高速公路隧道穿越溶洞段处治技术分析

林高勃

云南省公路工程监理咨询有限公司

1 引言

在建设具有岩溶洞穴地质特征的公路隧道时，必须做好地质预报，观测和测量工作，密切关注岩溶洞穴的稳定性，洞穴形状特征，并在整个施工过程中对隧道的测量要素进行观测，以确保质量和安全性。建设单位要高度重视信息反馈和应急机制，在处理过程中要保持密切沟通和关注，以确保实施计划的有效实施。

2 施工难点与施工现状

2.1 穿越岩溶洞穴段的公路隧道施工的难点

我国穿越岩溶洞穴段的公路隧道施工的难点在于施工区岩溶洞穴的地质条件和水文地质环境复杂及溶洞的隐蔽性，特别是浅埋地段的溶洞，溶腔内时常填满泥浆、碎石等充积物，在不同区域的岩溶洞穴地质环境又有不同的特征，因此给超前地质预制报的准确性也带来了一些难度。为此，溶洞段隧道施工，在施工前必须采取更加谨慎，稳妥的超前地质预报检测。所以施工前必须认真做好超前地质预报，根据施工现场的具体地理环境和公路建设的工程要求，为穿越岩溶洞穴断面的隧道制定科学合理的施工方案。穿越岩溶洞穴断面的公路隧道的岩溶洞穴环境通常包含复杂的岩溶洞穴地质环境，岩溶洞穴大小不相同，分布不相同，不同的地质构造和填充度，不同的岩壁含水量，从而导致穿越岩溶洞穴的公路隧道施工技术难和施工风险高。所以工程施工技术人员需要观察和测量隧道穿越段的岩溶洞穴大小和分布、岩溶洞穴的整体地理环境以及形成原因，并且需要对岩溶洞穴的内壁和隧道穿越地段进行特殊工程技术分析。为了更好地应对施工过程中的意外情况的发生，更好地完成岩溶洞穴隧道穿越段的施工任务。当隧道通过岩溶洞穴部位时，有必要借助先进的测量工具来观察和分析岩溶洞穴部分的地质环境。这就要求在穿越喀斯特溶洞段的施工技术人员具有丰富的施工经验及较强的技术能力。同样，先进的处理技术在穿越岩溶洞隧道中的应用可以更好地使穿越岩溶洞段的隧道工程建设得以实施，并确保隧道建成通车后岩溶洞段的运营效率和安全性[1]。

2.2 穿越岩溶洞穴的公路隧道建设现状

由于我国地理地广，环境复杂，全国各地地质环境各不同，随着我国道路交通的发展，高速公路隧道的建设随时会遇到复杂的地质环境，施工困难。同时，我国的高速公路网正在全国范围内建设。为了更好地解决施工过程中遇到的困难并积累在不同地质条件下的施工经验，工程技术人员必须在建设过程中不断地克服和解决问题，其中穿越岩溶段的公路隧道技术问题也是隧道施工过程中最为常见，也是最需要谨慎解决的问题。此外，我国广阔的高速公路多半在山区修建，公路隧道往往又作为高速公路修建的控制性工程。而溶洞往往在隧道修建的过程中才具体发现，如发现熔岩洞穴后，因为熔岩洞穴的施工难度，想对隧道的穿越线路进行修改为时已晚，因此我们不得总结和分析隧道熔岩洞穴施工经验。简而言之，修建隧道，不得不做好穿越岩溶洞穴的难题的思想准备工作。由于某些地区经济发展相对落后，建设项目的成本相对较低，不利于高端设备和高端的施工技术人员。先进的建筑设备的投资给穿越岩溶洞穴部分的公路隧道的施工带来了经济困难[2]。因此比较经济及可行的方法是不断总结及积累相关穿越溶洞段的隧道施工经验。

3 高速公路隧道穿越溶洞段的处治技术

3.1 穿越岩溶洞穴断面的公路隧道处理技术的应用

在特定的施工过程中，穿越岩溶洞穴断面的公路隧道处理技术的应用，将直接影响穿过岩溶洞穴断面隧道的施工质量。首先，由于施工区岩溶洞穴的地质环境复杂，施工人员需要对岩溶洞穴进行特殊处理才能满足工程的施工要求，具体的处理方法包括对洞壁的改造，加固洞穴，洞窟底部基础的改善等。另一方面，熔岩洞穴处理方法的得当实施，将为穿越岩溶洞穴段隧道施工提供安全保障和保证质量及节省经济提供有力的帮助。

3.2 浅谈较为常见公路隧道岩溶洞穴段的处置方法

处理穿越岩溶洞穴部分的隧道，溶洞位置处于隧道基础及路面往下时，必须要考虑到岩溶洞穴部分会由于原填充物的存在的使随到地基承载力不足，而引起隧道的不均匀沉降，从而起隧道结构层及路面的开裂，同时要考虑隧道渡过岩溶洞穴时对岩溶洞穴原有构造的影响，从而影响到经过原溶洞的水系、溶洞断面等，因此必须建立科学合理的基础支撑结构或防护结构，以更好地满足隧道溶洞施工方案的实际需要[3]。从而避免隧道建成后出现渗水、隧道衬砌结构及路面开裂变形等情况。因此较为常见的熔岩洞穴一般处理情况分为以及几种。

3.2.1 位于基础及路面一下的熔岩洞穴

（1）先对溶洞进行详细勘察，如溶洞为单一溶洞，规模不大（溶洞发育深度小于3m），无流动水，出水量较小时。可采用片石混凝土回填法，即对溶洞内杂物进行清理，清理完成后采用低强度等级片石混凝土进行回填，回填至结构层位置（回填厚度一般不小于1.5m，视溶洞的规模及地质结构而定）。同时做好防排水，根据溶洞出水情况，至少按每隔2m 布置一道透水管与侧水沟相连，把水引进侧水沟。溶洞处理完成后结构层按正常施工即可。

（2）如基础及路面下有大型溶洞，且其中有大量松软不稳定的填充物，填充物又无法清理时，这种情况一般可采用跨越处理。当溶洞在某一方向宽度较窄时，可采取钢筋混凝土梁跨越，同时做好堵排水措施。当溶洞发育相对较宽，隧道底部填充物无法采取换填处理时，可考虑桩基托梁跨越处理，桩长及桩位的置布设根据围岩情况及溶洞位置具体而定。如溶洞范围涉及隧道边墙位置，桩基位置应设置在二次衬砌边墙脚下，以承受二衬及围岩荷载，避免因隧道沉降不均匀而引起结构性的破坏，同时做好防排水措施。

3.2.2 岩溶洞穴位于隧道拱腰以上的处理

在穿越岩溶洞段的公路隧道施工过程中，岩溶洞穴位于隧道上部时，其顶壁的处理质量将直接影响穿越岩溶洞段的隧道的总体质量和总体安全性。因此，在施工过程中，必须着重清理洞穴表面和墙壁上的危险岩石及填充物，如溶洞过大过高，可不必完全清除，只需清除高度2m 左右即可，但必须确保施工的安全，保证施工过程中原填充物不塌陷，避免造成人员伤亡。在溶洞填充物按预定方案清理完成后，可采用喷射混凝土的方法对溶洞进行初步处理，同时可根据溶洞的大小，适当增加锚杆、钢筋网片及超前小导管进行封闭，以确保溶洞的稳定性，同时做好溶腔的排水工作。如溶洞处于浅埋地段，溶洞发展的深度无法确定随时，还需根据溶洞的走向，安排人员至隧道顶（山顶）进行排查，查看溶洞是否已贯穿至地表，如已贯穿至地表还需对地表溶洞进口处进行封闭处理，避免地表水灌入溶洞内，从而引起坍塌。如溶洞较高深又无填充物或即洞穴显穹顶形，这时应先想考虑的是加强该部的防护，不能因溶洞在拱顶又无填充物，认为不影响到隧道的施工及受力而置之不理，而盲目的进行初支及二衬的施工，否则隧道在运营过程中可能会因溶洞的进一步发展而对二衬的受力结构有所破坏，或因溶洞的坍塌、掉块而砸到此处二衬，该处二衬在受到坍塌、掉块冲击力作用可能会因此而遭到损坏。因此应对该处进行加固，一般情况可采用增加护拱形式进行加固，即采用泵送混凝土在开挖轮廓线外增加一道强度不少于C25（强度视溶洞跨度及岩石情况而定，一般情况与二衬强度相同即可）的混凝土护供，护拱最薄处应不少于50cm（以溶洞结构情况进行调整，可适当增加厚度）两侧要嵌入岩石不少于50cm（可根据围岩情况增加调整入岩深度）。在施作护拱的同时要注意预留管道，即从溶腔内往隧道内预埋管道（管道直径的大小只要能满足通过设备能把细砂吹进溶腔即可）作为以后吹砂回填所用。护拱施作完成，且强度满足要求后从预留管道往溶腔内吹填细砂，吹填厚度不宜少于1m。细砂主要起到缓冲作用，防止溶腔掉块或坍塌而直接冲击隧道的衬砌结构。护拱施作完成后再施作原有结构的喷射混凝土和钢筋网片初期支护等，同时做好防排水措施。

3.2.3 岩溶溶洞在隧道侧壁的处理

岩溶溶洞在隧道侧壁时，在对溶洞的处理时，应考虑溶洞开挖面围岩悬空对溶洞总体稳定性的影响，并且在施工过程中溶洞悬空面会一直存，如若悬空时间过久，在空气和水汽的作用下可能会引起坍塌。因此要考虑如何高效解决溶洞开挖面悬空的问题，保证隧道围岩的稳定，解决因溶洞的存在而造成隧道开挖面悬空可能会引起隧道局部坍塌的问题，从而保证施工的安全性，同时也要考虑悬空面处理完成后，能否解决隧道主体受力结构不受溶腔变化的影响。因此，较为简单的处理方式一般采用支撑或回填法进行处理，如溶洞面积不大，深度较浅，可在清除溶腔内杂物后采取片石混凝土回填或素混凝土回填，填满整个溶腔，同时做好防排水工作，一般采用增设DN110HDPE 透水管与侧水沟相连，透水管的密度根据出水量的大小具体布置。透水管布设完成后即可按设计施工初期支护，进行钢筋网片，锚杆等的施作，再喷射混凝土进行封闭，然后在进一步进行二衬施工。如溶洞过大，深度较深或溶腔内有填充物时，如溶腔的填充需要大量的混凝土或洞内有填充物无法对溶腔进行回填时，可在隧道开挖线轮廓范围外增设混凝土挡墙进行支撑、封闭，施作混凝土挡墙时如溶腔内有填充物，需考虑填原填充物对挡墙的侧推力，需对挡墙基础的埋深及挡墙厚度进行验算，再按验算结果进行施工。混凝土挡墙施作完成后，根据出水情况时做好防水、排水措施，把排水管接进侧边沟。然后再根据设计要进行隧道初次支护及二衬的施工。

3.2.4 未填充的洞穴和部分填充的洞穴

如果该洞穴未填，或部分填充。对于这两种类型的处理，处理情况相似，部分填充的溶洞，首先清理洞穴中无关的沉积物，然后在回填洞穴时对洞穴中的水进行处理[4]。未填充的溶洞，可对溶洞表层浮土、松散石块进行清理然后再回填洞穴，回填完成后对洞穴中的水进行处理。处理方式参考以上处理方式即可。

4 案例分析

现就林口上隧道施工过程中遇到溶洞的处治方案进行分享。

宜毕高速公路林口上隧道位于云南省镇雄县大湾镇境内左幅长615m，右幅长608m，（起止桩号ZK57+900~ZK58+515/YK57+907~ZK58+515）双向四车道，隧道主洞内轮廓高727.5cm，宽1100cm。根据勘察设计资料显示，隧道区属于基岩破碎带和裂隙带及岩溶较为发育，溶蚀中低山地貌，山间冲沟较发育，存在溶洞及暗河情况较大。因此，在隧道开始施工就进行了超前预报的监测工作，主要采用RIS-K2 型地质雷达进行检测，每25m 一循环，每循环搭接长度不小于5m。同时为了确保超前预报的准确性，成了加超前探水孔进行探测，每探孔段长度30m，开挖25m，搭接5m。这个施工方案的制定提供了更充分的时间，同时又能提高施工安全及施工质量。该隧道在具体施工过程中共出现了大大小小溶洞9 处，现就有代表性2 处处置情况进行解析。

案例1、林上隧道在开挖过程中，根据超前地质预报显示及超前钻孔在钻探过程中进尺进度和受力情况及渣样明确表示，在大约YK58+465的位置及可能存在溶洞，溶洞内有一定的填充物，为了确保作业人员的安全，离可疑点10m 时每2m 具有针对性的增加一次超前钻孔探测，并严格按三台阶、弱爆破、短进尺方法进行开挖，开挖至YK58+465.6时上台阶掌子面揭示为粉质黏土夹大量石块，掌子面拱腰偏上拱顶位置左右两侧各存在一处溶洞（图1），左侧溶洞纵向长度约3.5m，横向5.6m，高度6m，右侧溶洞纵向长度约4m，横向长度约6m，高约15m。此段原设计围岩等级为Ⅳ级，中风化灰岩夹薄层煤层，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，衬砌类型为SF4a 型，初期支护为I16工字钢，间距0.8m。

出现溶洞后，结合设计要求及参建各方对溶洞处治专题会意见，对林口上隧道该处溶洞采用如下处理方案。

①该处溶洞空腔部位采用泵送C25 混凝土浇筑护拱，护拱厚度100cm，两侧嵌入岩石内50cm，并在护拱四周施作间距1.0×1.0mΦ22的砂浆锚杆，锚杆长L=300cm，锚杆深入岩体1.5m。

②护拱施作完成后，强度达到方案制定强度时往溶腔内吹砂回填，吹填厚度100cm（吹填厚度所需砂用量根据溶腔断面积计算）作为保护层。同时对该处初期支护进行加强，原先初期支护采用I16 工字钢间距0.8m，调整为I16 工字钢间距0.4m；同时施作锁脚锚杆，长度L=300cm 及相应的钢筋网片。预埋DN110HDPE透水管，并以Ω型排水管引出。

按该方案处治后，到目前为止效果较好，未出现漏水，开裂等情况。

案例2、同是林口上隧道，施工至ZK58+257 时再次发现溶洞，位于掌子面左侧仰拱底部，溶洞显锥形，纵向长度7.5m，横向长度4.1m，深11m。原设计为Ⅲ级围岩，初支无工字钢（图2）。

出现溶洞后，汇聚参建各方对溶洞处治专题会意见，对林口上隧道该处溶洞采用如下处理方案。

由于该溶洞较深底部较小，溶洞内无水，同时几乎无填充物，因此采用比较经济简单的处理方式即可。

①对该溶洞直接采用C15片石混凝土进行回填，每个2m设置一道DN110HDPE透水管与侧水沟相通。

②考虑到溶洞附近熔岩的稳定性的问题，加强了支护，在ZK58+235~ZK58+257(隧道开挖方向由大桩号往小桩号方向掘进)段每1.2m增加一榀I16的工字钢。

图1

图2

林口上隧道在施工过程中遇到的溶洞数量多，溶洞特征多样化，有的位置处于隧道底，有的位于隧道侧壁，有的位于隧道拱腰以上至拱顶，有的位于拱顶，有的溶洞从隧道内贯穿至地表，有的填满填充物。在施工处理过程中主要根据洞穴的实际情况按以上方法进行了处置，处置效果较好，处置完成至今未发现隧道变形、渗水、开裂等情况。

5 结语

总而言之，熔岩地貌在我国分布广泛，特别是西南地区。贵州、云南相关地区的岩溶地质隧道又占我国高速公路熔岩隧道总数的很大一部分。这些地形特征严重影响了我国高速公路隧道的建设和建成后道路运营的安全性。因此，只有认真勘察，根据实际情况制定好合适的方案，严格按方案施工，才能保证隧道建成后的安全运行，同时又能减少施工成本。因此制定好穿越岩溶洞穴断面公路隧道的方案，已成为制约公路建设的重要因素，处置不好会影响着后续工程的整体质量。为了做好穿越熔岩断面隧道的建设，有必要对当地岩溶洞穴分布，类型，走向及岩石稳定性和地下水流状况进行详细勘察，并在适应地理和地质环境的条件下进行道路建设，同时在施工过程中做好技术处理工作。熔岩洞穴形成的地质分析和监控量测及以往处理的成功经验是制定方案的关键，因此通过对熔岩洞穴的分析加以以往的处置经验可以更经济、更安全的处置好熔岩洞穴，确保穿越熔岩地段的隧道建成后的安全运行，同时也减少了运营期间维护。