公路隧道充填型溶洞处治方案设计

张 超， 吴 华， 姜同虎

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

岩溶是公路隧道施工过程中常见的不良地质问题之一。国内外学者针对穿越岩溶区隧道的设计与施工开展了一系列研究。罗琼[1]以新建渝怀铁路圆梁山隧道施工实践，总结了隧道岩溶及岩溶水的处理途径和高压富水岩溶隧道的施工技术。蒋树屏等[2]从超前地质预报、防排水技术、结构处治技术以及通风技术等4个方面对岩溶地质特长隧道的关键技术问题及对策进行了阐述。刘招伟等[3]通过现场调查、数值模拟与理论分析相结合的研究方法，总结了隧道岩溶突水机制和防治对策。李术才等[4]系统总结了隧道建设过程中地质缺陷超前勘探方法和高压大流量岩溶裂隙水超前预报方法。薛俊峰[5]通过采取多种超前地质预报手段探测岩溶发育规律，并针对性地给出了岩溶的有效处理措施。宋瑞刚等[6]从勘察设计角度总结了岩溶发育区地质地貌基本特征，并针对性地给出了岩溶区隧道设计要点和施工对策。鄢定媛等[7]以那丘隧道为对象，通过对桥梁、回填、改线等溶洞处治方案的比选分析为今后廊道厅堂式溶洞的处治提供了参考。孙柏林等[8]通过比较分析各种塌方处治的优缺点，提出了岩溶区隧道充填型溶洞塌方处治优化方案。周超[9]针对徐州地铁1号线施工遇到的岩溶问题，总结出了徐州地区岩溶发育特点及分布规律，研究出了适用于徐州灰岩地区的岩溶处理方法。蔚立元等[10]综合采用地震方法和电磁方法对阳灵隧道断裂带开展了超前地质预报研究，并提出了用三台阶法和双层钢拱架支护通过岩溶影响段施工。

本文以狮子岭隧道工程为对象，针对狮子岭隧道穿越岩溶区过程中遇到的充填型溶洞问题，考虑该隧道工程地质及水文情况，结合超前地质预报结论，研究制定了充填型溶洞处治方案，为今后公路隧道充填型溶洞处治的设计与施工提供了参考。

1 工程概况

狮子岭隧道是在建的德州至上饶高速公路池州至祁门段的一座分离式长隧道。狮子岭隧道右线起止桩号K37+629-K38+952，长1 326 m，最大埋深约254 m，左线起止桩号ZK37+590-ZK38+930，长1 340 m，最大埋深约253 m。隧址区地貌为皖南中低山区，地层岩性主要为强～中风化灰岩、全～中风化砂岩。隧道进洞口岩溶较发育，多为溶隙，溶隙宽5 cm，长2～2.5 cm，每米2～3条，溶洞直径约1 m，洞深未知，大雨期间有水流出，图1所示为狮子岭隧道进口溶洞照片。

图1 狮子岭隧道进洞口溶洞照片

狮子岭隧道右线K37+850-K38+330段穿越围岩为中风化灰岩，岩性较硬，节理裂隙发育，岩体较完整。该段埋深为135～250 m，且隧道设计底板标高为84.0～89.6 m，隧道设计标高位于该区域岩溶发育带中，基岩裂隙水欠发育，雨季地下水可沿裂隙渗水滴水，围岩稳定性一般，属Ⅲ级围岩。原设计采用Ⅲ型衬砌，初期支护采用12 cm素C25早强混凝土，系统锚杆采用φ22早强砂浆锚杆(锚杆长2.5 m，间距@120×120 cm)，无超前支护，二次衬砌采用35 cm素C30混凝土，施工工法采用全断面法。

2 溶洞揭露情况

2019年2月28日，狮子岭隧道右线开挖至桩号K37+979位置时，发现掌子面外侧拱腰处揭露一溶洞，溶洞直接约0.5 m，随着挖机不断地排险、敲击，溶洞口呈扩大趋势，并有黄色软泥出现，地下水呈股状夹带软泥涌出，如图2所示。

图2 2月28日溶洞揭露照片

3月2日，右线掘进至桩号K37+980位置后，溶洞开口变大，长约8 m，高约5 m，前方可视深度约8 m，可见溶洞右侧壁超出轮廓线约3 m，溶洞顶超出拱顶约3 m，间断有突泥、涌水现象，如图3所示。

图3 3月2日溶洞揭露照片

3月8日，经逐步打开左侧基岩，开挖至桩号K37+983.5位置，可见溶洞往左侧发展，左侧超出轮廓线约5 m，地下水稳定，无明显异常现象。3月9日，掌子面左侧出现突泥、涌水现象，并有急剧趋势，经测算本次突泥量约800 m3。施工单位现场立即暂停掌子面开挖，封闭掌子面，并及时撤离人员和设备，做好现场警戒，分析研究制定溶洞处治方案，如图4所示。

图4 3月9日溶洞揭露照片

根据超前地质预报结果，通过调查、检测手段，初步认为该溶洞为灰岩受构造运动形成裂隙，裂隙在地下水作用下溶蚀，同时被溶蚀残留物充填形成的，为泥质充填型溶洞。充填物为软塑状黏性土，总体认为掌子面前方仍属于充填型溶洞发育区，延伸范围15～20 m，溶洞规模较大。

3 溶洞处治方案

经隧道掘进施工，及时采取超前地质预报、检测等辅助手段，不断揭露狮子岭隧道右线溶洞发育情况，初步探明溶洞边界大小及发育趋势， 参建各方共同研究拟定了如下处治方案，如图5所示。

图5 充填型溶洞处治方案示意图

(1)临时反压掌子面。清除突泥后，为防止后期突泥和涌水影响溶洞处治施工甚至人员和设备安全，拟对掌子面采用洞渣进行反压，并采用30 cm厚C25喷射混凝土、φ22早强砂浆锚杆(锚杆长3.5 m，间距@100×100 cm)及φ8钢筋网(@20×20 cm)进行封闭加固，确保施工安全。

(2)已开挖段衬砌加强设计。待掌子面反压回填及封闭加固处理完成后，针对已开挖段围岩初期支护拱架采用I18工字钢拱架，拱架纵向间距50 cm，C25喷射混凝土厚度为24 cm，系统锚杆采用φ25中空注浆锚杆(锚杆长3.5 m，间距@50×100 cm)，二次衬砌采用45 cm厚C30钢筋混凝土。

(3)已开挖段环向注浆加固。针对已开挖段拱顶上方溶蚀裂隙，待初期支护施作完毕，再进行环向注浆加固，注浆钢管采用φ50×5 mm钢管，长4.0 m，环向间距150 cm，纵向间距150 cm，注浆浆液全部采用M10水泥砂浆。

(4)溶腔段施作护拱和挡墙。对于溶腔段，在左侧溶洞采用C25混凝土，第一层浇筑2.5 m厚、3.0 m高挡墙，第二层浇筑2.0 m厚、2 m高挡墙，右侧采用C25混凝土浇筑2.0 m厚、3.0 m高挡墙，并在起拱线以上预留钢拱架位置。然后沿初期支护轮廓断面架立I20a钢支撑，间距60 cm，在拱架外侧架立φ8钢筋网片(@20×20 cm)，作为护拱的骨架钢筋，并预留φ300 mm混凝土输送钢管，及时施作初期支护和二次衬砌，待主体结构有一定承载能力后，护拱上浇注约2 m厚C25混凝土，以掩护施工操作。溶腔段26 cm厚C25早强混凝土，二次衬砌采用60 cm厚C30钢筋混凝土。

(5)吹填细沙。待溶腔段护拱、初期支护及二次衬砌施工完成，待主体结构具有一定承载能力后，在护拱外侧吹填约3.0 m厚细沙作为缓冲层，防止溶腔内突泥或落石等对隧道结构造成不利影响。

(6)施工工法调整。鉴于溶洞段围岩稳定性较差，原设计的全断面法施工已不再适用，针对右线充填型溶洞实际情况，结合该段衬砌支护施工，建议溶洞段采用环形开挖预留核心土法施工，施工过程中严格控制开挖步距，遵循“先加固，后处理，强支护，稳通过”的处理原则。

(7)辅助措施。隧道穿越溶洞发育区时，应加强地质超前预报，尤其是超前探水工作。在溶洞处理中，不得阻断溶洞内泄水通道，溶洞发育区段环向排水管应加密，引排岩溶裂隙水，避免对隧道造成水害，并制定紧急情况下的人员疏散方案，如发现涌水、突泥迹象，应首先疏散人员，确保施工安全。

4 结 论

本文根据狮子岭隧道溶洞揭露过程的实际情况，考虑该隧道工程地质及水文情况，结合超前地质预报结论，研究制定了充填型溶洞处治方案，即采用结构加固、设置护拱和挡墙、施工工法调整、加强防排水及监控量测等措施综合处理，为今后公路隧道充填型溶洞处治的设计与施工提供了参考。