隧道工程中溶洞施工主要技术研究

王吉辉

文章分析了溶洞的结构特征及其对隧道施工的影响，介绍了常用的隧道溶洞施工技术，并以广西谢家峒隧道溶洞施工为例，阐述了该隧道溶洞的处理方案，为减少隧道溶洞施工事故提供参考。

隧道;溶洞施工;混凝土

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0 引言

溶洞多发生在喀斯特地貌条件下，其形成通常经过复杂而漫长的地质演化过程，并伴随有常年的冻融和酸碱作用。溶洞地质结构中多见沟槽、缝隙及洞穴，常年的地质作用和地下水运动改变了溶洞的结构和富水量，一般溶洞为有水溶洞或富水溶洞。除了自然地质构造的因素外，人类活动因素也会生成一定规模的溶洞，例如地质勘测和工程施工等，都会引起溶洞结构的改变。

1 溶洞的结构特征和对隧道施工的影响

1.1 地质结构特征

溶洞多见于石灰岩区域。溶洞地区的地下水非常丰富，节理十分发育，且溶洞内部多含有岩体溶蚀物，包括一些较松散的砾石。岩溶区域范围内的溶洞通常不是独立存在的，而是连续多处彼此贯通，富水溶洞含有地下水、缝隙水和地表水，溶洞地下水伴有泥砂等颗粒物。溶洞周边的围岩一般岩性较差，受地质运动影响，极易发生坍塌、开裂或脱落等灾害，这种情况会随着时间的增加而进一步加剧。

1.2 溶洞对隧道施工的影响

出现在隧道底部的溶洞，其填充物较为松散，厚度较大，给隧道的基底施工带来一定的难度。当溶洞出现在隧道的侧墙位置时，容易导致含水填充物向隧道内部涌入。而当溶洞出现在隧道拱顶位置时，隧道围岩极易破碎、坍落。因此，无论溶洞在隧道任何方位出现，均会给隧道的施工带来诸多不利影响，且夹杂有大量颗粒状的泥砂和碎石的溶洞涌水，还可能引发隧道施工事故，对隧道周边的生态环境也会产生一定的影响[1]。

2 隧道工程中溶洞施工主要技术

2.1 地质勘测分析

施工前应进行严格的地质勘测，对于大面积溶洞地区应充分重视，针对地表溶洞展开具体的地质勘测，如地表水（河流、湖泊）分布情况等，包括各类沟谷的分布情况，明确溶洞的具体规模，确定其与隧道的位置关系。综合地质勘测分析，掌握隧道周围溶洞的具体位置、规模，水流及来源，填充物成分及围岩稳定性等。经过详细的地质勘测分析后，应出具地质勘测报告，标注溶洞具体位置，为隧道安全施工准备措施的制定提供相应依据。

2.2 雷达射线技术

通过雷达射线技术能够进一步明确溶洞的具体位置。当隧道掘进距离溶洞30 m时，通过地质雷达再次对溶洞进行测量，确认溶洞的位置、规模，并初步分析填充物以及围岩的岩性。当掘进距离溶洞10 m时，通过钻孔的方式详细观测溶洞，查看溶洞是否存在涌水情况，判断涌水量和其中的泥砂量以及涌水补充来源、围岩的稳定性等[2]。

2.3 溶洞水引、排措施

当溶洞与暗河、地表河或沟谷连通时，应通过引、排水的措施来控制溶洞水系水量，依据溶洞水流量大小、含砂量来决定采用暗管或涵洞等方式引排水。对于隧道深处大量涌水的情况，应使用支洞或平行洞的方式进行排水。

2.4 溶洞填堵措施

对于小规模的无水溶洞，可使用浆砌片石等填充物进行填堵，也可使用0.6 m以上厚度的钢筋混凝土对衬砌结构进行加固。对于隧道拱顶上部的溶洞，应进行锚喷支护，然后根据设计施工方案进行衬砌，在拱背增加护拱支护。为防止施工时二次涌水，应在衬砌结构中设置120 mm以上的大孔来作为排水孔，并增加孔间距以提高引排水效率。

2.5 加固与跨越溶洞区域施工

对于大规模的溶洞来说，当位置较深时应使用梁或拱跨越，例如当溶洞位于隧道边墙时，可加固隧道的边墙基础。当深度非常大时，可使用钢筋混凝土跨越。当溶洞位于隧道底部时，如果溶洞水位相对于隧道底部较低，应使用支墩或梁板来跨越。当溶洞涌水量很大且有泥石流等灾害发生的风险时，将给溶洞施工带来较大挑战。为保证工期节点进度，可另设迂回导坑来跨越溶洞区域，再进行施工。上述针对隧道内部溶洞情况的施工方案，应根据实际工程的具体情况来综合判断并使用[3]。隧道工程溶洞施工主要技術如表1所示。

3 广西谢家峒隧道溶洞处理

3.1 隧道概况

谢家峒隧道位于广西境内河池至都安高速公路宜州市的龙头乡，该隧道采用双向分离式，洞高为7.25 m，宽度为11.7 m，左、右线起止桩号分别是ZK27+740～ZK29+003和YK27+740～YK29+059，设计长度分别是1 267 m和1 322 m。左线进、出洞设计高程分别为190.153 m和163.848 m，最大埋深约为340 m。右线进、出洞设计高程分别为189.914 m和162.500 m，最大埋深约为350 m。断面采用圆曲墙式，半径为5.95 m，建筑界限净宽10.85 m。该隧道区位于岩溶谷地，穿越三座山峰，中部较高而两侧较低。

3.2 溶洞处理方案

溶洞处理一般采用复合地基、加固和二次衬砌施工。洞壁坍落后有明显缝隙，溶腔渗水非常严重，有继续渗透坍落的风险，溶腔壁围岩多为石灰岩，裂隙间为黄色黏土填充，局部有多次塌落现象，计划采取先回填溶洞再分部开挖的方式。由于无法确定溶腔壁围岩实际稳定性，为保证施工过程的安全性，计划先使用低强度C20型混凝土回填，然后进行主洞的开挖施工，初期支护使用型钢钢架，二次衬砌使用钢筋混凝土，而基底部分使用钢管桩进行施工。总体施工结构如图1所示。

4 混凝土回填过程

泵送混凝土回填：26～30 m范围使用短臂天泵施工，两侧10 m范围使用预埋泵进行混凝土回填。施工过程中应尽可能在隧道轴线内使用碎石回填，根据施工现场的实际情况，当达到一定的回填高度后使用C20混凝土进行回填。

4.1 溶腔中部回填

（1）对溶洞口位置的围岩进行加固支护，对溶洞口附近的施工现场进行平整和压实;（2）依据溶腔实际高度来使用短臂架泵车，设置在溶洞口附近平整处，保证短臂架能够全部伸开;（3）溶洞外已进行过二次衬砌的施工人员，进行远程遥控布料，由最远处逐渐向溶洞口泵送，此过程应适当放缓;（4）在溶洞口位置布设支架模板，预留泵送的管道，将端部用混凝土封闭;（5）回填时应与围岩面成一定的斜角，保证混凝土回填处于最佳状态，抵消偏压引起的隧道结构破坏[4]。

4.2 溶腔两侧回填

天泵无法在溶腔两侧附近施工，因此应使用地泵进行混凝土的回填，具体步骤如下：（1）在已完成初期支护的拱顶位置布设4～5个钻孔，钻孔的直径应>120 mm，角度应在30°～60°之间，泵送管的长度应>6 m，末端使用砂浆锚杆固定;（2）在使用C20进行断面封闭时，施工技术人员应随时观察并测量泵送效果，达到方案设计标高后可停止泵送;（3）在封闭端头之前，应在围岩以及泵送管上标记泵送的高度，通过安装在溶腔中的高清摄像头来观察混凝土泵送过程和回填的高度。

5 开挖、支护和衬砌施工

5.1 开挖施工

开挖过程中应尽量使用机械炮锤和风镐，机械开挖与人工开挖相结合，在使用爆破开挖时应控制好炸药量。开挖过程控制方案如下：（1）对各循环进尺应严格控制，掘进尺应<50 cm，开挖结束后应及时进行支护和喷锚，可使用3.5 m的42×4 mm的径向导管;（2）开挖前标注开挖轮廓线，控制欠挖和超挖情况的发生，加强已完成的初期支护工段的监测，分析监测数据并指导开挖施工过程。

5.2 初期支护施工

开挖达到标准后使用全站仪、水准仪进行放样。放样位置包括型钢钢架拱脚和顶板，应确保两侧拱顶和拱脚位于同一桩号上，误差控制在5 cm以内。在拱脚两侧设两根42×4 mm，L=350 cm的小导管，与水平面呈30°夹角，尾端应固定在型钢钢架上，必要时对小导管进行加固。纵向钢筋的焊接长度应>10 cm，使溶腔初支成为一个整体[5]。

5.3 二次衬砌施工

谢家峒隧道溶洞使用80 cm厚的C25型钢混结构，具体的施工工艺和施工流程与常规的隧道段二衬施工方案相同，在此不作赘述。

6 结语

我国广西地区多为喀斯特地貌且伴有大量的天然溶洞，在这种岩溶地质结构下的隧道工程中，溶洞的施工方案和施工工艺对于隧道工程的质量具有直接影响。本文深入研究了隧道溶洞的施工过程，包括混凝土的回填、隧道开挖、支护和衬砌施工等部分，阐述了各施工环节应注意的一些问题。

参考文献：

[1]孙 强，胡书桥.鸳鸯会隧道开挖变形分析及控制措施[J].工业建筑，2011，41（12）：137-140.

[2]孙 尚.渠复杂形态溶洞精细化表征及其对盾构隧道施工围岩稳定性的影响研究[D].濟南：山东大学，2019.

[3]刘 荣，陈 斌.基于公路隧道工程岩溶施工技术[J].交通世界，2018（5）：88-89.

[4]朱浩博.岩溶隧道底板安全厚度预测模型研究[D].北京：北京交通大学，2013.

[5]薛国强.深部复杂条件下岩溶隧道破坏机理及控制对策研究[D].太原：太原理工大学，2018.