西南地區(qū)高速公路隧道溶洞穩(wěn)定性分析與治理實例

李偉鵬

（珠海大橫琴股份有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著西部大開發(fā)建設的發(fā)展和深入，西南山區(qū)高速公路正進入快速發(fā)展時期，工程建設難度也進一步加大，特別是隧道建設［1-3］。受線路選線因素的影響，隧道在設計施工過程中不可避免地會遭遇各種各樣的地質(zhì)問題，如斷層破碎帶、巖溶、古滑坡體、泥巖軟弱夾層、煤系地層、石膏地層等［4］。其中，巖溶形成的因素錯綜復雜，發(fā)育的不均衡性和不規(guī)則性，都給山嶺隧道的設計施工帶來一系列困難，處理措施不當會造成施工工期延誤、工程安全事故、生態(tài)環(huán)境惡化、后期運營安全隱患等問題。

本研究以西南地區(qū)某高速公路巖溶隧道施工所涉及的大型空溶洞處治為例，探討溶洞頂板穩(wěn)定性分析及溶洞處治方案，為類似隧道的巖溶處治提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道概況

隧道地處黔北山地，地勢總體西北高東南低，屬淺切低山溶蝕構造地貌類型，地表植被茂盛，場區(qū)海拔676.0～770.3 m，相對高差約94.3 m。隧道為分離式隧道，兩幅線間距為12.8～15.0 m，長度約638 m，洞身埋深普遍較淺，最大埋深約67 m。

1.2 工程地質(zhì)概況

1.2.1 地層巖性。隧址區(qū)覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）黏土，下伏基巖為寒武系中統(tǒng)高臺組（∈2g）白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖、頁巖，按風化及破碎程度分為強、中風化兩層。白云巖為灰白色，薄至中厚層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈砂土狀；白云質(zhì)灰?guī)r為淺灰、灰白色，巖芯呈碎塊狀、柱狀，巖質(zhì)較硬；頁巖呈夾層分布，灰綠色，層薄，出露比例小、分布不均，質(zhì)軟，一般厚0.2～3.0 m。泥質(zhì)白云巖呈夾層狀分布，分布規(guī)律性較差，灰白色，出露比例較小，質(zhì)較軟，層厚差異性較大。區(qū)內(nèi)地層巖層為薄至中厚層狀，節(jié)理較密集、裂隙較發(fā)育，巖體破碎程度較高。

1.2.2 地質(zhì)構造。據(jù)《省區(qū)域地質(zhì)志》及《1∶20萬幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告》，隧址區(qū)域處于黔中東西構造帶的北緣、川黔南北向構造帶、北北東向構造帶和北東向構造帶的交匯復合地帶，構造形跡主要為經(jīng)向構造、北東向構造體系。

1.2.3 水文地質(zhì)。隧址區(qū)地表水主要為季節(jié)性溪流，流量隨季節(jié)變化較大。地下水類型為第四系松散裂隙水、基巖裂隙水、巖溶裂隙水。其中，巖溶裂隙水賦存于白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕裂隙中，富水性極不均一。

地下水主要靠大氣降水補給，降雨大部分以坡面流形式向低洼處排泄、隧道出口段向落水洞排泄，少部分雨水下滲沿巖溶裂隙運移。采用大氣降水滲入法估算，隧道雨季最大涌水量約為3 300 m3/d。

據(jù)觀測，鉆孔中未見穩(wěn)定地下水位，隧址區(qū)地下水位低于隧道設計標高。

2 溶洞發(fā)育特點

2.1 溶洞形態(tài)

隧道右幅上臺階施工至K28+306，左側(cè)拱腰處揭穿巖溶大廳，洞內(nèi)基本無填充物，石筍、鐘乳石發(fā)育。廳堂式溶洞走向與隧道線位方向基本重合，斜向下發(fā)育，長約143 m，寬5～24 m，頂、底板高程差8～40 m，體積約3萬m3。溶洞平面如圖1所示。

圖1 溶洞平面

洞壁及底板基本為鈣質(zhì)沉淀物覆蓋，局部基巖出露為中風化白云巖，底部出水口處有黏土堆積。洞壁為薄層狀至中厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)白云巖、頁巖，巖層傾角為21°，較為平緩，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育兩組垂直“共軛”節(jié)理，受節(jié)理切割及卸荷作用影響，洞壁巖體較為破碎，底部有少量坍落塊石。

2.2 地下水分析

經(jīng)調(diào)查，溶洞無穩(wěn)定水源流入，地下水主要為基巖裂隙水，洞內(nèi)有滴雨狀水，未見有暗河出入口。洞內(nèi)多處積水，分析主要為大氣降水沿坡面覆土孔隙、基巖裂隙滲入滴落，旱季有少量滴水，雨季可能有股狀水流入。溶洞總體沿大里程方向斜向下發(fā)育，K28+166.6右側(cè)2.2 m附近為地下水的排泄出口，溶洞內(nèi)地下水匯集后經(jīng)地下管道向隧址右側(cè)河流排泄。

2.3 洞頂穩(wěn)定性分析

參考《工程地質(zhì)手冊》（第五版）、《鐵路巖溶隧道技術規(guī)范》（T/CRS C0801—2018）及相關研究［5-7］關于厚跨比法的論述，綜合考慮工程重要性，厚跨比法穩(wěn)定性分析參數(shù)選擇為，當h/l≥0.5時，溶洞頂板穩(wěn)定，當h/l＜0.5，溶洞頂板不穩(wěn)定。

考慮到溶洞及溶洞頂板多不規(guī)則，且溶洞跨度按最寬處取值，對于0.2＜h/l＜0.5的斷面進一步采用荷載傳遞線交匯法進行分析驗算，并選定荷載按35°擴散角向下傳遞。溶洞頂?shù)装逍螒B(tài)、厚度與線位關系等具體參數(shù)及計算結(jié)果見表1。

表1 溶洞頂板穩(wěn)定性綜合評價

分析可得K28+195～+225段采用厚跨比法分析溶洞頂板不安全，采用荷載傳遞線交匯法分析溶洞頂板安全。根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）對巖溶區(qū)的勘探要求，溶洞頂板大于10 m時按穩(wěn)定考慮，溶洞頂板小于10 m時按不穩(wěn)定考慮［8］，綜合分析認為K28+195、K28+200、K28+205、K28+220、K28+225橫斷面溶洞頂板不安全，K28+210、K28+215橫斷面溶洞頂板安全。

綜上所述，結(jié)合溶洞實測斷面數(shù)據(jù)分析，溶洞頂板穩(wěn)定性分析結(jié)論為K28+170～+195、K28+205～+220段 頂 板 穩(wěn) 定，K28+195～+205、K28+220～+306段頂板不穩(wěn)定。

3 治理技術措施

3.1 溶洞處治原則

根據(jù)《貴州省巖溶地區(qū)公路基礎設計與施工技術研究技術應用指南》及類似工程處置案例［9-11］，設計了樁基托梁和回填兩種處治方案。通過方案的技術、經(jīng)濟比較，從施工難易程度、安全風險、施工成本等方面綜合考慮選用回填方案，并制定溶洞處治總體原則如下。

①地下水按宜疏不宜堵的原則，在回填底部預留排水通道，盡量避免改變地下水徑流路徑。

②洞壁穩(wěn)定性較差的部分采用清理危巖、錨網(wǎng)噴及局部嵌固的處理措施。

③溶洞頂板不穩(wěn)定段應對隧道初支及二襯適當加強，并完善鎖腳錨桿設置。

3.2 處治方案

3.2.1 回填方案。溶洞回填處治的關鍵是不堵塞原溶洞排水通道，因此需在溶洞底部回填大粒徑塊石，保證過水通道暢通。此外，根據(jù)溶洞頂板、洞壁穩(wěn)定情況及回填沉降控制要求，該巖溶大廳分HT-1、HT-2、HT-3三種方式回填。

①HT-1回填方式。適用于隧道部分揭穿溶洞頂板、或開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度小于3 m的段落。該段落巖柱安全厚度不足，且頂板不穩(wěn)定，采用C20片石混凝土，接頂部位注漿回填密實，在溶洞底部回填少量塊石保留過水通道，并在塊石頂部設置一道土工布。HT-1回填方式典型回填斷面如圖2所示。

圖2 HT-1回填方式典型回填斷面

②HT-2回填方式。適用于隧道從完整溶洞頂板中通過，且開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度介于3～8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，未侵入隧道開挖輪廓線，頂板不穩(wěn)定，對該段溶腔采取C20片石混凝土+石碴全部回填密實的措施。溶洞底部采用石碴回填，可用施工機械進行攤鋪壓實；距離洞頂小于5 m時，采用C20片石混凝土填充密實；石碴回填頂面鋪設一道土工布后回填1 m厚級配碎石層。同時，正洞掘進施工時，需嚴格控制循環(huán)進尺和裝藥量，不得破壞溶洞頂板。HT-2回填方式典型回填斷面如圖3所示。

圖3 HT-2回填方式典型回填斷面

③HT-3回填方式。適用于隧道從完整溶洞頂板中通過，且開挖底標高與溶洞頂板巖柱厚度大于8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，頂板至開挖高程距離較大，頂板穩(wěn)定，對該段溶腔采取石碴全部回填密實的措施，采用施工機械進行攤鋪壓實。

3.2.2 回填質(zhì)量控制。為控制回填質(zhì)量，減少回填區(qū)與基巖區(qū)差異沉降量，采取以下主要技術措施。

①回填石料強度不應小于15 MPa，攤鋪層厚不大于600 mm，最大粒徑小于400 mm，分層壓實，壓實度不小于93%。

②清除洞底黏土層、鈣質(zhì)膠結(jié)，保證回填底面地基承載力不小于1 MPa。

③采用壓實沉降差進行檢測，沉降差平均值不大于5 mm，標準差不大于3 mm。

④正洞開挖后，在隧道底板每隔5 m施工一組Φ76取芯鉆孔，驗證回填質(zhì)量，如回填不密實，采用泵送混凝土充填。

⑤施工前應通過鋪筑試驗段確定合適的填筑層厚、粒徑、壓實工藝以及質(zhì)量控制標準等，并對石料強度和變形要求要進行現(xiàn)場試驗。

3.2.3 結(jié)構及輔助工程措施?？紤]施工及運營期間安全，對隧道初支及二襯進行補強設計，具體參數(shù)見表2。同時，為使鋼架與圍巖協(xié)調(diào)受力以提高溶洞處治段初支強度，在每榀鋼架環(huán)向增加12根長3.5 m的Φ42鎖腳鋼花管，末端焊接在鋼架上，并進行注漿處理，注漿壓力0.5～1.5 MPa。

表2 加強段襯砌參數(shù)表

根據(jù)洞壁穩(wěn)定性分析結(jié)果，有針對性地對節(jié)理發(fā)育、破碎的不穩(wěn)定段進行錨網(wǎng)噴防護，局部位置設置型鋼支撐。錨網(wǎng)噴參數(shù)為10 cm厚C25早強混凝土，3.5 m長Φ22砂漿錨桿間距80 cm×80 cm，Φ8鋼筋網(wǎng)間距20 cm×20 cm。

3.3 處治效果

目前，該隧道已通車運營近3年，隧道各項監(jiān)測指標均正常，溶洞處治措施達到了預期效果。

4 結(jié)論

①隧道穿越大型空溶洞時，溶洞頂穩(wěn)定性分析評價，是工程技術措施選取中重要的一環(huán)。

②隧道巖溶處治方案盡量避免改變巖溶水的徑流和滲流路徑，減少地下水的流失。

③巖溶隧道施工必須重視超前地質(zhì)預報，應堅持“先探后掘，不探不掘，有疑必探”的原則，盡量查明巖溶情況，切不可冒進施工。

④施工揭露巖溶后，應認真實行“短開挖、強支撐、弱爆破、快襯砌、勤量測”等行之有效的措施，以期安全通過巖溶區(qū)。