劉敏捷，張文勇

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽市 550001)

0 引言

近年來，中國高速公路得到了快速的發(fā)展，而貴州作為全國唯一一個沒有平原的省份，交通的發(fā)展對貴州尤為重要，貴州于2015年實(shí)現(xiàn)了縣縣通高速。如今，貴州高速公路總里程已位居全國前列，高速網(wǎng)仍在不斷完善和發(fā)展，貴州山高谷深，橋隧比高，巖溶發(fā)育，而高速隧道的修建往往需要從巖溶發(fā)育區(qū)的山體中穿過，與巖溶的直接碰撞在所難免，由于巖溶分布的未知性和地形地貌的差異性，巖溶發(fā)育形態(tài)復(fù)雜多變，對隧道工程的影響也就不能一概而論，對巖溶處治的設(shè)計(jì)和施工一直是隧道工程界的難題[1]。

以貴州某一在建高速公路隧道為例，闡述隧道與巖溶管道交叉后的設(shè)計(jì)施工處治對策，為其他類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

在建的貴州某高速公路隧道為分離式雙向六車道長隧道，設(shè)計(jì)速度100km/h，內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)高程距拱頂高度7.94m，凈寬15.618m。左幅全長1429m，右幅全長1417m，最大埋深約181m。隧道左右幅線間距20～22m。隧道左右幅均為單面坡，左右幅縱坡均為-2.75%。

場區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粘土、堆積體(Qc)塊石土；下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)薄～中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r。

隧址區(qū)地表巖溶較發(fā)育，勘察階段查明隧址區(qū)分布有1處巖溶洼地和6處巖溶溶洞及ZK2揭露兩段鉆孔巖溶，溶洞向下發(fā)育可能延伸到隧道開挖區(qū)。

圖1 某在建高速隧道工程地質(zhì)縱斷面圖

2 巖溶管道發(fā)育情況

該隧道從出口端向進(jìn)口端掘進(jìn)施工，當(dāng)隧道上半斷面施工至ZK18+500處時，掌子面右側(cè)拱腰發(fā)現(xiàn)小型溶洞，溶洞內(nèi)水量較小。隧道掘進(jìn)施工至ZK18+485斷面時，揭露發(fā)現(xiàn)該溶洞前后貫通成一大型巖溶管道，該管道與地表巖溶洼地W1內(nèi)溶洞相連通，其縱向約長420m，寬度約5～30m，高度3～30m，ZK18+485處溶洞底板距離地表溶洞口垂直高差約208m，且沿巖層傾向向兩端發(fā)育，向下緊鄰左洞發(fā)育，發(fā)育至ZK18+545右下方處后見水潭，溶洞在此處局部發(fā)育變平緩，其中ZK18+500～ZK18+545段隧道底板至溶洞頂板的巖體厚度為0～25m，隧道兩側(cè)一定范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯支洞。通過現(xiàn)場調(diào)繪并結(jié)合斷面實(shí)測，進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，大致查明該管道與隧道的交叉關(guān)系如圖2。

該巖溶管道內(nèi)有季節(jié)性流水，主要為巖溶裂隙水、巖溶溶洞水及地表匯水，觀測期間流量為2～5L/s。管道發(fā)育形態(tài)呈不規(guī)則圓柱體，頂板形態(tài)整體呈不規(guī)則弧形，且伴有滴水現(xiàn)象，頂板和巖壁以及地面可見少量鐘乳石、石筍、石柱。受貫通性節(jié)理切割及風(fēng)化裂隙影響，溶洞頂板巖體整體穩(wěn)定性差。

巖溶管道底部及側(cè)壁半充填有崩塌積塊石，少量沖洪積卵石土，其間為粘土充填，部分巨石零星堆積呈架空狀態(tài)，厚度3～10m，塊石、卵石成分大部分為深灰色灰?guī)r，少量為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖，塊石塊徑20～200cm不等，最大達(dá)5m。巖溶管道內(nèi)充填物在水流及風(fēng)化剝蝕、重力作用下易垮塌、滑移失穩(wěn)，以及造成水流通道部分阻斷后局部地下水水頭的抬升，導(dǎo)致水壓的激增，均對隧道結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。巖溶管道現(xiàn)場照片見圖3。

圖2 巖溶管道與隧道平面位置關(guān)系圖

圖3 巖溶管道現(xiàn)場照片

結(jié)合施工圖階段勘察資料及現(xiàn)場調(diào)繪成果，可以明確巖溶管道沿著三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r巖體內(nèi)部發(fā)育，管道底部部分與三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥質(zhì)粉砂巖接觸。隧道區(qū)及巖溶管道地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給。該巖溶含水介質(zhì)通道管道化程度較高，其流量動態(tài)對降雨十分敏感，根據(jù)隧道地形及水文地質(zhì)條件，通過降水入滲法對通道涌水量進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測巖溶管道最大涌水量Q=26435.3m3/d。根據(jù)工程所在地氣象降雨資料收集，隧址區(qū)歷史最大日降雨量發(fā)生期間，2h內(nèi)峰值降雨量達(dá)156.4mm，由此估算巖溶管道內(nèi)1h峰值涌水量達(dá)到Q1=12254.0m3/h。

3 巖溶管道處治設(shè)計(jì)方案

3.1 巖溶管道形成機(jī)理分析

隧道所處地區(qū)降雨量豐富，地表高低不平，局部存在洼地，地表的有利地形易收集匯聚地下水，為巖溶通道的形成提供了充沛的地下水條件。該巖溶管道位于可溶巖與非可溶巖的交界地帶，易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道。該巖溶管道整體位于三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r巖體中，該灰?guī)r純度較高，為典型的巖溶卡斯特地區(qū)碳酸鹽巖層類型，而巖溶管道的底部為三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥質(zhì)粉砂巖，泥質(zhì)粉砂巖透水性差，灰?guī)r中滲出的地下水易集聚在泥質(zhì)粉砂巖巖層層面發(fā)生流動，最終形成巖溶通道。

3.2 隧道巖溶管道處治思路

隧道施工中遇見的一般溶洞，是根據(jù)溶洞具體情況采用回填、強(qiáng)支護(hù)、帷幕注漿、跨越等方式進(jìn)行處治。巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理，一是巖溶管道發(fā)育規(guī)模較大，一般縱向發(fā)育長度長，與隧道的交叉關(guān)系復(fù)雜，不能單純采用一兩種方案進(jìn)行處治。二是巖溶管道或通道是地下水的流通排泄通道，不能簡單一填堵之，要預(yù)留好排水通道，并保證不對結(jié)構(gòu)造成較大影響[2-8]。

3.3 隧道巖溶管道處治設(shè)計(jì)方案

根據(jù)巖溶管道與隧道的相對位置關(guān)系，巖溶管道對隧道的影響長度約80m。

3.3.1隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理

巖溶管道與隧道呈斜交方式，為保證溶洞頂板的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)大范圍坍塌，采用“分段清危，混凝土墻支頂，錨噴防護(hù)”的溶洞防護(hù)方案。根據(jù)隧道輪廓與溶洞的相互位置關(guān)系，采用不同的襯砌加固方式。隧道由出口往進(jìn)口施工，目前掌子面上臺階已經(jīng)施工到ZK18+485位置，對ZK18+450～ZK18+485未開挖段襯砌進(jìn)行加強(qiáng)，初支工字鋼調(diào)整為I20b型鋼拱架，間距60cm，二襯采用55cm厚鋼筋混凝土；ZK18+485～ZK18+520已開挖段維持原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù)，采用I16型鋼拱架，間距80cm，二襯為45c厚鋼筋混凝土，并對隧道一側(cè)的巖溶管道進(jìn)行支擋回填及防護(hù)處理；巖溶管道位于ZK18+520～ZK18+530段隧道下部，對該段增設(shè)40cm厚仰拱混凝土，使其封閉成環(huán)，并對二次襯砌進(jìn)行配筋加強(qiáng)。

當(dāng)隧道邊墻或拱頂處于溶腔內(nèi)時，先在隧道邊墻初支外側(cè)施工C20混凝土擋墻，并以擋墻及隧道初支為模板，在隧道拱頂回填C20混凝土。ZK18+463～ZK18+475段由于空腔較大，在擋墻上立好模板后可通過預(yù)留泵送管泵送回填混凝土，拱頂回填混凝土作為運(yùn)營期的護(hù)拱。

圖4 巖溶管道與隧道交叉處典型結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)圖

3.3.2隧道排水處理

隧道ZK18+463～ZK18+493段占用了原有巖溶管道的排水空間，需重新開挖出排水通道，在隧道與巖溶管道接觸帶通過新挖排水溝及排水暗洞進(jìn)行排水，ZK18+463～ZK18+475段及ZK18+487～ZK18+493段隧道所占用原有巖溶管道排水空間相對不大，通過在巖溶管道周邊新挖排水溝進(jìn)行引排疏水。排水溝靠近隧道側(cè)溝幫為現(xiàn)澆C20混凝土擋墻，擋墻主要起防沖刷和保護(hù)隧道側(cè)墻的作用，確保擋墻及排水溝溝身整體穩(wěn)定，排水溝從進(jìn)口往出口方向引流。

ZK18+475～ZK18+487段在隧道主洞右側(cè)開挖排水暗洞，根據(jù)極端情況下每小時最大涌水量，排水暗洞設(shè)計(jì)凈寬2.5m，凈高3.95m。拱部噴射混凝土厚度為20cm，并設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，其余側(cè)壁掛網(wǎng)及噴10cm厚C25混凝土，排水溝溝身采用30cm厚C20鋼筋混凝土，為了便于清理巖溶管道內(nèi)水流沖擊帶來的泥沙，在ZK18+490處設(shè)置3.5m×3.0m的檢修通道，通道入口處采用密閉式雙開鋼板門，密閉門需滿足抗洪水沖擊的能力，檢修通道在擋墻內(nèi)的部分設(shè)置成階梯狀。排水暗洞設(shè)計(jì)圖見圖5。

圖5 排水暗洞設(shè)計(jì)圖

4 隧道巖溶管道處治施工方案

施工過程中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況先對溶腔頂部的危石進(jìn)行清除，再對溶洞側(cè)壁及頂部噴10cm厚C25混凝土，確保穩(wěn)定后再進(jìn)行施工。在巖溶管道和隧道中夾巖柱較薄段施工時需采用小藥量爆破，控制一循環(huán)進(jìn)尺不大于兩榀拱架間距，盡量減少對隧道與溶洞間的中夾巖體的擾動。由于隧道為雙向六車道隧道，隧道自身寬度較大，同時還需在一側(cè)施工排水溝及防護(hù)擋墻，施工垮度大，施工工序復(fù)雜，采用如下分步施工方案，按①～⑩的施工順序進(jìn)行施工，設(shè)工方案設(shè)計(jì)圖見圖6。

圖6 穿巖溶管道處與隧道施工方案設(shè)計(jì)圖

施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ順序分部開挖，每部開挖后施作相應(yīng)的初期支護(hù)及臨時支護(hù)①、②、⑥，全斷面開挖完成后及時施作仰拱⑧，然后進(jìn)行仰拱回填⑨和施作二次襯砌⑩；導(dǎo)坑臨時支護(hù)采用I18工字鋼作為加勁拱架，拱架間距60cm，采用20鋼筋連接，連接鋼筋環(huán)向間距100cm，導(dǎo)坑臨時支護(hù)拱架應(yīng)與初期支護(hù)拱架焊接牢固；初期支護(hù)⑥未施工之前不得拆除臨時支護(hù)①，在主洞初期支護(hù)⑥施工前逐段拆除，導(dǎo)坑臨時支護(hù)拆除后及時施工仰拱及二次襯砌。

5 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場調(diào)繪、鉆探等手段查明了巖溶管道的發(fā)育情況及1h峰值涌水量，并給出了巖溶管道與隧道的位置關(guān)系，為工程后面處治提供了詳實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

(2)巖溶管道不同于一般巖溶溶洞，其管道化程度高，管道內(nèi)地下水流速快，短時間內(nèi)能形成大規(guī)模的高勢能地下水，其流量動態(tài)對降雨十分敏感。

(3)巖溶洼地等地形是形成巖溶通道的良好天然條件，同時，在可溶巖與非可溶巖的交界地帶，易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道，工程中需加強(qiáng)重視。

(4)巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理，既要保證隧道結(jié)構(gòu)安全，同時要預(yù)留好排水通道，二者相輔相成，需并重處治，同步考慮。

(5)針對大跨度隧道穿越巖溶管道情況，施工工序復(fù)雜，交叉段施工風(fēng)險高，設(shè)計(jì)方案需重點(diǎn)考慮施工的可操作性和安全性，對經(jīng)論證后的施工方案需嚴(yán)格按施工步驟施工，確保安全。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)有機(jī)結(jié)合巖溶管道發(fā)育特征和隧道結(jié)構(gòu)物情況進(jìn)行處治設(shè)計(jì)和科學(xué)施工。