李 錕

(中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

我國(guó)是世界上巖溶分布面積最廣泛的國(guó)家之一，約占我國(guó)國(guó)土總面積的1/3。隨著我國(guó)公路及鐵路交通建設(shè)事業(yè)的大發(fā)展，已有大量山嶺隧道建成或在建設(shè)中，常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量各異的溶洞。在相關(guān)研究中:文獻(xiàn)［1］針對(duì)龍鱗宮隧道大型溶洞支頂加固技術(shù)做了研究;文獻(xiàn)［2］針對(duì)朱家?guī)r隧道特大型溶洞提出了橋、托梁和襯砌結(jié)構(gòu)共同跨越的處理方案;文獻(xiàn)［3－4］針對(duì)龍?zhí)疗核淼来笮腿芏床捎昧恕岸粗卸础狈桨?，?duì)隧道填充物采取了換填及注漿加固的辦法進(jìn)行處理;文獻(xiàn)［5］針對(duì)云霧山隧道“+852”溶洞采取了樁基+隧道結(jié)構(gòu)的處理方案;文獻(xiàn)［6］結(jié)合上寨隧道大型溶洞建議對(duì)粘土充填的較大較深溶洞采用旋噴樁加固;文獻(xiàn)［7］結(jié)合大巴山隧道大型填充溶洞采用大管棚超前支護(hù)，小導(dǎo)管徑向注漿，鋼管樁及旋噴樁處理。

雖然以上研究為隧道特大型溶洞的處理提出了多種處理方案，且都取得了良好的效果，但溶洞形式多種多樣，在洞底堆積及四周臨空面大的溶洞處理方面尚未涉及，對(duì)溶洞壁在處理過(guò)程中如何應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)也未進(jìn)行具體描述。本文以湖北滬蓉西高速公路巖灣隧道施工中所遇到的特大型溶洞為研究對(duì)象，結(jié)合該溶洞特點(diǎn)，采用洞渣回填、橋跨和拱形防護(hù)共同跨越的合理處治措施，豐富了隧道特大型溶洞的處治技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

巖灣隧道是湖北滬蓉西高速公路恩施至利川段的一座長(zhǎng)大隧道，為變間距4車(chē)道隧道，左、右線(xiàn)分別長(zhǎng)2 765 m和2 773 m，最大埋深480 m。隧道行車(chē)速度80 km/h，單洞建筑限界凈寬為10.25 m，凈高為5 m。

隧道處于鄂西南褶皺山區(qū)，屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕峰叢、槽谷地貌。隧道區(qū)大部分基巖出露，溝谷、洼地及陡坎下覆蓋有第四系殘坡積層，基巖為奧陶系中下統(tǒng)南津關(guān)組、分鄉(xiāng)組灰?guī)r、頁(yè)巖和寒武系上統(tǒng)耗子砣群白云巖、灰?guī)r。隧道區(qū)無(wú)常年流水，地表水相對(duì)比較貧乏，大氣降水一般會(huì)很快順坡面向洼地匯集，通過(guò)節(jié)理裂隙、溶洞、落水洞等進(jìn)入地下，轉(zhuǎn)入地下水系統(tǒng)。隧道區(qū)自然斜坡坡角一般為20°～40°，巖溶相當(dāng)發(fā)育，有溶溝、溶隙(孔)、溶槽、溶洞、落水洞、巖溶漏斗等，巖溶發(fā)育使隧道面臨嚴(yán)重的滲水、涌水及涌泥災(zāi)害，同時(shí)圍巖穩(wěn)定性受巖溶影響也大大降低。

1.2 特大型溶洞發(fā)育情況

隧道左洞掘進(jìn)至2 288 m(里程樁號(hào)ZK250+135)，掌子面遇一沿南北走向的無(wú)填充溶洞，溶洞沿隧道軸線(xiàn)方向長(zhǎng)31 m，垂直隧道軸線(xiàn)方向?qū)?0 m，溶洞頂高于隧道拱頂10～20 m，溶洞底南側(cè)低于隧道仰拱頂以下8～13 m，向北傾斜，北側(cè)最低處低于隧道仰拱頂以下約20 m。溶洞圍巖為寒武系上統(tǒng)耗子沱群淺灰色中厚層白云質(zhì)灰?guī)r。巖層產(chǎn)狀190°∠35°，溶洞壁可見(jiàn)壓扭性裂隙面，裂隙面略顯波狀，產(chǎn)狀285°∠85°，兩側(cè)無(wú)明顯破碎帶，但裂隙面有溶蝕現(xiàn)象。溶洞壁、頂節(jié)理發(fā)育坍塌厲害，洞底堆積坍塌塊石及少量黃色黏土，松散體堆積體較厚，塊石呈棱角狀，直徑多為1～2 m。雨后沿裂隙面有多處線(xiàn)狀滴水，總滴水量約0.3 L/s，未發(fā)現(xiàn)有明顯過(guò)水巖溶管道。

溶洞與隧道位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

2 隧道穿越溶洞的特點(diǎn)及存在的技術(shù)難題

2.1 隧道穿越溶洞的特點(diǎn)

巖灣隧道穿越溶洞具有如下特點(diǎn):1)溶洞較大較深，且隧道穿越溶洞中部;2)洞身段位于地下水位以上100～150 m的包氣帶中，地下水主要接受大氣降雨入滲補(bǔ)給。水量主要來(lái)自巖溶洼地中的集中入滲以及奧陶系地層接受的大氣降雨補(bǔ)給;3)經(jīng)觀(guān)察該處溶洞在雨后沿裂隙面有多處線(xiàn)狀滴水，但總水量約0.3 L/s，不會(huì)存在大的涌水。

2.2 隧道穿越溶洞存在的技術(shù)難題

隧道在ZK250+135～+166段特大溶洞中穿越給設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)，存在“防護(hù)難度大、溶洞處理難度大、工期影響大”的技術(shù)難題，具體有:1)頂部存在不穩(wěn)定巖體，由于爆破開(kāi)挖的影響，巖體易松動(dòng)甚至在自重作用下向下坍落，也給隧道在施工、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中留下安全隱患;2)隧道穿越溶洞中部，周邊存在大范圍的空腔，普通的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)法形成有效的承載環(huán)，采用普通結(jié)構(gòu)隧道無(wú)法跨越;3)作為本標(biāo)段的控制性工程，工期十分緊張，沒(méi)有時(shí)間待該段隧道完成變更設(shè)計(jì)、施工后再向前掘進(jìn)，如何才能安全、快速通過(guò)溶洞區(qū)到達(dá)ZK250+166處重新進(jìn)洞。

3 溶洞處治技術(shù)

針對(duì)巖灣隧道特大型溶洞的實(shí)際情況，決定采用洞渣回填、橋跨和拱形防護(hù)共同跨越的處理方案，即洞渣回填至仰拱頂作為施工通道及拱形防護(hù)的基礎(chǔ);橋梁作為行車(chē)道部分，上部結(jié)構(gòu)采用2×16 m的連續(xù)組合梁橋，下部構(gòu)造橋墩采取樁基接帽梁、橋臺(tái)采取擴(kuò)大基礎(chǔ);拱形防護(hù)座落在回填的洞渣上，采用鋼筋混凝土套拱+混凝土護(hù)拱和沙袋緩沖層組合形式。該方案采用洞渣回填不會(huì)對(duì)水系造成影響，且避免了隧道路面直接建在回填洞渣上可能形成的嚴(yán)重跳車(chē)現(xiàn)象。溶洞處治見(jiàn)圖2。

圖2 溶洞處治圖(單位:cm)Fig.2 Treatment of karst cave(cm)

3.1 洞渣回填

用洞渣回填隧道仰拱頂面以下溶槽，便于溶洞處理的后續(xù)作業(yè)，并且在套拱施工完成后，隧道可以繼續(xù)向前開(kāi)挖支護(hù)，減輕溶洞對(duì)工期的影響。對(duì)洞底1～2 m厚的堆積物不做處理，利用回填物堆載預(yù)壓?；靥钇陂g安排專(zhuān)人不間斷地進(jìn)行圍巖觀(guān)測(cè)，回填地段前方采用挖機(jī)挖斗上綁定的長(zhǎng)鋼管觸碰上前方巖壁，使不穩(wěn)定巖壁提前塌落，避免安全事故的發(fā)生。

3.2 噴錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)

回填后搭設(shè)腳手架對(duì)ZK250+135～+166段拱墻范圍內(nèi)巖壁進(jìn)行錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，根據(jù)溶洞壁圍巖體情況設(shè)置錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字鋼，保證溶洞周壁穩(wěn)定。錨桿長(zhǎng)度5～8 m，間距為1 m×1 m梅花形布置，采用φ 8鋼筋網(wǎng)，間距為20 cm×20 cm，噴射混凝土標(biāo)號(hào)為C20，厚度為15～20 cm。局部含軟弱層、富含充填物和溶洞壁不穩(wěn)定地段，采用I16工字鋼加強(qiáng)，縱向間距75 cm，并采用小導(dǎo)管注漿固結(jié)松散體，小導(dǎo)管采用直徑42 mm、長(zhǎng)度為4.5 m的鋼花管，注漿壓力保持在 0.5 ～1.0 MPa。

在錨噴支護(hù)前應(yīng)對(duì)溶洞壁上存在的不穩(wěn)定堆積體、巖體進(jìn)行清除，保證錨噴支護(hù)達(dá)到較好的加固效果。施工過(guò)程中加強(qiáng)量測(cè)，及時(shí)反饋信息，根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整支護(hù)參數(shù)。進(jìn)行溶洞壁支護(hù)時(shí)，人員不宜集中，腳手架內(nèi)用鋼模板搭建穩(wěn)定的快速避險(xiǎn)通道。

支護(hù)施工完成后采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔取芯探測(cè)溶洞底松散堆積體厚度及擬承載基巖的厚度，為橋跨及防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。

3.3 防護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

拱形防護(hù)結(jié)構(gòu)部分，包括60 cm厚鋼筋混凝土套拱、150 cm厚混凝土護(hù)拱和150 cm厚沙袋緩沖層。

為避免后期運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)沉降使隧道建筑限界受侵，取消原設(shè)計(jì)二次襯砌，此空間作為預(yù)留沉降空間，即預(yù)留60 cm的沉降量。采用裝飾板與前后二次襯砌順接，保證了隧道空間的線(xiàn)性順暢美觀(guān)。溶洞段防水層設(shè)置在套拱和護(hù)拱之間，取消環(huán)向排水管，其他縱、橫向排水措施同正常主洞段，形成完善的排水系統(tǒng)。

隧道路面兩側(cè)的電纜溝、消防和排水邊溝位置設(shè)置條形基礎(chǔ)，與行車(chē)道部分分離，待隧道貫通、洞渣沉降穩(wěn)定后利用該基礎(chǔ)承托裝飾板。

3.3.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)施工

洞渣回填及溶洞壁支護(hù)完成后，即刻著手施做鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，然后進(jìn)行套拱的施工。

施工套拱時(shí)，首先安裝I18工字鋼骨架，縱向間距1 m，可以便于套拱鋼筋及模板的安裝，而且工字鋼作為套拱的一部分，也提高了套拱的防護(hù)能力。

在套拱完成后施工護(hù)拱，利用套拱外層做內(nèi)模，外?？刹捎媚灸?。護(hù)拱按12 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行施工。根據(jù)圍巖情況，左幅隧道可同時(shí)向前掘進(jìn)，左幅隧道開(kāi)挖時(shí)，護(hù)拱應(yīng)停止作業(yè)。該段的爆破作業(yè)應(yīng)盡量做到多打眼、打淺眼，并控制爆破藥量減少對(duì)圍巖和對(duì)右線(xiàn)的擾動(dòng)［8］。

防護(hù)結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)各留3處寬1 m、高2 m的避險(xiǎn)及施工通道。防護(hù)工程完成后，僅保留左右兩側(cè)各1處通道，作為將來(lái)溶洞的觀(guān)測(cè)通道，并在洞口安裝推拉門(mén)，其余4處避險(xiǎn)通道用混凝土封堵。

3.4 底部結(jié)構(gòu)處理

3.4.1 底部結(jié)構(gòu)形式

隧道底部結(jié)構(gòu)采用2×16 m的連續(xù)組合梁橋，梁橋下部結(jié)構(gòu)采取樁基接帽梁、擴(kuò)大基礎(chǔ)橋臺(tái)。樁基為獨(dú)樁結(jié)構(gòu)，組合梁橋?yàn)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，且主梁施工分側(cè)進(jìn)行，不影響人員、機(jī)械的通行。橋臺(tái)處設(shè)置簡(jiǎn)易的TST填充式伸縮裝置，每端伸縮量4 cm。

3.4.2 底部結(jié)構(gòu)施工

1)樁基施工。樁孔開(kāi)挖采用分節(jié)支護(hù)開(kāi)挖，每節(jié)開(kāi)挖深度為1 m。護(hù)壁采用30 cm厚C25鋼筋混凝土，以保證隧道正常通行而不影響樁孔開(kāi)挖的安全。樁基嵌巖深度不小于3 m，挖孔完成后，在孔底用風(fēng)槍向下鉆孔5 m，以探明樁底是否存在溶洞。

2)蓋梁及橋臺(tái)施工。機(jī)械清理洞渣至蓋梁底部后用砂漿墊層找平，以便于綁扎鋼筋和立模。橋臺(tái)背部垂直光爆后可用一部分巖體做為模板，其他部位采用組合鋼模。

3)肋板梁橋施工。肋板梁橋采用C40鋼筋混凝土，先施作主梁，再施作橫隔板，后施作橋面板。主梁施工采用先單側(cè)后中間的方法，在單側(cè)主梁施工時(shí)機(jī)械可以通行。橫隔板必須與主梁縱向垂直，同主梁預(yù)埋鋼筋焊接牢靠，每道橫隔板在同一直線(xiàn)。

4 溶洞處治效果

巖灣隧道ZK250+135～+166段特大型溶洞采用洞渣回填、橋跨和拱形防護(hù)共同跨越的方案進(jìn)行整治后，經(jīng)過(guò)2年的沉降觀(guān)測(cè)，累計(jì)沉降量為7.2 cm，經(jīng)過(guò)多年雨季和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐證明，該處治措施是可靠的、有效的。

巖灣隧道特大型溶洞的處治方案比采用“橋、托梁和襯砌結(jié)構(gòu)共同跨越”的方案節(jié)約投資30余萬(wàn)元，節(jié)約工期1.5個(gè)月;合理安排工序，防護(hù)套拱及樁基、開(kāi)挖進(jìn)洞及護(hù)拱緩沖層同步施工使工期節(jié)省1個(gè)月。

5 結(jié)論與體會(huì)

對(duì)于無(wú)涌水災(zāi)害、隧底堆積物小于2 m的特大型溶洞，隧道從溶腔內(nèi)穿越時(shí)，宜回填洞渣處理節(jié)省工期，同時(shí)綜合考慮回填沉降對(duì)路面及隧道縱斷面線(xiàn)性美觀(guān)的影響，結(jié)合整個(gè)隧道排水系統(tǒng)的布置，選取經(jīng)濟(jì)合理的方案、科學(xué)安排施工組織，既可減少對(duì)隧道施工的工期影響，又能確保隧道施工安全及運(yùn)營(yíng)安全。

在巖壁的支護(hù)前，巖壁的坍塌危害是安全防范的重點(diǎn)，一定要采取有效的措施提前排除危險(xiǎn)源;巖壁支護(hù)的參數(shù)要同巖溶具體發(fā)育情況相結(jié)合，以確保支護(hù)的效果;緩沖層設(shè)置可以采用一些輕型彈性材料，比如橡膠等。

［1］ 宋長(zhǎng)甫.龍麟宮隧道大型溶洞支頂加固技術(shù)［J］.鐵道標(biāo) 準(zhǔn) 設(shè) 計(jì)，2007(9):78 － 79.(SONGChangfu.Longlingong tunnel large cave roof support reinforcement technology［J］.Railway Standard Design，2007(9):78 －79.(in Chinese))

［2］ 李學(xué)東，程久勝，馬來(lái)秋，等.朱家?guī)r隧道特大型溶洞處治方案探討［J］.中外公路，2007(5):181 －183.(LI Xuedong，CHENG Jiusheng，MA Laiqiu，et al.To investigate the Zhujiayan tunnel karst treatment scheme［J］.Journal of China ＆Foreign Highway，2007(5):181 －183.(in Chinese))

［3］ 劉齊軍，丁永全，鄧少軍.龍?zhí)疗核淼来笮腿芏刺幚砑夹g(shù)研究［J］.公路，2012(9):259 －261.(LIU Qijun，DING Yongquan，DENG Shaojun.Study on processing technology of large cave Longtangping tunnel［J］.Highway，2012(9):259 －261.(in Chinese))

［4］ 強(qiáng)俊濤.龍?zhí)疗核淼来笮腿芏刺幚硎┕すに嚳刂疲跩］.山西建筑，2013(2):174 －176.(QIANG Juntao.Treatment construction technology control of Longtangping tunnel large karst［J］.Shanxi Architecture，2013(2):174 － 176.(in Chinese))

［5］ 苗德海.宜萬(wàn)鐵路云霧山隧道“+852”溶洞發(fā)育特征及技術(shù)對(duì)策［J］.鐵道勘察，2012(3):21 －25.(MIAO Dehai.Yunwushan tunnel“+852”cave development characteristics and technical countermeasures［J］.Railway Investigation and Surveying，2012(3):21 －25.(in Chinese))

［6］ 王才業(yè).貴廣高速鐵路上寨隧道溶洞處理技術(shù)［J］.路基工程，2013(5):185 － 190.(WANG Caiye.Technique on karst cave treatment for Shangzhai tunnel on Guiyang-Guangzhou express railway［J］.Subgrade Engineering，2013(5):185 －190.(in Chinese))

［7］ 代偉，李賀勇.隧道深埋大型充填型溶洞施工技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2009，29(6):689 － 693.(DAI Wei，LI Heyong.Construction technology to cope with large scale deep-buried filling-type karst caves during tunnel construction［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):689 －693.(in Chinese))

［8］ 史釗.公路、橋梁、隧道施工新技術(shù)、新工藝與驗(yàn)收規(guī)范實(shí)務(wù)全書(shū)［M］.北京:金版電子出版社.2002:1857.(SHI Zhao.Standard manual of new emergent technologies and process in the construction and quality test on highway，bridge and tunnel［M］.Beijing:Jin Electronic Publishing House，2002:1857.(in Chinese))