岩溶隧道施工中溶洞跨越技术方案研究

陈琳 胡文学

喀斯特地貌在我国西南地区较为常见。当隧址处于喀斯特地貌较发育地区时，隧道施工难度大，且安全性也难以得到保障。文章介绍了溶洞的基本知识和溶洞隧道处理的原则、方法和依据，并依托崇左至水口高速公路上金隧道（左幅）穿越溶洞施工项目，对比研究了不同的隧道穿越溶洞方案，得出隧道跨越溶洞的最佳选择，同时对方案进行分析和计算，验证了其安全性，可为类似工程提供参考和指导。

喀斯特地貌;溶洞处治;隧道施工;梁板跨越

0 引言

经济发展与交通发展始终是相辅相成的。近年来，我国经济持续保持中高速发展，交通基础设施事业也在不断发展。我国地域广阔，人口分布很广，山区较多，这对交通基建事业的发展提出了新的挑战。在山地较多的区域修建公路、铁路等基础设施时，隧道和桥梁成为必不可少的工程建筑物。在我国的西南和中南地区，喀斯特地貌比较典型，又称岩溶地貌，这种地貌的地质主要为石灰岩质。在岩溶地貌中修建隧道，时不时会遇到溶洞。隧道穿越溶洞施工时，处理不好往往容易造成安全事故或经济上的巨大浪费，而且还不能保证后期运营的安全。岩溶地貌的地质情况较复杂，不仅有溶洞，还时常伴有沟槽、较发育的裂隙等。溶洞内有时会存在承载力较弱的填充物，有些溶洞存储着水资源，在隧道施工时容易造成垮塌、涌水等事故[1]。隧道穿越溶洞时，处理的方式大体上可分为回填和跨越两种[2]。回填的方式一般用于处理规模较小、不作为地下水通道的干溶洞;而地处地下水含量丰富区域、较大较深的溶洞，往往采用跨越的方式处理[3]。

溶洞隧道施工中，若处理不当，会留下很大的安全隐患，运营期可能会出现隧道二衬渗水、路面塌陷破坏、路面开裂、衬砌开裂等病害。隧道一旦建成，后续出现问题已很难修复，而且会产生较大的社会影响和间接经济损失[4]。鉴于溶洞的处理在隧道施工中至关重要，关系着隧道施工的成败，本文在参考借鉴隧道施工穿越溶洞相关研究的基础上展开研究，依托崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工项目，对比分析了隧道穿越溶洞的方案，得出最佳选择，可为类似工程提供参考和指导。

1 溶洞处理的原则

溶洞主要是由于地下水对石灰岩的侵蚀作用，使得不均匀的石灰岩被侵蚀得更不均匀，因此出现孔、洞等自然景观。这种侵蚀作用是缓慢而且长期的，所以在工程建筑物的寿命之内，溶洞是可以处理的，但又是不断发育的。溶洞的出现千差万别，不同的溶洞处理也不尽相同，因此隧道施工中遇到溶洞时，处理方案不可照抄照搬，应基于较为准确的勘探资料和施工的可行性，量身定做，确定实施方案[5]。方案要遵循以下原则：

（1）安全性原则。安全性原则是贯穿整个工程项目最重要的原则，其他所有条件都是在安全性的基础上讨论的，所以安全性原则也是最基本的条件。一个方案如果不能保证安全性，则该方案是不可实施的。因为一旦实施，就有可能会造成生命和财产的重大损失。安全性原则包括两方面的内容，施工的安全性和后期运营的安全可靠性，两者缺一不可，均应引起足够重视。安全性在很大程度上取决于工程技术人员的专业素养和专业知识水平。

（2）可行性原则。遵循可行性原则，就是在保证满足安全性的基础上，充分考虑施工条件和施工场地，制定出可以付诸实施的方案。只有可行性得到满足，施工方案才是真实有效的方案。可行性原则一方面取决于施工队伍素质的高低和所配备机械设备的先进性;另一方面也取决于实际工程的施工场地限制。由此可见，专业知识、现场施工条件、作业队伍施工水平等方面，是保证方案可行性的必要条件。

（3）经济性原则。经济性得到保障，工作人员的积极性就有可能提高，方案才可以比较好地得以贯彻落实。经济性原则更体现了绿色交通和可持续发展的理念。满足经济性原则，往往需要统筹兼顾，放眼全局，保证连续性和可靠性，避免后期的返工。

隧道施工中遇到揭露较大的溶洞时，对于隧道拱顶上部的空腔，需进行网喷支护或喷锚支护;侧边的空腔视大小而决定采取反压回填或者加厚衬砌边墙等措施。溶洞的处理不可走经验主义道路，需要专业人员进行详细勘察后，准确得出溶洞的水文地质特点、溶洞与隧道的位置关系，再由专业人员制定实施方案。方案的安全性、可行性和经济性实际上是相辅相成、互相影响的，不可孤立进行考虑。

2 溶洞的处理方法

本文以崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工项目为基础，对隧道穿越溶洞的方法做对比分析，最后得出适合的施工方案。

2.1 隧道和溶洞的基本概况

上金隧道采用分离式设计：右线（KA线）进口桩号为KA24+274，进口路面设计高程约127.031 m，出口桩号为KA27+280，出口路面设计高程130.829 m，隧道全长3 006 m，最大埋深约257 m;左线（KB线）进口桩号为KBK24+279，进口路面设计高程约127.121 m，出口桩号为KB27+294，出口路面设计高程约130.669 m，隧道全长3 015 m，最大埋深约260 m。该区域地表为岩溶洼地，地表高程處于第三阶梯，为推测断层破碎带，岩体破碎，以碎裂岩为主。拱顶稳定性差，可能出现掉块、崩塌的现象。地表、地下岩溶均十分发育，隧道中遇到较大溶洞或纵深裂隙可能性大。涌水灾害等级为严重，雨季极易发生突水、突泥等不良事故，尤其要重视隧道排水。

溶洞位于上金隧道左幅KB25+215～KB25+233段仰拱底部，沿龙州方向左侧发育，且溶洞的左下方和右上方存在5处支洞，支洞走向基本与推测断层走向一致（见图1）。现场调查左江大桥段最高水位是120.168 m，进口最高水位是116.467 m，溶洞底标高为122.15 m。该溶洞无常年地表水径流，溶洞与左江距离约370 m。隧道范围内溶洞底部纵向长度约22.13 m，横向长度约8.57 m，溶洞底部至仰拱底距离约13.83 m（见下页图2），垂直于主线方向向下发展，贯穿左侧仰拱底板向左侧发展，左侧发育深度初步探测≥150 m。溶腔右侧底部有大量填充物（黏土），溶洞大桩号侧底部有积水（见下页图3）。根据隧道地勘报告，该溶洞位于次级断裂影响范围处，该次级断裂与隧道斜交，从左往右发育，结合断裂发育情况，推测该岩溶与左江相通的可能性较大。

2.2 方案的比较

经初步分析，考虑了4种处理方案：

（1）方案一：跨越溶洞。在隧道仰拱底部设置一道跨越溶洞的板，纵向设置支撑墙为板提供支撑，在板内布置横向受力筋。纵向支撑墙预留3处过水通道，避免破坏原有排水通道。该方法的特点是需要处理支撑墙的基底。主要工程量为：梁板C40混凝土约373 m3;支撑墙C30混凝土约405 m3;钢筋约90 000 kg;钢管860 m。造价约66.7万元。

（2）方案二：跨越溶洞。在隧道仰拱底部设置一道跨越溶洞的板，板底下沿行车方向设置一纵梁于板的边沿，横向设置支撑墙为梁板提供基础，减小纵向跨径，布置纵横向受力钢筋。其特点是原有排水通道基本不受影响，需处理支撑墙基底及清理掉落的洞渣。主要工程量为：梁板C40混凝土约467 m3;支撑墙C30混凝土约311 m3;钢筋约90 000 kg;钢管714 m。造价约70万元。

（3）方案三：跨越溶洞。在隧道仰拱底部设置一道跨越溶洞的板，板底下沿行车方向设置纵梁于板的边沿。特点是不对溶洞原有的排水通道造成任何破坏，且施工难度较低，不需要进行基底处理，但需要精确计算梁板的受力情况，并确保其安全性。主要工程量为：梁板C40混凝土约435 m3;钢筋约90 000 kg。造价约56.3万元。

（4）方案四：回填通过。整体回填会造成原有排水通道破坏，不利于排水。片石混凝土施工工艺简单，但质量难以保证，且后期运营中透水层、泄水口均易堵塞，容易造成后期安全隐患。主要工程量为：C15片石混凝土约1 562 m3;C30混凝土约450 m3。造价约68.2万元。

以上四种方案均具备可行性。综合各方面因素考虑，为减少后期运营风险，溶洞水宜疏不宜堵，溶洞内水系应保持畅通，宜采用梁板跨越方案处理，但方案三属于相对冒险的方案，论证后不予采用。方案一虽然预留有过水通道，但施工过程中易造成堵塞。结合溶腔内有大量填充物（黏土）这一调查实情，预测预留过水通道效果不能得到永久保证，最终采用方案二对该溶洞进行处治。

2.3 方案的分析

方案实施示意图见图4～6。

该方案充分考虑衬砌传到梁板的荷载，并进行内力分析和配筋计算。板的计算按照单向板进行，配置横向受力钢筋。地基梁按连续梁进行分析，考虑中间支点处的负弯矩和跨中正弯矩，配置纵向受力钢筋和抗主拉的斜筋，同时验算梁的裂缝。方案中的板和梁均为C40混凝土，采用HRB400钢筋。方案中设计板厚1.2 m，计算得单位板宽跨中弯矩和支点剪力分别为631 kN·m和428 kN，所需配筋面积为2 260 mm2，选取1622 mm（外径25.1 mm，间距12.5 cm）钢筋，提供的钢筋截面面积As=6 080 mm2，受拉钢筋按2排布置，同时对称配置1排受压钢筋。经验算，斜截面剪切强度、截面最大裂缝、正截面抗弯承载力等均满足规范要求。梁的设计尺寸为2.5 m×2.5 m，梁跨最大正弯矩为13 275 kN·m，支点处负弯矩为23 312 kN·m，支撑墙处剪力为10 497 kN，基岩处剪力为6 258 kN。经计算，梁的负弯矩处选取7228 mm（外径31.6 mm）钢筋，提供的钢筋截面面积As=44 352 mm2，钢筋按3排布置即可满足规范要求;正弯矩处选取4828 mm（外径31.6 mm）钢筋，提供的钢筋截面面积As=29 568 mm2，钢筋按2排布置即可满足规范要求。

3 结语

溶洞的处治一直是隧道施工的关键点之一。本文分析了溶洞隧道的施工难点和确保施工顺利完成的重要性。结合溶洞的特殊性，介绍了处理溶洞隧道的原则，即安全性原则、可行性原则和经济性原则。并以崇水高速上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項目为基础，对多个隧道穿越溶洞的方案进行对比分析，得出适合的施工方案，而且对施工方案做了进一步分析和计算，从理论上保证了安全性。本文提出的处理溶洞隧道的思路和解决方案，可为类似工程提供参考和借鉴，具有现实意义。

[1]杨永胜.谈铁路隧道溶洞处理技术[J].工程建设与设计，2018（9）：145-146，151.

[2]TZ 214-2005，客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].

[3]刘招伟，张民庆，王树仁.岩溶隧道灾变预测与处治技术[M].北京：科学出版社，2007.

[4]赵兴华，上官洲境，陈建光.岩溶发育地区隧道溶洞处治方法[J].西部交通科技，2018（5）：135-139.

[5]毛忠海.浅谈隧道施工溶洞及塌方处理[J].门窗，2017（10）：221.