臺階開挖施工，完善已開挖部分的初期支護，如在巖溶影響范圍，初期支護按巖溶段初期支護施工，巖溶影響范圍為溶洞及其前后6 m。

b）制定和完善巖溶影響段施工應(yīng)急預(yù)案，加強隧道監(jiān)控量測頻率，及時預(yù)報險情；對溶洞小樁號50 m范圍內(nèi)增加隧道洞周物探探測，必要時增加超前水平探孔；對溶洞大樁號50 m范圍增加拱底空洞探測。

c）清除或加固溶洞中對隧道安全和后續(xù)溶洞處理有影響的危石，對溶洞頂進行初噴，密切監(jiān)控溶洞頂巖體的變化，加強施工安全意識，對巖溶進行隧道洞碴回填，溶洞外側(cè)低洼處采用塊石洞碴回填（塊石直徑不小于30 cm），根據(jù)地下水大小情況及豐水季溶腔內(nèi)過水的因素，必要時設(shè)置暗管（直徑50 cm上部開孔混凝土管），做好地下水的引排。

d）根據(jù)溶洞分布與隧道的關(guān)系，按以下方案處治溶洞：

（a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下側(cè)，溶腔未侵入隧道開挖輪廓內(nèi)，采取洞碴回填+泵送混凝土，再注漿處理措施，處治范圍為隧道開挖輪廓線外5 m。

（b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上臺階侵入隧道開挖輪廓，溶洞位于隧道右側(cè)，采取注漿鋼花管注漿加固現(xiàn)有直墻基礎(chǔ)，在現(xiàn)有曲墻內(nèi)側(cè)增設(shè)拱架（與初支拱架交錯布設(shè)），現(xiàn)有直墻頂面采用鋼架頂至溶洞洞頂，與基巖接觸鋼架端頭采用鎖腳錨管連接，與現(xiàn)有直墻頂接觸鋼架端頭采用植筋連接，再澆筑混凝土至溶洞頂。

（c）隧道K23+999—K24+020段，剩余溶腔部分采用型鋼門架支撐加強，門架支撐上部應(yīng)與溶洞洞頂密實結(jié)合，下部基礎(chǔ)應(yīng)進入穩(wěn)定基巖，保證整個支撐頂天立地，穩(wěn)固受力。

（d）溶洞處治措施全部完成前，不可進行隧道掌子面及下臺階爆破開挖。

6 處治方案設(shè)計

隧道洞身穿越溶洞區(qū)，溶洞發(fā)育對隧道結(jié)構(gòu)和施工安全影響較大，在隧道開挖過程中應(yīng)特別注意加強超前地質(zhì)預(yù)報工作，整個建設(shè)過程中增加隧道洞頂一倍洞徑以內(nèi)以及隧道底板以下圍巖的溶洞預(yù)報及探查工作，及時發(fā)現(xiàn)和處理溶洞，保證施工質(zhì)量和安全。

a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下側(cè)，溶腔未侵入隧道開挖輪廓內(nèi)，采用如下處治方案：

（a）根據(jù)溶洞測量結(jié)果，于隧道上臺階鉆勘探孔，縱向間距100 cm，對溶洞及回填進行驗證；打入φ42鋼花管作為泵送混凝土和注漿的排氣孔。

（b）對回填溶腔泵入細(xì)石（小石子）混凝土，在隧道已開挖上臺階鉆孔，鉆孔直徑不小于110 mm，鉆孔間距為100 cm，鉆孔深度達到隧道開挖輪廓線外5 m，后退式泵送C25細(xì)石混凝土，充填溶腔空隙。

（c）注水泥漿，于隧道上臺階打入φ42注漿鋼花管，沿隧道縱向每延米不少于3處鋼花管，鉆孔深度達到隧道開挖輪廓線外6 m，進行后退間歇式注漿，初期注漿采用水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力不大于0.3 MPa，后采用水泥凈漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力不大于0.5 MPa，注漿結(jié)束后，尾部盡可能焊接于鋼拱架上。

b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上臺階侵入隧道開挖輪廓，溶洞位于隧道右側(cè)，采用如下處治方案：

（a）樹根樁加固現(xiàn)有曲墻基礎(chǔ)，于現(xiàn)有曲墻外側(cè)采用φ42鋼花管注漿加固其基礎(chǔ)，鋼花管進入穩(wěn)定基巖深度不小于50 cm，3根鋼花管頂部φ22鋼筋纏繞焊接固定。注漿材料用水泥凈漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力為0.5 ～1 MPa。

圖3 隧道K24+020—K24+035段溶洞處治設(shè)計方案

（b）在現(xiàn)有直墻內(nèi)側(cè)，隧道初期支護外側(cè)增設(shè)鋼架，鋼架基礎(chǔ)端須置于穩(wěn)定基巖，鋼架頂端至溶洞與隧道開挖輪廓交匯處，兩端均采用2根φ42鎖腳鋼管固定在基巖，兩拱架之間設(shè)置φ22連接鋼筋，鋼筋間距不大于1 m；在現(xiàn)有曲墻頂部增設(shè)兩處鋼架，鋼架底部端頭植筋現(xiàn)有直墻固定，頂部溶洞洞室頂基巖，每處采用2根φ42鎖腳鋼管固定。

（c）在內(nèi)側(cè)拱形鋼架與現(xiàn)有曲墻外側(cè)之間澆筑C25混凝土，形成隧道洞室與溶腔洞室之間的中隔墻護拱，隔墻頂部如有必要采取后注漿措施，保證其與溶腔頂部基巖密貼；拱形鋼架內(nèi)側(cè)隧道開挖時須調(diào)整爆破方案，以免對護拱墻造成破壞。

（d）型鋼門架支撐溶腔洞室，在現(xiàn)有曲墻外5 m，沿隧道軸線5 m間距設(shè)置型鋼門架支撐。兩個型鋼門架支撐之間采用條形基礎(chǔ)系梁連接。

c）溶洞處理完畢前，不可進行隧道爆破開挖。

圖4 隧道K23+999—K24+020段溶洞處治設(shè)計方案

7 施工注意事項

a）巖溶地段施工方案的選擇應(yīng)著重考慮溶洞區(qū)的地下水分布情況，處理方案應(yīng)當(dāng)避免堵塞區(qū)域地下水通道，并充分利用暗溝、泄水洞等措施，做好地下水的引排。

b）在隧道初期支護封閉成環(huán)后二次襯砌施作前，特別是施工期間有地表降水情況時，應(yīng)注意密切觀察初期支護滲水情況，特別是處理后的溶洞部位的排水狀況，如發(fā)現(xiàn)水壓力較大、出水較多等情況，應(yīng)判斷隧道襯砌施作有無影響區(qū)域地下水情況，及時采取措施處理后再施作二次襯砌。

c）洞頂發(fā)育溶洞時，先對溶洞頂部清理危石后再施作錨噴支護，錨桿應(yīng)與巖體主結(jié)構(gòu)面或巖層層面呈大角度布置。

d）巖溶地段應(yīng)制定嚴(yán)格的施工工序，各工序應(yīng)緊密銜接，開挖應(yīng)按巖溶裂隙和溶洞充填物分類開挖，同時設(shè)法探明溶洞的形狀、范圍、大小、充填物以及地下水情況，制定適當(dāng)穩(wěn)妥的處理方案，確保施工安全，不得提前隨意棄渣填充[2]。

e）依據(jù)隧道設(shè)計說明落水洞處理，對隧道地表落水洞進行有效處理。

8 結(jié)語

本文結(jié)合碌碡梁隧道，通過分析溶洞和隧道的相對位置關(guān)系，制定了詳細(xì)的溶洞處治方案，對隧道溶洞進行加固處治后順利通過了溶洞段，同時通過加密埋設(shè)拱頂下沉和周邊位移收斂的監(jiān)控量測點，獲得了準(zhǔn)確的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)[3]，發(fā)現(xiàn)拱頂沉降和水平收斂趨于穩(wěn)定，說明該處理方法達到了預(yù)期的效果，為巖溶隧道溶洞處治施工積累了寶貴的經(jīng)驗。