隧道穿越大型溶洞的綜合處治技術(shù)及施工質(zhì)量控制分析

摘要：文章以龍灣2號(hào)隧道右線施工過程中揭示的大型溶洞為依托，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及補(bǔ)勘的基礎(chǔ)上，提出了一套綜合治理技術(shù)：設(shè)置底部涵管、回填大塊石建立施工平臺(tái)以保護(hù)消水口，利用梁板結(jié)構(gòu)跨越溶洞以解決隧道拱圈底部受力的問題，并增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿加固圍巖；在裸露于溶洞段，內(nèi)設(shè)單層工字鋼及20 cm厚的噴射混凝土殼，并在外層設(shè)置工字鋼及60 cm厚混凝土護(hù)拱；利用導(dǎo)水鋼管與溶洞連通進(jìn)行防排水。同時(shí)，對(duì)溶洞的綜合處治技術(shù)的施工流程、技術(shù)要求與質(zhì)量控制進(jìn)行了分析。實(shí)踐表明，綜合處治技術(shù)效果極佳、施工質(zhì)量控制良好，可為相似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程；巖溶處治；梁板結(jié)構(gòu)；圍巖加固；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：U457+.2

0 引言

在我國(guó)西部山區(qū)修建公路隧道時(shí)，巖溶處治一直是山嶺隧道施工中的難題，特別是當(dāng)隧道穿越大型溶洞時(shí)，如何根據(jù)不同隧道水文地質(zhì)條件以及溶洞特性，提出因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理的隧道溶洞綜合治理措施，最大限度地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并在兼顧工期條件下保證施工安全是隧道建設(shè)領(lǐng)域面臨的難題。

近年來，一些學(xué)者對(duì)隧道溶洞處治及施工技術(shù)開展了不少研究。王建等［1］以貴州某高速公路隧道為背景，采用工字鋼橫跨隧道底面以下溶洞至溶洞墻壁、工字鋼上部設(shè)鋼筋混凝土板的方法進(jìn)行處治。陳禹成等［2］對(duì)花果山隧道開展溶洞處治原則與方法應(yīng)用，提出針對(duì)性的處治方案。方振華等［3］在成貴鐵路高山隧道施工中，針對(duì)長(zhǎng)×寬×高為115 m×90 m×20 m的超大型溶洞大廳，提出了采用填充混凝土對(duì)溶洞大廳頂板及側(cè)壁進(jìn)行穩(wěn)定處理的方法。趙少忠等［4］利用數(shù)值分析，研究特大型溶洞對(duì)隧道圍巖變形的影響規(guī)律，形成隧道不同位置、不同規(guī)模溶洞的處治技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)際。劉順濤等［5］依托重慶市渝湘擴(kuò)能高速公路的朗坪隧道，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，對(duì)原處治方案進(jìn)行了優(yōu)化，效果良好。劉東等［6］結(jié)合廣西天峨至巴馬高速公路150余處充填型溶洞處治工程案例，提出采用加強(qiáng)型襯砌、大鋼管鎖腳、鋼管樁仰拱基底預(yù)加固法等綜合處治技術(shù)。

大型溶洞處治技術(shù)研究與應(yīng)用雖然開展較多，但由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同的溶洞發(fā)育特征、處置措施也不相同。本文以廣西賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段）龍灣2號(hào)隧道右線施工過程中揭示的大型溶洞為依托，對(duì)溶洞的綜合處治技術(shù)、施工方法與質(zhì)量控制進(jìn)行分析，可為相似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段）龍灣2號(hào)隧道地處河池市都安縣，左線起止樁號(hào)ZK341＋020～ZK346＋155，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5 135 m；右線起止樁號(hào)YK341＋050～YK346＋245，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為5 195 m，最大埋深約465.3 m。

隧址區(qū)屬巖溶峰從地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，山脈走向多呈北東-南西向，與紅水河基本平行，同時(shí)隧道沿山脈走向展布，亦與紅水河平行，與河邊距離為140～180 m。山澗洼地分布較多，洼地中多可見消水洞。

1.2 隧道溶洞概況

在龍灣2號(hào)隧道右線掌子面施工時(shí)，揭露一個(gè)大型溶洞。溶洞為一類似狹長(zhǎng)的橢圓柱狀空腔，溶洞在右洞隧道中心線上的投影為YK341+771.6～YK341+824.6（中心樁號(hào)約為YK341+800），巖溶段的隧道埋深為442.9～444.7 m，在右洞隧道中心線上投影長(zhǎng)度為53 m，溶洞最大輪廓線的凈長(zhǎng)寬高分別為85.47 m、26.78 m、47.30 m，其中從隧道路面設(shè)計(jì)標(biāo)高到溶洞底部最低處凈高27.19 m，原圍巖級(jí)別劃分為Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)。隧道縱向與溶洞縱向斜交角度約為50°，隧道從其左上角穿過隧道裸露于空腔中的縱向長(zhǎng)度約為25 m。溶洞段基本情況如下頁(yè)圖1所示。

溶洞內(nèi)壁附著薄層黃褐色黏土，濕潤(rùn)且粘手，底部覆蓋黏土填充物。小樁號(hào)端溶洞底地勢(shì)高，大樁號(hào)端低，填充物含水量也隨坡度而變化。大樁號(hào)端頭處疑似為消水洞，該處填充物厚，含水量大，洞內(nèi)水流疑似匯集于此處。洞內(nèi)不時(shí)有滴水，且洞壁、洞頂及洞底填充物上都有明顯的滴水、滲水痕跡，尚未見有大股水流通過或儲(chǔ)存痕跡。除洞頂分布有幾處小型溶管，洞周邊未發(fā)現(xiàn)有溶管或消水洞。

2 溶洞勘察與處治設(shè)計(jì)

2.1 溶洞勘察

由于地下巖溶的隱蔽性和不可預(yù)見性，施工期間應(yīng)充分貫徹動(dòng)態(tài)勘察設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的理念，加強(qiáng)超前地質(zhì)

預(yù)報(bào)及施工期間揭露大型溶洞的補(bǔ)充勘察等工作［7-8］。因該巖溶管道發(fā)育規(guī)模較大，特利用地質(zhì)雷達(dá)開展隧道底部隱伏溶洞探測(cè)，并采用多功能鉆機(jī)對(duì)隧底及周邊進(jìn)行鉆探。通過分析地質(zhì)雷達(dá)及補(bǔ)勘資料，在此大型溶洞中施作隧道存在的問題主要有：溶洞洞壁圍巖容易發(fā)生掉塊、小塌方，進(jìn)而誘發(fā)坍塌等災(zāi)害；襯砌結(jié)構(gòu)受力變大，現(xiàn)狀支護(hù)結(jié)構(gòu)不滿足要求；溶洞揭露段及隱伏溶洞不滿足隧道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載要求；該段暴雨期間可能存在積水現(xiàn)象，隧道襯砌存在一定的抗水壓風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 溶洞處治設(shè)計(jì)

為確保工程質(zhì)量及消除安全隱患，需對(duì)出現(xiàn)的不良地質(zhì)及涌水等地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)行處治設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方案如下：

（1）在溶洞底部預(yù)埋直徑1 m的鋼管以保護(hù)好底部的消水口，并回填大塊石形成施工平臺(tái)，回填塊石外側(cè)坡率為1∶1.25。

（2）采用梁板結(jié)構(gòu)跨越溶洞的形式解決隧道拱圈底部受力問題，梁板跨越方式結(jié)合溶洞情況，左中右側(cè)分開設(shè)置，梁高均為2.5 m，長(zhǎng)30 m，并計(jì)算配筋。

（3）右線YK341+795～YK341+831隧道洞段采用32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿加固圍巖，在YK341+802～YK341+825裸露于溶洞段，設(shè)置單層間距150 cm/榀的Ⅰ14工字鋼、20 cm厚的C25噴射殼。同時(shí)該段設(shè)置60 cm厚護(hù)拱，護(hù)拱采用Ⅰ25b工字鋼，間距50 cm/榀，采用C25噴射混凝土；二次襯砌采用厚度為70 cm的C40防水混凝土，并加強(qiáng)配筋。

（4）在右線 YK341+802～YK341+825溶洞段噴射殼及護(hù)拱拱腳處設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，以確保拱腳落在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)之上；左側(cè)拱腳處采用108 mm×6 mm鎖腳鋼管加強(qiáng)支護(hù)。

（5）在該段兩端增設(shè)兩處中央排水溝檢查井，并預(yù)埋500 mm鋼管使右側(cè)溶腔與中央排水溝相連通，同時(shí)縱向每間隔3 m預(yù)埋一根200 mm的導(dǎo)水鋼管，連通溶腔與中央溝。

具體的設(shè)計(jì)詳見圖2的溶洞處治方案設(shè)計(jì)圖。

3 施工流程及技術(shù)要求

3.1 總體施工流程

隧道溶洞段總體施工流程如圖3所示。

3.2 施工技術(shù)要求

關(guān)鍵施工步驟及具體施工技術(shù)要求如下：

（1）先進(jìn)行溶洞上部排險(xiǎn)，在溶洞底部預(yù)埋直徑1 m的鋼管保護(hù)好底部的消水口，并回填大塊石形成施工平臺(tái)。

（2）提前預(yù)制好長(zhǎng)寬高為1 m×0.7 m×1 m的C30混凝土預(yù)制塊，強(qiáng)度達(dá)到80%后吊運(yùn)至溶洞內(nèi)臨時(shí)施工平臺(tái)外側(cè)，作為澆筑混凝土擋塊并充當(dāng)30 cm厚混凝土外側(cè)模板。在大塊石層上施工厚30 cm的C30混凝土作為墊層，然后施工C30 梁底基礎(chǔ)，梁底基礎(chǔ)下部設(shè)置Ⅰ25b工字鋼，橫向間距40 cm，采用等強(qiáng)對(duì)接焊方式通長(zhǎng)連接；工字鋼上下各布置一層鋼筋網(wǎng)梁，底基礎(chǔ)上部設(shè)置一層鋼筋網(wǎng)，在C30梁側(cè)基礎(chǔ)一側(cè)預(yù)埋鋼筋網(wǎng)，然后施工C30梁側(cè)基礎(chǔ)，其縱向每隔8 m設(shè)置一道沉降縫。

（3）施作20 cm厚的C25噴射混凝土成殼，然后施工溶洞側(cè)60 cm厚護(hù)拱，設(shè)置直徑拉筋，環(huán)向間距1 m?；靥疃丛?，形成臨時(shí)施工平臺(tái)，逐級(jí)開挖上部巖體。接長(zhǎng)非溶洞側(cè)60 cm厚護(hù)拱，設(shè)置臨時(shí)橫撐。噴射混凝土殼與厚護(hù)拱，基礎(chǔ)以上5 m高度內(nèi)噴射C15噴射混凝土，上部噴砂漿。型鋼鋼架應(yīng)及時(shí)安裝，鋼架與圍巖之間的噴厚度≥4 cm，安裝完畢后應(yīng)立即用噴混凝土將其完全覆蓋，之后方可進(jìn)行下一循環(huán)的開挖，型鋼鋼架之間用22 mm的鋼筋連接。

（4）施工上部及溶洞側(cè)初期支護(hù)32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿。錨桿施工注漿分為一次注漿和二次注漿，一次注漿區(qū)為錨固區(qū)，施加預(yù)應(yīng)力前應(yīng)對(duì)一次注漿區(qū)注漿，施加完預(yù)應(yīng)力后進(jìn)行二次充填注漿區(qū)注漿。注漿時(shí)應(yīng)注意排氣管及止?jié){塞的安裝。

（5）清除洞渣，開挖下部巖體，施作板梁側(cè)初期支護(hù)，再施工板梁結(jié)構(gòu)。開挖基槽應(yīng)盡可能采用機(jī)械施工，需要爆破時(shí)，應(yīng)采用松動(dòng)弱爆破方式，最大爆破振動(dòng)速度宜控制在＜5 cm/s。

（6）接長(zhǎng)1 m厚護(hù)拱，確保拱腳落在堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)之上。接長(zhǎng)兩側(cè)初期支護(hù)，仰拱底部填充C15混凝土，施工仰拱初期支護(hù)。左側(cè)初支及護(hù)拱等拱腳處設(shè)置108 mm×6 mm鎖腳鋼管。

（7）施工二次襯砌及隧道內(nèi)部構(gòu)造。二襯在澆筑過程中，振搗密實(shí)，拱部預(yù)留注漿孔及時(shí)補(bǔ)漿，養(yǎng)護(hù)要到位。保證二襯的施工質(zhì)量、強(qiáng)度與厚度。

4 施工質(zhì)量控制方法

4.1 臨時(shí)支撐措施

正式施工前，應(yīng)對(duì)YK341+790～YK341+800段已初期支護(hù)的溶洞段設(shè)置臨時(shí)斜撐。斜撐的角度和位置應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況調(diào)整，并應(yīng)與初期支護(hù)及隧底頂緊，必要時(shí)可增設(shè)墊塊。

對(duì)已施工段應(yīng)重新布設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行加固，施工過程中應(yīng)根據(jù)施工步驟的不同，及時(shí)調(diào)整施工臨時(shí)支撐設(shè)置位置。臨時(shí)支撐的拆除應(yīng)在隧道拱圈穩(wěn)定或有其他相應(yīng)臨時(shí)支撐代替后進(jìn)行，施工過程中可根據(jù)實(shí)際情況，增設(shè)臨時(shí)斜撐、橫撐等臨時(shí)支撐措施。

4.2 鋼筋加工要求

梁板的鋼筋均采用鋼筋骨架的形式，為了保障鋼架協(xié)同受力，骨架間鋼筋的焊接應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求；凡因施工需要而斷開的鋼筋，再次連接應(yīng)采用雙面焊接錨固端。錨固端應(yīng)安裝齒板錨固鋼筋；因振搗或澆筑需要可對(duì)鋼筋間距作適當(dāng)調(diào)整，但應(yīng)確保鋼筋根數(shù)和凈保護(hù)層厚度。

4.3 混凝土施工

混凝土施工要嚴(yán)格控制各梁段斷面尺寸，梁高、梁寬其誤差應(yīng)滿足施工規(guī)范要求。梁體混凝土應(yīng)振搗密實(shí)，不能漏漿，以免影響梁混凝土質(zhì)量。為防止開裂、棱邊碰損，梁強(qiáng)度達(dá)到50%以后方可拆除非承重的側(cè)模板，混凝土強(qiáng)度達(dá)到75%才能拆除其余模板和支架。應(yīng)嚴(yán)格保證梁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，在澆筑新梁段之前應(yīng)將舊混凝土的接縫面鑿毛，澆筑時(shí)應(yīng)潔凈濕潤(rùn)，以保證新舊的整體性。梁端部應(yīng)留有后澆帶，以方便施工期間梁能沿縱向的自由收縮，后澆帶應(yīng)在溫度較低的夜間施作。

預(yù)留槽底部不允許進(jìn)行封堵，應(yīng)設(shè)管或裸露，使地下水在返水時(shí)能順暢進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)，避免對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

4.4 其他注意事項(xiàng)

該溶段溶洞發(fā)育復(fù)雜，施工過程中應(yīng)進(jìn)一步驗(yàn)證溶洞的發(fā)育規(guī)模，若有異常應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任方。隧道施工前應(yīng)采取妥善的臨時(shí)安全措施，施工過程中需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果調(diào)整臨時(shí)安全措施。

施工中應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)露出部分進(jìn)行鍍鋅防腐處理。施工中應(yīng)采取分段施工、弱爆破等措施，減小開挖對(duì)溶腔穩(wěn)定性等的不利影響。施工時(shí)加強(qiáng)防排水措施，注意預(yù)埋橫向排水管，并結(jié)合施工情況采用鋼管與溶洞聯(lián)通；在梁板兩端端頭設(shè)置檢查井，并預(yù)埋鋼管與溶腔連接，應(yīng)加密該段的縱向集水盲管及環(huán)向盲管、橫向?qū)堋?/p>

4.5 實(shí)踐效果分析

廣西賀州至巴馬高速公路（來賓至都安段）于2021年底順利通車，交工驗(yàn)收表明，龍灣2號(hào)隧道全部檢測(cè)指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量控制良好。目前，該隧道通車已經(jīng)滿兩年，隧道穿越巖洞段沒有開裂、滲水等質(zhì)量問題，實(shí)踐表明隧道的溶洞綜合處治技術(shù)安全可行、效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工期間揭露大型溶洞的補(bǔ)充勘察等工作，表明龍灣2號(hào)隧道右線YK341+800溶洞段地質(zhì)水文條件復(fù)雜，溶洞深、體積大，處治難度高。

（2）龍灣2號(hào)隧道右線YK341+800溶洞段處治方案采用設(shè)置底部涵管、回填大塊石、利用梁板結(jié)構(gòu)跨越溶洞、并進(jìn)行有針對(duì)性的圍巖加固措施，同時(shí)對(duì)隧道支護(hù)方式進(jìn)行相應(yīng)加強(qiáng)。

（3）實(shí)踐表明，該溶洞處治施工前采取的臨時(shí)安全措施得當(dāng)，施工過程中因注重加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及質(zhì)量監(jiān)控，溶洞處治施工質(zhì)量控制良好，綜合治理技術(shù)安全可靠。

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收稿日期：2024-03-09

作者簡(jiǎn)介：黃訓(xùn)華（1990—），工程師，主要從事橋梁與隧道試驗(yàn)檢測(cè)工作。