公路隧道施工中溶洞的处治措施分析

龙开林 王涛

（贵州省公路建设养护集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

贵州以高原山地为主，属于喀斯特地貌。山区公路修建中常采用隧道穿越山体，山体岩溶较为发育，溶洞较多，隧道工程常会遇到溶洞。溶洞处治是隧道工程施工中常常遇到的难题。公路工程隧道施工掘进过程中遭遇溶洞以及引起涌水、涌泥甚至冒顶等危及人身安全事故的情况时有发生。如何快速有效处治并安全穿过溶洞，关系隧道施工的安全、质量、进度及施工成本，同时也关系到隧道运营期的安全使用。本文以魏家地隧道施工过程中2处有代表性的溶洞处治作为案例，探讨公路隧道遇到溶洞时的处治方案。

1 溶洞的危害及对施工的影响

（1）隧道下方存在溶洞经长时间的溶蚀会减小安全厚度，使得隧道底部存在全部或部分悬空，将会降低隧道的稳定性，影响使用的可靠度；

（2）流经溶洞的岩溶水可能对隧道衬砌结构造成侵蚀，降低隧道衬砌结构牢固性，大大影响隧道的使用寿命；

（3）溶洞内填充物松软及洞体周边围岩破碎易坍塌，会改变隧道衬砌结构外围岩的应力分布形态，从而影响隧道的稳定性；

（4）溶洞冒顶后易引起周边地表、地下水土流失，使隧道上方溶洞塌陷，导致溶洞内外环境地质被破坏，是造成隧道结构不稳定的重要因素；

（5）溶洞岩质破碎，溶洞易引起涌泥、涌水、坍塌甚至冒顶危及施工安全，难于处理；

（6）位于隧道下方的溶洞，一般填充物较松软，并且较深或有水流时，使隧道基底难于处理。

2 溶洞处治步骤和措施

溶洞处治主要有两个步骤：一方面，在掘露溶洞前，需探明洞内情况、地质情况，洞顶地表情况；通常采取超前地质探测。根据地质探测情况采取合理的超前加固处治措施；合理的超前处治措施会给隧道溶洞处理带来事半功倍的效果。另一方面，隧道内溶洞掘露后，根据超前处治后的情况具体进行处治。

隧道遇到溶洞可以采取的处理措施一般有：引、堵、越、绕等方法。根据具体情况，可多种方法综合使用。在超前地质探测阶段，一般有“引、堵”方法，主要对溶洞内流体、水等进行引流或堵截；在隧道内溶洞掘露后，一般有“引、堵、越、绕”等方法对溶洞实施综合处治[1]。

2.1 超前地质探测

由于设备、技术手段、溶洞的复杂性、环境条件等因素影响，设计阶段很难准确素描溶洞的形态及准确掌握地质状况，难以准确预控隧道涌泥、涌水、坍塌等地质灾害。但为避免不良地质及施工不当所引发的地质灾害，喀斯特岩溶地貌隧道较多采用的是按地质施工同时优化设计[2]。在掘进过程中超前地质探测是关键，是隧道施工中最准确、及时掌握掌子面前方地质情况的有效手段，目前常用的超前地质探测方法如下：

（1）通过TSP203超前地质预报系统作超前探测：隧道掘进过程中，每开挖100m通过TSP203对开挖前进方向进行中长距离（100～200m）预报，对不良地质带和岩溶带进行超前地质预报。

（2）掌子面的周边探测：结合TSP203超前地质预报体现的信息，在距溶洞或其它不良地质带10m左右的掌子面及周边洞壁8～15m范围利用地质雷达进行全部扫描探测，可更准确探测溶洞情况。

（3）掌子面超前地质钻孔探测预报。在隧道施工通过岩溶、不良地质段时每开挖20m采用超前地质钻对前进方向进行20～30m的钻探。进一步探明溶洞位置、纵向长度，填充物质及形态。钻机钻孔时要固定牢固，并安设孔口管及高压闸阀，当超前钻孔涌出高压地下水时，确保能够有效地控制。在掌子面采用开挖钻机打深5m的钻孔，对前方进行全方位探测，探孔沿周边布设[3]。

（4）红外线探水：隧道施工通过岩溶、岩溶水、不良地质带可能发生涌泥、涌水段，每开挖20m，对开挖面前方施作红外线探测技术，对地下水进行探测。

（5）围岩监控量测：根据监控量测方案，隧道洞内外布置测点，监控隧道围岩收敛、沉降等变化情况，设置预警值，超预警值时，及时撤离人员及设备。

（6）地表观察：察看隧道上方地表，是否有沉陷、坍塌迹象，是否有水流渗入迹象，如有，则立即停止洞内一切作业，撤出人员设备。

2.2 超前处治措施

溶洞内有填充物及水，溶洞掘露后可能会产生涌泥、涌水、坍塌等不安全情况时，需采取超前处治措施。根据超前地质探测，基本可判断溶洞位置，基本形态及洞内填充物、水的情况，根据各种情况采取超前处治措施。

（1）溶洞内有填充物的，填充物基本以土及碎碴石为主，小溶洞可通过超前小导管注浆加固，大或较大溶洞可通过超前大管棚穿过并注浆固结填充物；洞内填充物固结后再实施掘进开挖。

（2）溶洞有水流时，宜排不宜堵；在查明水源流向及其与隧道位置的关系后，采用埋管、钻孔等方式将水引出洞外。当岩溶水流的位置在隧道顶部或高于隧道顶部时，应在适当距离处，设置引水管将水位降低到隧底标高以下，再行引排至洞外。

（3）地表有裂缝、塌陷的，及时在裂缝外周边开挖截水沟，并用砂浆进行抺面，并设雨棚进行遮盖。防止地表水渗入坍体或地下,以免坍方扩大。

2.3 揭露后的处治措施

经过超前处治的溶洞，可以按“短进尺、弱爆破”控制向前逐渐掘进，直至将溶洞在隧道内揭露。根据超前处治后的效果及揭露后的具体情况，采用多种方法综合进行处治。

引：溶洞揭露后有水流时，宜排不宜堵；需仔细查明水源及流向及其与隧道位置的关系后，埋设暗管、涵洞等设施或钻泄水洞将水引出洞外。当岩溶水流的位置在隧道顶部或高于隧道顶部时，应在适当距离处，设置引水管将水位降低到隧底标高以下，再行引排至洞外。

堵：溶洞较小、深度不大或干溶洞或填充物较少时，可采用混凝土、浆砌或干砌片石或石碴回填封闭。隧道顶较小溶洞，可采用超前小导管注浆加固与双液浆进行堵水，较大的溶洞采用超前大管棚注浆加固土体。发生涌泥及上部存在空腔的，在衬砌外拱顶设置护拱。

越：较大、较深不宜回填处理的溶洞或溶洞内有暗河穿越的溶洞，宜采取梁、拱等方式跨越通过。

绕：溶洞较大较复杂，处理非常耗时的，且隧道边侧有条件施作导洞的，可采用迂回导坑或导洞绕过溶洞，继续隧道前方的施工，同时处理溶洞。

3 处治案例

3.1 工程概况

魏家地隧道是赫章至六盘水高速公路中众多隧道中的一道；隧道的起讫桩号K43+823～K44+436，长度613m，为双向四车道左右分幅小净距隧道；隧道最大埋深113m，为深埋隧道。工程场区属千溶蚀峰丛（林）地貌，溶蚀峰丛（林）残丘地貌，地形起伏大，地势陡峭，山体自然坡度30°～60°，地表覆盖层主要为红黏土，下伏岩层为灰岩。地表无沟渠河谷。

3.2 代表性溶洞情况

在整个隧道施工过程中，因遭遇溶洞造成涌泥及引发冒顶事故多次；其中有两处比较特殊及有代表性。

（1）隧道左幅K44+005溶洞：经过现场照明后通过影像仔细勘查、测量以及借助地质雷达勘探，该处溶洞有以下特征：

（1）溶洞洞体较大，洞内上方虽有渗水但无填充物，无破碎体存在，进行简单清理后，人员可以进入溶洞区域施工；

（2）溶洞下方较深，有较深沉积物，组成基本为较多黏土、腐植土夹少量细砂石，溶洞呈漏斗状；

（3）经超声波勘探，四周没有较大溶洞分支及腔体；

（4）溶洞上下周边围岩均为中风化灰岩，裂隙发育，岩溶发育，围岩的自稳能力较好。

隧道左幅开挖至K44+000时，据超前地质预报显示，前方有大型溶洞，具体长宽高不是很明确，地表观察无异常；通过地质雷达及超前地质钻初步探明，溶洞位于K44+005～K44+020，顺线路方向长度15m，但未见填充物、无水流出，初步判断为空溶洞。由于溶腔顺线路方向较长，无填充物，管棚效果较差，未进行超前管棚施作。按照“短进尺，弱爆破”控制开挖至K44+005掌子面时，掌子面正中间出现一处大型空溶洞，溶洞内上方有较多地方渗水。经测量，溶洞横向宽7m，纵向长15m，向下延伸约43m，向上延伸30m。该处隧道埋深96m，溶洞未影响至地表。

（2）隧道左幅K44+210溶洞：虽用超前大管棚进行超前加固，但溶洞揭露后，因填充物流动性大，仍然发生涌泥至冒顶。经过3d的停置及洞内外观察，该处溶洞有以下特征：

（1）溶洞洞体较大、较高；地表覆盖层已因洞内填充物涌出发生失稳坠入洞内，地表洞口暂时没有急速扩大趋势；洞体顶部周边岩体分层较薄较破碎，溶洞内随时有零星石块崩落，人员无法进入溶洞区域内施工；溶洞内已无涌出物。

（2）对隧道内涌泥进行清理，可见溶洞下端出露洞口位于隧道右上侧，下部围岩为灰岩，岩溶发育，整体性较好，围岩的自稳能力较好。

（3）穿越溶洞的超前大管棚已基本向下弯曲变形；管棚上堆积较多地表沉陷植被、少量块石夹杂黏土。

（4）溶洞下部止于上导坑拱腰位置，距拱顶4m；经超前地质雷达勘探，隧道周边溶隙发育，无大的洞体，该溶洞未向隧道底部发育。

隧道左幅开挖至K44+205时，据超前地质预报，前方有较大溶洞，具体长宽高不明确，地表观察无异常；通过地质雷达及超前地质钻初步探明，溶洞位于K44+210～K44+217，顺线路方向长度7m左右，宽度约4m；溶洞内填充物主要为红黏土、见少量水渗出。为确保施工安全，在K44+205 掌子面施作超前大管棚贯穿溶洞，长度20m，间距40cm；环向施作超前小导管及径向锚杆，超前小导管采用双液浆注浆。按照“短进尺，弱爆破”控制开挖至K44+210掌子面时打穿溶洞，发生涌泥至冒顶；涌泥大都为黏土，呈稠状，夹有树木等植物及少量石块、石碴；涌泥堆填隧道内长度36m，最深近5m，几乎将掌子面全部填埋；经测量，冒顶处埋深53m；地表形成宽6m，长13m椭圆形深坑，处于山谷低洼处边缘，山体有少量渗水流入。

该两处掌子面掘露地质均为中风化灰岩，裂隙发育，岩体破碎，岩溶发育，但围岩的自稳能力较好。

3.3 处治方案

3.3.1 隧道左幅K44+005溶洞处理

经讨论确定采用上下护拱施工，用以加强隧道拱顶及底部，确保隧道总体安全。施工方案如下：

（1）底部加强：采用硬质片块石、碎石对溶洞下部进行回填，回填至仰拱底3m，再回填2m厚C20片石混凝土，然后再回填1m厚C30钢筋混凝土；再回填碴石至上导坑开挖平台以方便施工；

（2）初支加强：调整隧道支护形式，由原IVb调整为Vb，钢拱架由原来的I18a改为I20a；

（3）拱顶加强：在溶洞区域隧道衬砌外侧增设C30素混凝土护拱，护拱在拱顶处厚度2m；

（4）崩塌缓冲：在护拱上预留2个Ф108的吹砂孔超出护拱界面约2m高，通过吹砂孔在护拱上吹填2m厚细砂，作为防止溶洞上方后期发生岩体崩塌时冲击隧道衬砌的缓冲层。吹砂孔在施作初支喷射混凝土时进行封堵；

（5）引水：施作护拱时埋设2根Ф108mm×6mm的排水管（左右侧各1根）用以引流，需顺接环向排水管引入边沟；

（6）围岩加强：环拱圈施作超前小导管及径向锚杆，超前小导管采用双液浆注浆。

3.3.2 隧道左幅K44+210溶洞处理

根据该处溶洞特点，经讨论确定采用增加拱顶护拱回填法施工。施工方案如下：

（1）超前大管棚加强：开挖掘露溶洞前5m在掌子面顶部施作超前大管棚，一方面，通过管棚注浆，尽可能固结溶洞内填充物，形成护拱；另一方面，如因注浆效果不理想，开挖后填充物发生坍塌或突出或涌出（如本案情况），可作为后期施作护拱提供临时安全防护及支撑措施；大管棚采用Ф108mm×6mm无缝钢管，管内设置4Ф20钢筋笼，采用C20净水泥浆压注；

（2）防排水：对地表坍塌线外5m周边开挖截水沟，用砂浆进行抺面；用彩条布设临时雨棚进行全遮盖；防止地表水渗入坍体或地下,减小坍塌扩散。紧靠截水沟修筑护栏，防止人畜跌落。

（3）增设护拱：清理淤泥，回填石碴至距洞顶2m左右，掌子面对洞口关模，分层向洞内回填C30素混凝土形成护拱，护拱在拱顶处衬砌外厚度2m；

（4）缓冲层：在护拱上预留2个Ф108的吹砂孔超出护拱界面约2m高，通过吹砂孔在护拱上吹填2m厚细砂，作为防止溶洞上方后期发生岩体崩塌时冲击隧道衬砌的缓冲层。吹砂孔在施作初支喷射混凝土时进行封堵；

（5）初支加强：调整隧道支护形式，由原IVb调整为Vb，钢拱架由原来的I18a改为I20a；

（6）引水：施作护拱时埋设2根Ф108mm×6mm的排水管（左右侧各1根）用以引流，需顺接环向排水管引入边沟；

（7）围岩加强：环拱圈施作超前小导管及径向锚杆，超前小导管采用双液浆注浆。

上述2个溶洞经过处治，隧道得已顺利通过，经过监测，隧道沉降和围岩收敛均在可控范围内。

4 处治要点

（1）根据超前地质预报中溶洞的信息，及时采取“短进尺、弱爆破”等控制措施，减小对围岩的扰动，并确保掌子面有足够的安全厚度。采用地质雷达、超前地质钻等方法进一步进行探测，收集溶洞详细信息；

（2）通过监控掌握地表变化情况；

（3）根据溶洞地质探测情况，分析预判溶洞掘露后最坏的影响，重点考虑施工安全，确定处治施工方案以及详细的施工工序；

（4）溶洞处治前均需先治水；

（5）在未掌握溶洞详细信息前，未确定施工方案前切勿冒险施工；

（6）溶洞掘露前除必要设备外，其余设备均需临时撤除。

5 结束语

喀斯特岩溶地貌隧道施工遭遇溶洞较为普遍，根据理论联系实施案例可知，可通过多种地质勘探等辅助手段提前对溶洞情况进行预判，作好必要的超前加强措施，科学制定设计方案，可有效、安全、快速、经济地处理溶洞施工难题，在确保施工人员生命财产安全的同时，也为后期隧道安全运营提供有力的保障。