云贵地区山岭隧道充填溶洞处理技术

谭常喜

(中铁十四局集团第三工程有限公司，兖州 272100)

云贵地区山岭隧道充填溶洞处理技术

谭常喜

(中铁十四局集团第三工程有限公司，兖州 272100)

该文以云南麻昭高速公路的一条隧道为研究对象，对其施工过程中遇到的溶洞进行分析，并对溶洞处理技术及施工工艺进行了阐述。

岩溶隧道； 充填物； 处理技术

近年来，我国高速公路建设发展势头迅猛，建设面积和范围也越来越大，高速公路网在山区设置得越来越多，隧道在整个路线中占有的比重也越来越大，经过岩溶分布区的可能性也大大提高。由于目前缺少先进的勘察方法，一旦地质勘察信息失误，隧道中就会出现大型溶洞，这样不仅增大了隧道施工难度，更对工期造成重大影响。因此,研究隧道大型溶洞处理技术具有非常重要的现实意义，可以使隧道溶洞处理技术和手段更加完善，更好地指导溶洞处理工作。

1 工程概况

该文中的隧道位于云南麻昭高速公路施工某段，该隧道内的围岩的主要组成部分为三叠系下统的块状灰岩，具有岩芯为柱状、部分为块状，完整性较好的特点。围岩主要为Ⅳ级，支护型式为SF4a；初期支护采用长度为250 cm的Φ22砂浆锚杆，间距100 cm×80 cm、22 cm厚的C25喷射混凝土，间距80 cm的I16工字钢，二次衬砌为45 cm厚的C30钢筋混凝土，超前支护采用单层Φ42×4 mm的注浆小导管。典型岩溶分布特征体现在溶蚀洼地及溶洞，其分布方向同线路相同，呈垂直轴向分布或位于紧邻轴线的两侧，整体发展为溶槽和溶沟。岩溶是该隧道区域内主要的不良地质状况，同时还存在岩溶漏斗、地表溶洞和溶沟等岩溶现象，大多数溶洞底部均充填粘土，溶洞呈竖向，地表植被分布较多且伴有严重的塌陷。

1.1 溶洞发育特征

隧道在从进口向出口方向的施工掘进阶段遇到溶洞，该溶洞总体呈东西走向，走向为44°，与隧道轴线呈46°相交。由于施工条件恶劣，能见度差，不断有石块掉落，并能听到清晰的水流声，因此前期很难通过激光测距的方式断定溶洞的边界。后经过探测，该隧道跨越溶洞的长度是74 m，溶洞的高度、宽度和长度的最大值分别为60 m、90 m和137 m，隧道在溶洞处的最大埋深是67 m，溶洞周围岩石已经被高度风化，洞内填充物略高于线路设计高程。根据岩溶分布形态演变规律可判定，溶洞处于壮年期向老年期过渡阶段。

1.2 溶洞综合调查评估

由于溶洞范围之内隧道顶部覆盖层较薄，因此在施工爆破作业过程中，容易诱发溶洞顶壁的坍塌，影响结构安全。为此，需对溶洞的稳定性进行评估，并作为选择处理方案的依据。从调查结果来看，该溶洞规模大，局部地段分布有悬挂岩体，侧壁局部分布有危岩体；顶板岩体稳定，局部偶尔出现掉块现象，溶洞内工程地质条件复杂。

2 溶洞处理方案比选

根据该溶洞的规模和发育特征，同时考虑其顶板岩体厚度较小、隧道埋深浅的特点，拟考虑在路基方案、明洞方案和“洞中洞”方案中进行比选，并最终确定最优处理方案。

1)路基方案：这种方案的思路是揭开溶洞顶板，回填下方溶洞，采用路基通过。这样原路线将在溶洞处变成隧道与路基相间的形式，并最终形成最大高度约70 m左右的高边仰坡。该方案存在较大的安全风险。

2)明洞方案：这种方案是指揭开溶洞顶板，回填下方溶洞，采用明洞方案通过。该方案主要是从路基方案引申而来，可以防止溶洞开挖后形成的高边仰坡对公路运营形成的安全危害，也可减少高边仰坡的防护费用，从而设置明洞结构，保证施工及运营期间安全。该方案对溶洞回填质量要求较高，需对回填进行加强处理措施。

3)“洞中洞”方案：这种方案保留溶洞顶板，对原有溶洞基本不做扰动，线路在溶洞内段，在有效保证施工安全的情况下，直接设置明洞结构。该方案对溶洞预留的顶板要求需进行详细受力核算。

三种处理方案的比较结果如表1所示。

表1 3种处理方案的优、缺点比较结果

根据对上述3种处理方案的优缺点进行比较，结合施工中的安全风险、工期、造价、地基处理、边坡防护以及运营风险等诸多要素综合考虑，经过充分考虑，最终选择“洞中洞”方案对该隧道溶洞进行处治。

3 溶洞处理方案的实施

3.1 溶洞排水及防水的设置

因有外部水进入溶洞，溶洞排水分为两个部分，即洞外截排水和洞内排水两部分。首先，在溶洞范围的地表洼地周边设置截水沟，以确保地表水不通过洼地的落水洞汇聚进入溶洞内；其次是根据洞内水量的大小，在隧道的拱脚左右两侧(二衬混凝土外侧)分别设置30 cm×30 cm排水沟，且每隔7.5 m设置一道φ110的HDPE双壁波纹管与洞内纵向排水沟相接，最大程度地排除溶洞水对二衬混凝土的侵害。

为保证运营的安全，需对溶洞的防水进行特殊设计，做好应急防水措施。可以对少量渗水或流水进行注浆回填处理，对较大的水量，则采取引排措施。

3.2 施工防护

鉴于溶洞顶板整体呈不规则的拱形，线路在溶洞段上方局部地段悬挂岩体，偶有掉块现象，给溶洞内作业带来危险，安全隐患较大，因此需要采取必要措施保证施工安全。首先，逐段清除溶洞顶部及周边的危石，尤其对尖锐的悬挂危岩体彻底清除，并将溶洞壁上附着物尽量清除，再采用10 cm厚C20喷射混凝土将溶洞壁表面封闭；其次，在施工区上方搭设防落物通道，该通道依据二衬台车设置，与台车同步进退，不仅能有效防止掉块对施工人员、机具造成伤害，而且操作方便。

3.3 基底处理

根据地勘资料，溶洞底部表层堆积体形成时间较晚，结构松散，多为淤泥、碎石屑及腐殖物，部分段落基底还存在层厚约2 m的粘土层，地基承载力低，不能直接作为持力层。针对这一情况，必须采取相应的处理措施，以提高基底承载力，减少基础的不均匀沉降。

具体措施为换填+钢管桩：

1)根据探测情况，换填深度至少为3 m，深度超出粘土层1 m，处理宽度超出基础边缘5 m左右。

2)先将需换填段落内淤泥挖除，并在换填周界处设置C25混凝土隔离墙，隔离墙高于充填层，墙上设置泄水孔。在换填层底打设钢管桩，钢管桩深度4～6 m，钢管桩深度以进入碎石层1.5 m为宜，钢管桩外露长度为50 cm。

3)钢管桩施工完成后采用C10片石混凝土换填，并按一定坡比放坡，将换填层和钢管桩外露部分联为一个整体，以增强钢管桩的整体稳定性。

4)从隔离墙排出的水引至衬砌背后30 cm×30 cm的排水沟内，避免溶洞水对换填层的侵蚀破坏，基础处理完毕后，施工二衬。

3.4 衬砌施工

施工二衬前必须将防护通道做好，以保证施工安全，同时根据线路与溶洞的相互关系，按照以下方式施工二衬。

1)对于明洞全部位于溶洞内、与溶洞没有接触的段落，采用先施工明洞衬砌，后在隧道顶部设置缓冲层的方式，以确保隧道结构安全。缓冲层设置方式为：在明洞衬砌两侧施工挡墙，挡墙高度超过衬砌拱顶1 m，待挡墙及衬砌强度达到设计强度后，通过二衬上预留孔将砂采用喷射的方式把挡墙与二衬间区域填满，保证砂缓冲层高度不小于1 m；同时，缓冲层顶部设置从拱顶向两侧不小于4%的横坡，利于缓冲落石的冲击。

2)对于部分位于溶洞岩体内、部分暴露于溶洞内的明洞，根据明洞位于岩体内部分的大小，采用两种方案进行处置：(1)位于岩体内明洞面积超过整个明洞断面的1/2时，采用一侧增设挡墙并回填注浆后暗挖的方式通过，开挖采用人工配合机械开挖的方式进行，每次控制进尺60 cm。(2)位于岩体内明洞面积小于整个明洞断面的1/2时，采用弱爆破逐步开挖完成。

3)对于全部处在溶洞内、未在岩体内的明洞，则直接施工二衬，并做砂缓冲层。

不管采用以上何种方式，必须切实将支护做好，并对周边溶洞岩体变化做好监测，确认无明显异常后再施工二衬。

对于有水通过的地方施工二衬时必须将水引排，确保二衬不阻碍溶洞水的流动，严禁因二衬阻碍导致水在二衬一侧聚集，对二衬结构及防水造成危害。

为避免因隧道基础不均匀沉降对隧道结构产生破坏影响，溶洞范围内隧道每隔9 m设置一道沉降缝，沉降缝处做好防水措施。

4 效果评价

通过上述措施，隧道顺利穿越溶洞区，衬砌未发现明显变形、裂缝等，后期亦未发现有落石掉下，可见对溶洞壁的处理是有成效的。通过该隧道充填溶洞的处治及后续的效果来看，若再处理此类溶洞时，应从以下几个方面进行改进：

1)基础处理应通过详细的地勘资料并加以仔细验算，若仅通过换填可解决沉降问题，则不需额外增设桩基处理措施，避免增加成本。

2)对溶洞壁的岩体风化程度做详细的调查，从而减少拱顶缓冲层的厚度或不设缓冲层。

3)对溶洞岩体的稳定性应有充分的评估，慎重选择回填暗挖工艺，可选取管棚加固岩体的方式，以减少投资。

4)水的处理对处于溶洞内的隧道尤其重要，必要时候可设置过水横洞从隧道下方穿过，并将水顺到原有流水道，避免洞内排水量过大。

5 结 语

在麻昭高速公路的大型充填溶洞的处理上，采用“洞中洞”方案施工是切合实际的。在实际施工中该方案安全可控，既节约了投资，又未对工期造成大的影响，且对地表周边生态的破坏很小，应该说该方案是较为成功的。只是该方案对线路穿越的溶洞岩体顶板的稳定性要求较高，对于顶板岩体破碎、自稳性较差的，应慎重选择，不建议直接采用。

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Yunnan-guizhou Region Mountain Tunnel Karst Cave Filling Processing Technology

TAN Chang-xi

(China Railway 14th Construction Bureau Third Engineering Co,Ltd，Yanzhou 272100，China)

Taking a tunnel of Yunnan MaZhao high way as the research object, karst cave of its construction is analyzed in the process, and the cave treatment technology and construction process are expounded.

karst tunnel； fillings； processing technology

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.012

2014-11-07.

谭常喜(1982-)，工程师.E-mail:mxhsl@126.com