关于水工隧洞施工中溶洞处理措施的探讨

2017-03-02孙志明孙近福

黑龙江水利科技 2017年4期

关键词：填充物溶洞隧洞

孙志明，孙近福

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006；2.辽宁省汤河水库管理局，辽宁辽阳 111000)

关于水工隧洞施工中溶洞处理措施的探讨

孙志明1，孙近福2

(1.辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006；2.辽宁省汤河水库管理局，辽宁辽阳 111000)

由于地质情况复杂，受前期地勘精度影响无法全部揭露溶洞情况，隧洞施工中可能遇见岩溶溶洞。溶洞的存在给隧洞的施工安全及永久运行带来隐患，溶洞的处理至关重要。文章按照溶洞规模进行了分类，给出了相应的处理建议并列举了国内典型溶洞成功处理案例。分析了相应的优缺点，总结了溶洞处理的注意事项，为以后隧洞施工中溶洞的处理方案提供借鉴和参考。

水工隧洞；溶洞；处理措施；优缺点分析

由于地质条件的复杂性，在隧洞施工过程中，可能会遇到各种不同形式的溶洞。溶洞的形式复杂多样，部分溶洞充满孤石、黏土、淤泥等充填物。溶洞的存在，给隧洞的开挖、永久工程质量带来隐患和危害。因此，制定科学、合理、有效的溶洞处理措施，在很大程度上直接影响隧洞的工期及整个工程质量。

1 小规模溶洞

1.1 溶洞特性描述

小规模溶洞，一般深度和宽度不大，约一倍隧洞洞径左右，大部分已经停止发育。溶洞在隧洞开挖断面出现部位不定，顶拱、边墙、底板部位均有可能。

1.2 建议处理措施及典型工程实例

根据此类溶洞的特点，为防止拱部、边墙部位产生塌方，可利用高压水流对溶洞内充填物进行冲洗，完成后可采用灌浆结合拱架、超前支护、喷锚措施封闭，采用回填材料封堵。位于底板部位溶洞，清理填充物后可直接采用低标号混凝土、碎石等材料回填。

典型工程实例一，引黄工程国际Ⅱ、Ⅲ标隧洞施工中，36#溶洞段。处理措施：溶洞处理时架设格栅拱架(间距0.7m)挂网喷混结合，周边岩体采用高压灌浆(2-3MPa)结合Φ25锚杆加固，溶洞局部空腔回填素混凝土处理[1]。

典型工程实例二，新锅瓦隧道桩号180+638-651段，底板部位存在1-7m深规模不等的溶洞，填充物主要以淤泥为主。处理措施：对隧洞底板1.5m以下部位采用碎石回填处理，超过1.5m深度的充填物采用回填灌浆处理[2]。

1.3 处理措施优缺点分析

在处理小规模溶洞时，主要来考虑以回填为主，减少对开挖的影响，回填材料可根据实际情况而定。此种方法工艺简单，造价低等优点。

2 中等规模溶洞

2.1 中等规模无充填型溶洞

2.1.1 溶洞特性描述

此类溶洞，较小规模溶洞大些，两倍到三倍洞径左右，一般洞内无水。在空间发育情况不固定，呈网格、树状等分布。可能出现在隧洞边墙、顶拱、底板等部位。

2.1.2 建议处理措施及典型工程实例

处理此类溶洞，应根据溶洞出现的位置不同采用不同的方法处理。在前期开挖时顶拱、边墙部位可加密钢拱架、及时挂网喷混封闭，必要时增加钢板防护。后期处理时顶拱部位可采用与衬砌同标号的素混凝土分层回填，回填厚度≥2m；边墙部位回填时可视溶洞实际大小来选择回填材料，可用混凝土直接回填，两倍洞径以内的可采用浆砌石回填。大些溶洞可采先用石渣回填，然后修筑浆砌石挡墙封堵处理。

典型工程实例一，丹达河水电站导流洞桩号D0+046.8-D0+051溶洞段，沿隧洞轴线方向长约10-11m，顶部夹杂塌落岩块[3]。处理措施：开挖阶段，对拱部空腔加工小型钢格架进行支撑，然后挂网喷射混凝土进行封闭。对边墙(起拱线以下)空腔采用干砌片、块石填塞密实。

典型工程实例二，天生桥二级水电站3号引水隧洞桩号8+280-8+350典型溶洞段，岩溶沿断层、裂隙溶蚀发展成溶洞、溶缝[4]。处理措施：对溶洞口打锚杆喷混封闭，然后用混凝土回填溶洞，顶拱部回填混凝土厚度达1-2倍洞径。

2.1.3 处理措施优缺点分析

采用强支护结合回填的方案，处理无填充型溶洞，具有安全、有效等优点。缺点：需要在前期做一定量的勘探工作，能准确判断溶洞充填情况。

2.2 中等规模充填型溶洞

2.2.1 溶洞特性描述

此种溶洞规模同上，洞内填充物较多些，一般以黏土、淤泥夹杂碎石居多且含水量大，溶洞口岩石较破碎等特点。

2.2.2 建议处理措施及典型工程实例

对于充填物较多的溶洞，由于充填物含水率高，稳定性差。对于出现在顶拱部位的溶洞，可采用加强支护并结合压力灌浆等方法加固溶洞破碎岩体或填充物；对于底板部位的溶洞，视实际情况，对填充物进行部分清除，然后利用混凝土或者石渣进行回填必要时结合固结灌浆处理。

典型工程实例一，南水北调釜山隧洞施工中，左洞桩号394+525-394+540溶洞段。处理措施：对隧洞底板以下溶洞部位，回填石块至底板30cm以下，底板内预留灌浆管灌浆[5]。

典型工程实例二，清水塘隧洞溶洞群桩号D71+486-D71+596，隧洞顶拱部位出现溶洞夹杂淤泥等。处理措施：采取超前导管注浆加固充填物质强度，灌浆完成之后再进行断面开挖[6]。

2.2.3 处理措施优缺点分析

利用超前灌浆加固充填物，底板部位回填石块然后注入水泥灌浆密实，工期短，效果明显。缺点：由于溶洞形状不规则，块石填充可能受限。

3 大规模溶洞

3.1 大规模充填型溶洞

3.1.1 溶洞特性描述

大规模充填型溶洞，在深度、跨度上均较大，三倍洞径以上，有的深度超过100m，溶洞口周边岩石较破碎，洞内存在大量充填物，呈软塑状态多以黏土、淤泥为主夹杂大型孤石等，承载力较低且不均匀。溶洞一般与隧洞全面相交(隧洞掌子面全部位于溶洞空腔内或溶洞填充物内)居多，少量部分相交(隧洞掌子面一部分与溶洞相交)的情况。

3.1.2 建议处理措施及典型工程实例

隧洞施工中遇到大规模溶洞时，首先应探明溶洞的规模，结合填充物的性质，溶洞岩性、出现位置等，制定相应的处理措施。如：掌子面全断面处在溶洞填充物内的，可对全掌子面进行固结灌浆，也可以沿隧洞开挖线以外1-2m范围内进行灌浆，以达到加固充填物强度目的；若溶洞出现在边墙等部位，可对开挖线以外3-5m范围内填充物进行清除(有水出现时应先做止水灌浆)，然后修筑浆砌石挡墙或者混凝土封堵体；若掌子面处无充填物，隧洞底板以下部位存在填充物较深(超过10m)且沿隧洞轴线方向上跨度较大(超过10m)，此时可结合现场的填充物类型，溶洞形状、周边岩体等因素，综合分析比较，选择适当方案，如：大体积石渣回填、 “背管桥”方案(利用溶洞两端坚硬岩体做承台，修筑钢筋混凝土梁，然后按浇筑明管方式浇筑隧洞混凝土)、桩基结合地梁方案、大直径桩基结合基础固结灌浆等。

典型工程实例一，贵阳市西郊水厂输水隧洞第九标段溶洞段，隧洞开挖掌子面全部处于溶洞填充物内，沿隧洞轴线方向长度14m。填充物为黏土、碎石等呈软塑-流塑状态。处理措施：掌子面内在打入梅花型固结灌浆管灌浆，同时沿开挖线布置固结灌浆管，外插角度14°，保证开挖线以外至少1m以上固结的填充物作为反压固结保护层[7]。

典型工程实例二，乌江洪家渡水电站洞式溢洪道桩号K0+674.2-K0+687.7m有规模不等的溶洞且充满泥、砂等沉积物。处理措施：采用自钻式中空预应力锚杆进行超前固结灌浆，在开挖线以外形成1-2m保护壳以达到加固充填物强度，隧洞顺利通过溶洞[8]。

典型工程实例三，昆明市掌鸠河引水供水工程放耳戈隧洞段桩号D58+158，溶洞全断面贯穿隧洞，溶洞横跨长度8m，深度60m且直通地下暗河。处理措施：采用“背管桥”方案，在两端坚硬岩石段修筑承台，承台上修筑钢筋混凝土梁，然后在梁上用浇筑明管方式修建隧洞。施工时间仅20天就通过溶洞施工段[9]。

典型工程实例四，天生桥二级水电站2号引水隧洞桩号2+837-2+927段，溶洞与隧洞全断面相交，填充物为黄色泥夹石及黑色淤泥为主，沿隧洞轴线方向长度40m，底板以下深度55.88m，上部直通山顶。处理措施：采用桩基结合地梁,底板下高压旋喷灌浆。成功处理溶洞段[10]。

3.1.3 处理措施优缺点分析

大规模溶洞可采用全断面灌浆方案、开挖线周围灌浆方案、桩基方案、地梁方案、背管桥方案或者两种以上的方案，在提高填充物承载力同时也满足了现场开挖及隧洞永久工程质量要求。缺点，由于此类溶洞规模较大，采用单一的施工方案有时候达不到理想效果，处理方案复杂，工期较长，造价高，后期也需要辅助一定的监测设备进行隧洞稳定监测。

3.2 大规模充填过水型溶洞

3.2.1 溶洞特性描述

此类溶洞规模同上，不同的是溶洞内填充物含水量较大，承载力更低，对隧洞的危害更大。

3.2.2 建议处理措施及典型工程实例

此类溶洞在处理时需要考虑，既要增加充填物承载力又要考虑止水问题，可尽量采用地梁、拱桥形式跨过溶洞段。

典型工程实例一，天生桥二级水电站3号引水隧洞桩号2+040溶洞段，沿隧洞轴线跨度约40m，底板以下深度约61.1-77m，填充物为可塑性黏土夹杂碎石，地下水活跃。处理措施：根据现场条件，利用上下游岩石段修建拱座，然后修建拱桥，桥体净跨62m，矢跨8m，然后上部采用明管修建隧洞[4]，成功的通过溶洞段。

3.2.3 处理措施优缺点分析

采用拱桥、地梁方式，有效的避免了隧洞底板与溶洞填充物接触，在承载力和变形方面均能满足设计要求。缺点：对溶洞周边(沿隧洞轴线方向)岩石完整性要求较高，且拱桥跨度不宜过大。