二道垭隧道掘进遇溶洞处理技术研究

杨义强

摘要：本文以湖北十漫高速公路二道垭隧道为依托，对隧道掘进遇溶洞时的不同情况下的处理技术及措施进行了探索及研究，以期为隧道遇溶洞的处理带来一些新的思路。

Abstract： Based on the Erdaoya Tunnel of Shiman Expressway in Hubei Province， this paper explores and studies the treatment techniques and measures under different conditions when tunneling encounters karst caves， in order to bring some new ideas to the treatment of karst caves in tunneling.

關键词：公路隧道；溶洞；处理措施；技术探索

Key words： highway tunnel；karst cave；treatment measures；technical exploration

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）02-0123-04

0 引言

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层（石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等）经化学溶解作用和崩解、搬运和沉积作用等机械破坏所形成的各种地表和地下溶蚀现象，随着生产建设的发展，岩溶地区工程建筑日益增多，所遇到的岩溶工程问题也日趋复杂多变。

岩溶是山区隧道建设中常见的地质灾害，特别是在西部山区公路及铁路建设中，常常出现的各种类型的岩溶地质灾害，如果没有采取科学、适当的处理措施，往往在施工和运营期间都会发生许多事故，甚至严重地危害隧道的正常使用，故妥善、有效处整治岩溶地质灾害是确保隧道的正常使用的关键。

1 工程简介

湖北十漫高速公路SME10合同段二道垭隧道采用分离式，左右线距离30～50m，左线桩号ZK92+900～ZK96+010，长3110m，二道垭隧道右线桩号YK92+955～YK96+024，长3069m。隧道处于岩溶发育地区，溶蚀构造复杂，给施工处理带来了极大困难。

2 岩溶洞穴的处理

2.1 一般岩溶地区隧道的处理原则

2.1.1 以隧道结构安全和施工安全为出发点，以人与自然环境的和谐为机理

岩溶是一种非常复杂的地质现象，其生成和发育取决于各种地质条件的综合作用，如岩性、地质构造、地形地貌、地下水及构造运动等，同时岩溶的发育和形成过程也是地质运动的自然平衡过程，而人类修建隧道穿越岩溶地区实际上是对原有岩溶平衡状态的一种破坏。

岩溶整治的目的就是确保隧道结构安全和施工安全，因此在整治过程中人们首要关注的是岩溶对隧道本身的影响，但要真正彻底整治，就须重点关注整治后对岩溶原有平衡状态的恢复，即岩溶整治的实质就在于对自然破坏的平衡“恢复”，以期达到人与自然的和谐。

2.1.2 因地制宜，综合治理

岩溶形态的各异性决定了处理措施的不同，这主要表现在岩溶与隧道的关系以及岩溶本身的复杂性。如有无充填、充填物的软硬状态、成分组合以及岩溶水的发育情况等的不同，都会导致处理措施、处理方式的差异。同时在处理过程中，有时仅靠单一的处理手段，无法有效整治，例如在岩溶水整治过程中，局部地段可能通过疏导既有岩溶管道即可引排，有些地段可能需要增设排泄通道截排。因此在岩溶处理过程中，要根据不同岩溶的发育特点，因地制宜，采用综合整治手段，才能有效治理。

2.1.3 不断完善，彻底整治

由于岩溶的复杂性和微观发育的不规律性，溶洞处理过程也是对岩溶问题不断认识的过程。从宏观上讲，岩溶发育的规律是可以判断的，但现有技术手段和认知水平，限制了对岩溶全面细致的认识，特别是微观发育的不规律性以及岩溶水的滞后效应影响，只有经过深入的地质调查、施工紧密结合起来，不断发现整治过程中的问题，完善优化设计，才能做到彻底整治。

2.2 一般岩溶地区隧道的处理方法和措施

隧道岩溶发育复杂多变，主要分为岩溶洞穴的处理和岩溶水的处理。根据岩溶对隧道不同的影响情况及施工条件，采取跨越、加固、支顶洞穴，疏通、截流、引排岩溶水，清除充填物，回填夯实、封闭地表塌陷等工程综合治理措施。

2.2.1 岩溶水的处理

在岩溶整治过程中，尤其要关注对岩溶水的整治处理，岩溶水的发育情况往往影响决定着处理方法和手段的选择，如充填溶洞一般采用复合地基理论进行加固处理，但如果岩溶水发育，充填物易流失，则宜采用跨越结构处理。

①岩溶水原则上以疏导处理为主，尽量恢复或维持既有排泄通道，如隧道开挖切断岩溶管道，且隧道两侧均有明显的管道，可根据岩溶管道与隧道的相对位置关系，采用上跨或下穿隧道的人造排泄通道与岩溶管道相连接，并结合溶洞发育形态，设置必要的检查、清淤条件。

如隧道ZK93+836～+839有一溶洞穿过隧底，有从左向右约0.5m3/s的流水，雨季最大过水量约为1m3/s，溶洞自隧道左侧向右侧边墙外延伸约30m后坡陡难以进入，溶洞空洞部分高1～4m，宽1.5～8m，溶洞底板充填部分软塑～流塑状粘土，设置了1座1-2m箱涵下穿涵洞，如图1示。并对涵洞上、下游10m范围进行铺砌，于涵洞上游设沉砂池一处，于隧道右侧墙身下部设置了一处宽2m，高2.2m检查洞，以便在运营期间进行溶洞处理的状况进行检查维修。

②如采用上跨隧道维持既有岩溶排泄通道处理方法时，应加强衬砌结构的防水措施，提高抗水压能力，并注意核实岩溶水量及充填情况，如岩溶水携带泥沙量大，易沉淀淤积，则不宜设置采用上跨设置排泄通道方案。

③对无明显岩溶水排泄通道或岩溶水量较大原自然管道无法及时宣泄时，宜设置人工排泄通道引排岩溶水。通常采用的排水方式有盲沟、泄水孔、水沟改造、集水槽、泄水洞、廊道、旁洞、涵洞、竖井、倒虹吸等设施，设有横洞、平导的隧道可利用为施工、运营期间的排水通道；为更好的汇集、截排岩溶水，防止岩溶水危及隧道结构安全，可以通过设置集水槽、廊道及集水钻孔等集水措施汇集岩溶水。

④岩溶水具有“滞后效应”，在隧道揭穿岩溶管道后，其原有的水力平衡条件被打破，径流条件发生改变，随着岩溶水向隧道内的汇流速度加快，使原有的岩溶排泄管道被逐渐疏通，岩溶水的运移速度加快，对降雨的反应愈敏感，隧道周边的这种径流方式的改变直到重新平衡的过程，就是岩溶水的滞后效应的过程。所以很多岩溶工点的涌水量往往在开挖揭示时不大，但到雨季时的涌水量骤增，形成水害，有的岩溶工点一个雨季甚至数个雨季后才达到最大。在岩溶水整治过程如果不充分认识到岩溶水的这种“滞后效应”，往往会形成工程隐患。考虑到岩溶水的这种滞后特性，在施工过程中遇到岩溶问题时，不能盲目的进行衬砌封闭处理，而应对该岩溶所处的地质、水文环境进行详细的调查、分析，尤其是要注意加强岩溶发育地段的区域地质调查、水文地质条件分析，并结合雨季观测情况，对岩溶最大涌水量进行推测、判断，从而进行合理的整治处理。同时在整治过程中，应考虑施工期间的防止突水的过渡方案与措施。尤其是暴雨季节，应加强对涌水量的观测、设置临时排水系统等。本项目ZK93+836～+839处溶洞排水处理时就是充分考虑了岩溶水的“滞后效应”，设置了较大孔径的涵洞进行排水。

⑤岩溶水引排与充填物流失问题。

在对充填岩溶地段进行岩溶水整治时，在引排岩溶水的同时存在充填物流失问题，因此在引排岩溶水的同时，一定要关注充填物的流失问题。

隧道揭示溶洞仅为岩溶管道且管壁为完整基岩时，则充填物流失对隧道结构的影响较小，但应注意岩溶水的疏通滞后效应以及排水系统的淤积清理问题。

隧道穿越以充填为主的溶洞，如无明显岩溶管道，且岩溶水量较小，充填物无流失可能时，则考虑 “以堵为主、限量排放”的原则进行处理；如有明显岩溶出水点，且涌水量较大时，则考虑以排为主的整治原则，设置排水通道，并对隧道周边充填物注浆形成固结圈，同时为防止充填物流失，应对排水口采取必要的防冲刷流失措施。

2.2.2 岩溶洞穴的处理

隧道施工遇岩溶洞穴形态各异，发育规模大小不一，在处理岩溶洞穴时，重点要理清溶洞的发育形态以及溶洞与隧道的相对位置关系，然后才能有的放矢，采取有针对性的处理措施。

①隧顶以上溶洞的处理。

对发育至隧道洞顶以上的溶洞，一般采取衬砌背后回填的措施。但在溶洞顶板高悬，或溶洞横向跨度大，稳定性差时，如果仍采用回填密实的措施，不仅回填工程量大，技术经济不合理；且回填体重量过大，导致衬砌结构的承载力增大，存在安全隐患。因此在隧顶以上溶洞处理时，根据溶洞发育的高度、跨度以及洞壁稳定情况，采取回填、支顶、设置缓冲层以及岩壁防护等综合处理措施，并对隧道衬砌结构进行相应的加强。

1）若隧顶以上的空溶洞较高，可通过设置1～2m厚砼或浆砌片石护拱，护拱背后设置一定厚度的干砌片石缓冲层，并对溶洞顶部岩壁施做锚喷网防护。

如图2所示，隧道YK93+270处发育半充填溶洞，隧顶以上溶洞高度约13m，溶洞顶岩层节理发育，节理呈张开状，顺节理面多溶蚀形成溶缝，缝宽一般1～20cm，岩体被切割成大块状，溶洞壁及洞顶有渗滴水现象，雨季洞顶有小股状及线状水从溶缝中流下。该段采用V级钢筋砼加强衬砌，衬砌背后施做1.5m厚砼护拱、4m厚干砌片石缓冲层，并对溶洞顶板施做锚喷网防护。为确保施工作业安全，先行施做砼护拱通过，然后通过预留作业口对溶洞顶板进行防护处理，防护处理时先设置临时防护网，再架设脚手架作业平台；在护拱的安全作业空间下对隧道基础进行加固处理、灌注衬砌砼，最后利用预留作业口施做缓冲层。

2）如溶洞垂直于线路方向发育较长，即横向跨度较大的溶洞，一般可结合岩溶条件设置支顶柱、墙缩小溶洞的跨度；如溶洞顶板较稳定，可考虑设置明洞支顶结构。隧道YK94+915处发育溶洞，如图3所示，溶洞底充填大量方解石结晶体和部分粘性土、碎块石土，岩层产状平缓，溶洞顶板基本顺层面发育，溶洞横向跨度约18m，在开挖时洞顶曾发生坍塌现象。处理该溶洞时于隧道外侧设置浆砌片石支顶墙，施做顶板防护，减小溶洞跨度，提高溶洞的稳定性，然后再进行基础、衬砌结构的处理。

隧道ZK94+017～+046段隧底发育一溶洞，溶洞斜穿线路，顶板厚约1.8～7.3m，溶洞高度5～12m，宽6～15m，底部有块石、粘土、少量积水，洞壁为完整基岩。由于顶板厚度与溶洞宽度的比值小于1，故该溶洞的顶板安全厚度不够，需设置支撑柱支撑顶板缩小溶洞跨度，并辅以喷锚网防护。本项目于隧洞左侧设置了连续的浆砌挡土墙作为支撑柱，通过挡墙将溶洞空间分割成两部分，仅进行隧洞所侧的溶洞空腔回填，挡墙另一部仅对靠近隧洞的溶腔顶板进行喷锚网加固，从而大幅减少了处理的工程量，降低了施工成本。具体见图4所示。

②隧底溶洞的处理。

根据溶洞与隧道的相对位置关系，当溶洞穿越隧道底部时，则需要根据溶洞发育的形态对隧道基础进行处理。隧道底部溶洞对隧道的影响较大，特别是对衬砌结构承载以及线路行车方面。根据具体情况采用跨越、回填、支顶等多种处理措施，本项目创造性的采用了复合地基的结构型式。

1）跨越结构的应用。

采用的主要跨越结构有梁跨、拱跨、框架跨越等结构形式。其主要适用于不宜回填的空溶洞，地下水发育、不易成孔或卡钻的充填溶洞。作者本人在其它项目施工时采用了拱跨结构及三连跨结构跨越溶蚀下切较深，清理、回填处理难度大的隧道底溶洞，取得了良好的技术效果及经济效益。

2）回填措施的应用。

对于地下水不发育、底部充填深度不大的溶洞，多采用混凝土、浆砌片石、干砌片石等进行回填处理，本项目多处溶洞采用了以上施工处理措施。

3）复合地基在隧底充填溶洞中的应用。

复合地基是指由两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）组成，共同承受上部荷载并协调变形的人工地基，其原理主要是通过地质改良、利用群桩效应提高基础承载力。本隧道穿越岩溶水不发育的软土充填地层时，大量采用复合地基处理，复合地基主要适用于地下水不发育、不易流失的充填溶洞。复合地质还需考虑施做空间及沉降变形等因素影响，均预留一定的净空富裕量。

復合地基一般采用钢管桩、旋喷桩、楔形桩等。如图2、图3分别采取钢管桩、旋喷桩等复合地基，取得了较好的工程效果。

3 结束语

本项目对以上溶洞采取处理措施后进行的后期跟踪监测表明处理效果良好，达到了目标要求。二道垭隧道施工前还采取了多种超前地质预报手段进行岩溶预报，施工实践证明，大型岩溶一般情况下是可以预报出来的，可以在揭示前采取必要的措施，减少损失。

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