洞湾隧道进口段岩溶发育特征分析与施工处理建议

何以文

摘要：隧道岩溶问题是当前国内外隧道施工中的重大难题，岩溶工程地质问题对地下工程建设和运营管理造成很大的影响。洞湾隧道施工过程中发现隧道底板以下发育大型溶洞，通过配合测量断面同时进行地质水文地质调绘、物探结合钻孔详细查明溶洞规模、形态、大小、埋深及与线路的关系，查明隧道底板以下岩溶发育情况以及与隧道顶板的距离，评价隧道围岩的稳定性，并提出岩溶施工处理措施建议，为隧道施工及岩溶整治设计提供地质依据。

关键词：洞湾隧道；岩溶工程地质问题；围岩稳定性；处理措施

1.引言

在建洞湾隧道属贵州省赤水至望谟高速公路重难点和控制性工程，隧道采用分离式，其中：左洞起讫桩号ZK66+164～ZK68+290，总长2126m；右洞起讫桩号YK66+205～YK68+290，总长2085m。隧道净空10.25×5.0m，隧道最大埋深约310m。当隧道开挖到右线右壁YK66+488里程处揭露出大型溶洞，根据施工情况和现场初步调查，从隧道底往上发育约13m，隧道顶板和右侧壁坍塌；往下垂深发育30～40m，在隧道以下形成多个溶洞大空腔，相互连通。溶洞顶离设计隧道底最薄处约3～5m。导致中断施工近五个月，直接影响隧道的施工和安全。但溶洞具体如何展布？发育特征如何？与隧道的关系不清。其危险程度取决于溶洞的规模、溶洞周围岩体的稳定性和岩体的质量及其与隧道的关系。

2.隧道区地质背景

隧道区属构造溶蚀侵蚀中低山地貌，处于川黔南北向构造带与北东向构造带交接的复合部位，北与新华夏系第三沉降带的“四川盆地”相接，南与早古生带“黔中隆起”相邻，构造形迹定形于印支～燕山期，多呈北东向展布。隧道位于桑木场背斜北西翼，其走向与背斜展布方向大角度相交。地层为单斜地层，受构造影响，局部小褶曲较发育，地层总体产状为255～320°∠8～32°。地层岩性组成为奥陶系下统湄潭组（O₁m）泥岩夹灰岩、页岩、中上统（O₂₊₃）灰岩及志留系龙马溪组（S₁l）泥岩。奥陶系下统湄潭组（O₁m）灰岩夹泥岩、页岩分布于隧道入口～K67+000m段，地层产状280～320°Z20～32°。中风化灰岩（Otm）分布于隧道进口至ZK66+620、YK66+510段，厚度较大，岩溶极其发育，于隧道右线YK66+460～YK66+515段底板下方及右侧发育大型溶洞，联通至左线ZK66+460～ZK66+485段底板下方。

根据施工阶段地质调查及资料综合分析，隧道进口段发育F1断层，呈北东～南西走向，产状300°∠77°，与隧道左线相交于ZK66+475～ZK66+510段，与隧道右线相交于YK66+480～YK66+520段。此断层同时处于奥陶系下统灰岩与泥岩、页岩接触部位，切穿下部灰岩地层。控制了隧道进口段岩溶的基本特征，岩溶的发育规模、空间形态、延伸范围及方向等与本断层基本一致，6处洞腔总体与构造带方向一致，溶洞底板、顶板由缓突变陡部位受构造控制显著，且向大里程方向倾斜，与构造带倾向一致。该断层对隧道特别是右线施工及运行安全影响很大。

3.岩溶发育特征

因岩溶发育的无规律性，隧道底板进入洞腔，垂直延伸约30m，顶板还在不断坍塌掉块。其岩溶发育情况分布范围、规模不清，造成施工难度极大、无法继续施工。目前关键是要详细查明溶洞规模、形态、大小、埋深及与线路的关系等情况，隧道底板以下岩溶发育情况以及与隧道顶板的距离，为隧道施工及岩溶整治设计提供地质依据。根据施工情况及初步调查，设计院、施工单位、业主以及地质专家的多次研究论证，通过配合测量断面同时进行地质水文地质调绘，对溶洞的规模、形态，长度、宽度、高度及洞底起伏和洞顶的凹凸、支洞、溶洞的分叉位置、延伸方向、溶洞的联通情况及与隧道底轴线的关系进行详细量测，并进行详细地质观察，对溶洞充填情况、石笋、石柱、石钟乳发育情况，地下水大小、流向及水力联系情况，进出水位置及洞壁、顶底地质特征进行调查（见下图）。在以上测量、调查和物探的基础上，在已开挖隧道底板布置钻孔进一步查明隧道底板以下岩溶发育情况和软弱夹层、岩石的完整程度、大溶洞底板以下岩溶发育情况，验证物探解释效果。根据调查测绘成果进行综合整理，分析岩溶发育特征和分布规律，得出溶洞顶与设计隧道底的厚度及变化情况和溶洞以下岩溶发育情况，评价与隧道的关系和影响。

3.1岩溶水水力通道及发育特征

岩溶水为隧道区主要的地下水类型，含水岩组为奥陶系灰岩，赋存于灰岩岩溶管道中，包括溶洞、溶蚀裂隙、溶槽等，均匀性差，局部富水性强。地下水径流条件主要受岩性、构造、岩溶发育程度的影响，分布不均匀。地下水的补给来源主要是大气降水入渗补给。由于断层及其影响带范围内岩体破碎、岩溶管道发育，有利于地下水富集，地下水运移于两盘岩层节理裂隙、岩溶管道中，形成富水区，局部水量较大。据实测水文地质成果，隧道区主要存在6条流水通道，分别是：

①巨型溶洞RDI中2#溶槽开始，经过1#、2#、3#至4#洞腔后下渗通道。此通道水流通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集，流通过程中接纳中途汇集水流后逐渐形成较大水流，成为形成巨型溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。

②巨型溶洞RDI流水洞s4至下部岩溶裂隙通道：S4为流水洞，水量4.5L/s（2011年11月25日）。S4处流水洞面积约0.5×0.6m²，下方15m深度范围内为受此流水洞冲刷、溶蚀形成的竖井，呈圆形截面，直径约8m，深度较大，且同1#溶槽联通。此通道水流通过地下深层通道向南西方向发展、汇集，形成较大水流，成为形成1#洞腔及附近空洞的主要水力因素。

⑧溶洞群3#洞腔流水洞S1至下部岩溶裂隙通道：S1为流水洞，水量5.0L/s（2011年11月25日）。S1处流水洞面积约0.5×0.5m²，向180°方向延伸约10m后向下继续延伸。此通道水流通过地下深层通道向南、南西方向发展、汇集，形成较大水流，成为形成3#洞腔底部空洞的主要水力因素。故此推断，3#同腔底部存在一定规模的岩溶，但对隧道施工及运营影啊小大。

3.2隧道进口段岩溶水水力联系特征

根据对RDI溶洞群的精确测量，该溶洞群各洞腔分布具有明显的水力侵蚀特征，最明显的是，从1#、2#溶槽至1#洞腔，再至2#、3#、4#、5#、6#等洞腔，水位侵蚀高程由高至低逐渐降低，由此形成水力通道。其中主通道从2#溶槽开始，经过1#、2#、3#至4#洞腔，此通道水流受控于F1构造，通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集，流通过程中接纳中途汇集水流后逐渐形成较大水流，成为形成巨型溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。

隧道进口段溶洞与外界存在水力联系，其中6#洞腔内发现有螃蟹及鼠类动物的残骸，但并不是溶洞内原生动物，推测是溶洞在洪水期间由涌入的地表水冲带进来后沉积形成，故此可以判断，至少6#洞腔与外界存在水力联系；3#洞腔s1处水流较大，向180°方向延伸约10m后消失于细小过水通道内，根据溶洞内地形、地层岩层条件推断，3#同腔亦与外界存在水力联系；1#溶槽S4处水流较大，经陡壁处的流水洞向下垂直散落在P2处巨石上，根据隧道施工时的观测，P2处巨石为人工堆积形成，向下方深度15m后发育竖井，水流向下经块碎石间缝隙深入到该竖井内消失，根据溶洞内地形、地层岩层条件推断，1#溶槽亦与外界存在水力联系。

根据对溶洞内岩层裂隙的仔细观测（2011年11月26日），除1#洞腔外，其他洞腔岩层面、裂隙面间（包括洞腔顶部岩层）充填有软塑状粘性土，但年代已久。因此可以判断，在隧道区极端洪水期间，RDI溶洞群中2#、3#、4#、5#共4个洞腔会完全被洪水淹没，在1#大洞腔、6#小洞腔、1#及2#溶槽底部会存在一定深度的积水，各洞腔内尤其是空间狭小的洞腔通道、过水通道、落水洞内水流湍急，对洞内沉积物或构筑物冲刷、侵蚀作用强烈。

3.3隧道进口段溶洞沉积物特征

关于岩溶水水力特征的综合分析，以及对各洞腔、通道、溶槽等岩溶形态内沉积物的实际观测，证实了洞湾隧道进口段溶洞群的发展趋势，即以F1构造带为导向，从北东方向的1、2#溶槽开始，主要经1、2、3、4#洞腔，继续向南西方向延伸，途中汇集来自各通道、洞腔内的支流而形成较大水流，构造带主导了岩溶洞群的发育、伸展。

本隧道进口溶洞群各通道、洞腔内岩溶沉积物主要为重力水沉积类型，主要沉积物包括石钟乳、石笋、石幔、石旗、鹅管等。按其发育的规模大小，自北东至南西方向各洞腔、通道内沉积物的典型特征为：

（1）1、2#溶槽至6、5、1#洞腔：洞穴沉积物主要为石钟乳、石笋、石幔，规模大、发育程度高、形成年代早。其中最高的石笋发现于6#洞腔，高度达6.1m：特别的是，在2#溶槽中部集中发育穴珠，小的如豆粒，大的如乒乓球，表面呈淡黄色，周边洞底较平坦，是碳酸钙岩溶水球形结晶的特殊表现。

（2）1#洞腔：溶洞群中最大的洞腔，洞穴沉积物主要为石钟乳、石笋，集中于地质条件较为稳定的南侧洞壁附近；洞腔北侧发育一堵北东向巨型石幔。洞穴沉积物规模较大、发育程度较高、形成年代较早。其中最高的石笋发现于6#洞腔，高度达6.1m。

（3）2#洞腔：溶洞群中较小的洞腔，洞穴沉积物主要为小型石钟乳、石笋，规模较小、发育程度较低、形成年代较晚。其中最高的石笋高度仅1m左右。

（4）3、4#洞腔：溶洞群中较大的洞腔，洞穴沉积物主要为鹅管，局部有小型石钟乳、石笋。鹅管是石钟乳发育过程中的最初形态，自洞顶向下生长，空心细玻璃管状。其规模很小、发育程度低、形成年代晚，其中最高的石笋高度仅10cm左右，尚处于生长的初期阶段。

3.4隧道岩溶发育规模及形态特征

经地质调绘及对溶洞的实测，隧址区岩溶极为发育。岩溶形态主要表现为落水洞、溶洞及地表溶蚀洼地、地表塌陷等，特别溶洞，具有发育规模大、空间变化差异大、受构造控制明显的特征。其中溶洞RD1及联通溶洞群受F1构造影响，发育规模巨大，与隧道右线YK66+478～YK66+490段联通，对隧道施工及运行安全影响很大，目前看来是洞湾隧道施工中最大的岩溶地质障碍。

发育的溶洞群总体呈北东30。延伸，与隧道轴线近直交，由6个洞腔连通而成，隧道左右线均位于1号大空腔上部穿过。溶洞沿隧道右线纵向由里程YK66+459发育到里程YK66+516，长约57m。为沿隧道右线发育最宽；左线纵向由里程ZK66+461发育到里程ZK66+486，长约25m。横向向隧道两侧发育延伸长约265m。洞高一般16～19m，斜向右线右边墙外侧发育落水洞，深约35m，在溶洞范围内右线发育到拱顶以上3～5m。YK66+459～+479段溶洞底较平缓，高程1004.25～1010.62m，往大里程方向溶洞底逐渐变高变陡，高程由1004.25m到1021.50m，高差17.25m，坡度30.7°，溶洞顶底基本同向变化，向小里程倾斜。

由小里程向大里程由厚变薄，也就是1号洞腔中坍塌区最薄仅6.16m，右隧道开挖断面处最薄，向左右两侧变厚。

根据调查隧道YK66+492～+516段发育构造带，走向30°，倾向120°，倾角77°，与隧道轴线近垂直，平行于溶洞主长轴。受其影响，在右隧道沿隧道轴线YK66+492～+516段长24m，宽约25m范围内溶洞顶发生强烈崩塌，形成厚10m的崩积物，溶洞顶板离隧道底厚仅6.16～13.05m，属最危险地段。

3.5隧道岩溶形成机制

洞湾隧道位于赤水河系侵蚀第二阶地，大气降水丰富，地表径流充沛，地表水沿构造带及地层接触带等软弱结构面下渗，地下水的动态变化较大。在隧道区域地层岩性相对复杂，灰岩及泥岩、页岩呈夹层状分布，其进口下部及隧道中部的泥岩、页岩属相对隔水层，地下水沿灰岩节理、裂隙渗透过程中遇到阻隔，便向下沿其层问裂隙、垂直节理及构造裂隙渗流，在泥岩与灰岩接触面附近形成近似沿灰岩层面发育的且角度较大的竖向溶蚀裂隙，溶蚀裂隙在以往较为稳定的地质环境条件下继续向下、向外扩展，形成一定规模的溶洞；后期洞顶在自重作用下坍塌，形成的较大溶洞腔体。经过地壳的不断抬升作用及地下水的溶蚀作用，溶洞出现在目前位置。非溶岩与灰岩接触带是岩溶发育的相对强烈地段。

F1断层控制了隧道进口段岩溶的基本特征，岩溶的发育规模、空间形态、延伸范围及方向等与本断层基本一致，6处洞腔总体与构造带方向一致，溶洞底板、顶板由缓突变陡部位受构造控制显著，且向大里程方向倾斜，与构造带倾向一致。

4.隧道岩溶发育围岩稳定性评价

4.1隧道进口段岩溶区围岩稳定性评价

隧道左线ZK66+460～ZK66+486段位于大型溶洞上方，区段长度26m，隧道底板下方完整岩体厚度19.86～32.44m，厚度在纵向上ZK66+478.8处最小2L 29m，厚度呈“∩”状；横向厚度从左向右侧逐渐变小，最小为19.86m；通过溶洞内的实际观测，溶洞顶部岩体处于基本稳定状态，发育有小型石钟乳，但洞顶岩体裂隙中充填有粘土，说明洞内洪水时水位可达到洞顶并在较长时间内保持了较高水位；洞内地面所覆盖的4～5m厚度碎块石形成年代已久远，块石上发育石笋。隧道右侧边界附近有轻微崩塌现象，为施工爆破、大型机械作业产生强烈震动所致，对隧道施工及营运影响较小。建议对最小溶洞顶板厚度19.86m、按简支梁结构对隧道底板岩体的抗压、抗弯及抗剪强度进行验算，根据验算结果提出适当治理措施。

另外，隧道左线ZK66+485～ZK66+515段受构造F1控制，隧道底板局部发育岩溶裂隙，有可塑状粘土夹碎石充填，区段长度30m，据钻孔及物探成果揭示，地表3m左右深度内局部存在岩溶裂隙，且位于隧道侧壁下方，隧道中线处岩体较完整，应对该段隧道底板处软弱地段进行清理，挖除岩溶裂隙充填物，换以混凝土充填；为了消除该段地基的不均匀性，建议ZK66+491～ZK66+510段两侧架梁通过。

隧道右线YK66+459～YK66+516段位于大型溶洞上方，区段长度57m，隧道底板下方完整岩体厚度3.80～29.52m，厚度在纵向上YK66+502.5左侧3～5m最小，仅有3.8m，为洞顶金字塔型崩塌区中心，向小里程厚度变大；洞厅内横向厚度从左向右侧逐渐变大。建议对溶洞顶板按简支梁结构针对不同区段隧道底板岩体的抗压、抗弯及抗剪强度进行验算，根据验算结果提出适当治理措施。通过溶洞内的实际观测，YK66+490～YK66+515段溶洞顶部岩体处于崩塌失稳状态，对隧道底板安全影响极大，必须尽快治理；YK66+470～YK66+490段溶洞顶部岩体处于欠稳定状态，受施工爆破、大型机械作业震动会有一定规模的崩塌，对隧道底板安全有较大影响，必须治理；YK66+459～YK66+470段溶洞顶部岩体处于基本稳定状态，受施工爆破、大型机械作业震动偶尔会掉块，对隧道底板安全影响较小，可采取喷浆等治理措施。

4.2隧道进、出口已开挖段底板稳定性评价

本次勘察通过物探及钻探手段，基本查明了隧道进、出口已开挖段底板的岩溶发育情况。进口段物探采用地震波法、高密度电法，并针对物探异常区进行了钻探验证，其中：ZK1（里程位置：YK66+300中心）、ZK2（里程位置：YK66+405右3m）、ZK5（里程位置：ZK66+518右3m）、ZK6（里程位置：ZK66+575左3m）共4孔布置在物探异常区，钻探深度均超过30m。钻探结果显示：在隧道底板以下30m深度内未发现溶洞。

隧道左线ZK66+485～ZK66+515段受构造F1控制，施工开挖时发现隧道底板局部发育岩溶裂隙，有可塑状粘土夹碎石充填，区段长度30m，据钻孔ZK5（里程位置：ZK66+518右3m）、ZK7（里程位置：ZK66+502右2m）及物探成果揭示，地表3m左右深度内局部存在岩溶裂隙，且位于隧道侧壁下方，隧道中线处岩体较完整。隧道出口已开挖段物探成果未发现明显的异常区。

因此，可以判断：隧道已开挖段底板除左线ZK66+485～ZK66+515段局部存在岩溶裂隙、需要治理外，其余隧道底板是稳定的，可作隧道路基持力层。

4.3隧道进口段溶洞底板稳定性评价

本次勘察通过测量及钻探手段，基本查明了隧道进口段大型溶洞底板的地质情况。针对大型溶洞底板进行了钻探，钻至溶洞底板以下完整基岩10余米。钻探结果显示：在大型溶洞底板以下10m深度内、钻孔未发现溶洞。因此，可以初步判断：大型溶洞底板基本稳定。但不能排除底板深部岩溶发育的可能性。为了把岩溶施工风险将至最低，该溶洞治理工程施工前，仍需进行进一步钻探验证。

5.施工处理措施建议

经过对隧道岩溶的详细勘测和岩溶发育特征的分析研究，提出如下建议：

（1）隧道洞身地层岩性较复杂，洞身段围岩级别以Ⅳ～Ⅴ级为主，地下水局部富集，对构造破碎带、岩溶发育地段应及时采取加固、防护措施，确保隧道的安全施工。

（3）隧道左线ZK66+460～ZK66+486段位于大型溶洞上方，区段长度26m，隧道底板下方完整岩体厚度最小为19.86m，建议对此厚度按简支梁结构对隧道底板岩体的抗压、抗弯及抗剪强度进行验算，根据验算结果提出适当治理措施；隧道左线ZK66+485～ZK66+515段受构造F1控制，隧道底板局部发育岩溶裂隙，且位于隧道侧壁下方，隧道中线处岩体较完整，应对该段隧道底板处软弱地段进行清理，挖除岩溶裂隙充填物，换以混凝土充填；为了消除该段地基的不均匀性，建议ZK66+491～ZK66+510段两侧架梁通过。

（4）隧道右线YK66+459～YK66+516段位于大型溶洞上方，隧道底板下方完整岩体厚度最小仅有3.8m。建议对溶洞顶板按简支梁结构针对不同区段隧道底板岩体的抗压、抗弯及抗剪强度进行验算，根据验算结果提出适当治理措施。通过实际观测，右线YK66+490～YK66+515段溶洞顶部岩体处于崩塌失稳状态，对隧道底板安全影响极大，必须尽快治理；YK66+470～YK66+490段溶洞顶部岩体处于欠稳定状态，对隧道底板安全有较大影响，必须治理；YK66+459～YK66+470段溶洞顶部岩体处于基本稳定状态，对隧道底板安全影响较小，可采取喷浆等治理措施。右线隧道岩溶治理区的设计及施工建议为：

①以支顶方式通过：在溶洞底板上浇筑混凝土支撑体，直到溶洞顶板；

②以高填路堤方式通过；

③以桥梁方式通过。

若以桥梁方式通过时，应注意溶洞洞体顶板的自承能力，并要考虑到溶洞顶部的崩塌及平衡拱问题，加强对桥台处岩体的应力重分布研究，设计时应加强桥梁结构的刚度及强度，对桥基进行防冲刷设计。

但不论以何种方式通过该区域，必须对该段隧道顶部作危岩加固处理，并保持溶洞内的排水通畅；排水设计建议以历史最高水位、水量进行相关设计。治理方案施工前作补充勘察，彻底查明溶洞底部地质情况。

（5）洞湾隧道地下水主要受岩溶、构造及地层岩性控制，隧道旱季开挖面涌水量约6.4L/s（约553m³/d），雨季开挖面涌水量约12.8L/s（约1106m³/d）。隧道设计及施工应特别注意这些可能涌水地段，做好超前预报并加强防水、排水措施。

（6）加强隧道洞身超前预报及动态监测工作，将地质超前预报纳入施工工序，施工中发现异常情况时应及时会同有关方面共同研究，作出必要的修改。