羅文斌,任子熊

（深圳高速工程檢測(cè)有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引言

我國(guó)巖溶地貌分布較為廣泛，已運(yùn)營(yíng)的高速公路隧道中，巖溶地質(zhì)隧道占全國(guó)高速公路總體隧道數(shù)量的50%以上，對(duì)高速公路隧道運(yùn)營(yíng)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生重要影響。因此，加強(qiáng)高速公路隧道溶洞現(xiàn)狀及處治技術(shù)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)此展開了研究，如劉江華[1]結(jié)合具體公路隧道工程，針對(duì)巖體碎裂情況嚴(yán)重、質(zhì)地偏軟等問題，通過填埋施工和回填施工兩種方案比選，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)性角度，采用回填溶洞方法，降低溶洞坍塌概率，實(shí)現(xiàn)暗洞充分填埋；卿波[2]根據(jù)溶洞形態(tài)、水文地質(zhì)條件對(duì)溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，針對(duì)溶洞頂部、側(cè)壁及與隧道交界位置有局部失穩(wěn)狀況，提出加固方案，對(duì)比四種加固方案，綜合施工難度、施工成本、工期等因素，最終確定明洞加固方案，取得良好的治理效果。以上研究，為高速公路隧道溶洞處治提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

巖溶地貌，也就是喀斯特地貌是清遠(yuǎn)比較常見的地質(zhì)類型。巖溶問題一直困擾著高速公路隧道建設(shè)，對(duì)隧道地基的穩(wěn)定性有著重大影響。因此，尋求行之有效的處治措施一直是該地區(qū)隧道工程建設(shè)的重要問題。鑒于此，該文以清遠(yuǎn)某高速公路隧道為研究背景，對(duì)隧道溶洞現(xiàn)狀及處治技術(shù)進(jìn)行如下分析和研究。

1 工程概況

1.1 隧道基本信息

該高速公路隧道工程位于廣東省清遠(yuǎn)市，為單向兩車道分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速80~100 km/h，凈空高寬分別為5.0 m 和10.25 m，隧道（左洞）起訖樁號(hào)為K2178+015~K2178+429，里程長(zhǎng)414 m，最大埋深約120 m，于2008 年已通車運(yùn)營(yíng)。隧道進(jìn)出口形式設(shè)計(jì)為端墻式，采用電光照明、自然通風(fēng)、瀝青混凝土路面。洞體襯砌形式采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用錨桿、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)噴混凝土，二支采用筑?；蜾摻罨炷粒?lián)合組成永久性承載系統(tǒng)。

1.2 地層巖性

根據(jù)鉆探結(jié)果揭示，隧道基地地層主要為碎石、黏土和石炭系（C）。其中石炭系（C）由于構(gòu)造裂隙、風(fēng)化裂隙和水的強(qiáng)烈溶蝕淋濾作用，巖溶發(fā)育，分為強(qiáng)、弱、微弱三個(gè)發(fā)育層段。在巖溶發(fā)育強(qiáng)層段，巖性為灰~灰黑色的灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，溶蝕嚴(yán)重，圍巖深度為0.7~3.7 m；巖溶發(fā)育弱層段，巖性為灰~灰黑色的灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)新鮮較硬，巖芯呈短~長(zhǎng)柱狀，圍巖最大厚度為11.0 m。溶洞巖體呈溶蝕發(fā)育，經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)育，其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力逐步弱化。

1.3 水文地質(zhì)條件

受隧道區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形影響，洞穴頂部巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。巖溶裂隙水是區(qū)內(nèi)主要的水文地質(zhì)類型。主要接受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給洞穴內(nèi)的有落水洞，徑流基本流向以垂直向下流動(dòng)為主?？菟?，溶洞未見地下水，但豐水期溶洞內(nèi)有少量積水。

1.4 溶洞形態(tài)

隧道在施工期間于K2178+074~K2178+134 段遭遇大規(guī)模溶洞貫穿隧道。該段隧道基地位于巖溶洞穴內(nèi)，其形態(tài)為橢圓形，傾斜發(fā)育，溶洞頂部呈穹頂狀，掛有零星鐘乳石，洞底有零星石筍和石柱，并堆積有洞頂、洞壁垮落坍塌的灰?guī)r塊石及由于長(zhǎng)期風(fēng)化形成的黏土，屬巖溶堆積地貌形態(tài)。結(jié)合地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)具體狀況分析，溶洞周壁圍巖為近似水平狀灰?guī)r，溶洞底部有坍塌的落石，且填充物較厚，最深有十幾米，主要為褐黃色黏土。溶洞長(zhǎng)約60 m，最高處有28 m，寬約45 m。

2 溶洞現(xiàn)場(chǎng)狀況

為了充分了解該高速公路隧道內(nèi)溶洞的發(fā)育情況，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)隧道溶洞現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，具體的調(diào)查情況如表1 所示[3]。

表1 隧道溶洞現(xiàn)狀調(diào)查情況

由表1 調(diào)查結(jié)果可知，第一段承臺(tái)上方擋墻表面有水，未見明顯裂縫；第二段承臺(tái)上方擋墻表面未見有水，同時(shí)也未見明顯裂縫；K2178+078 車行橫洞內(nèi)鋼筋混凝土支撐墻表面有水，未見明顯裂縫，承臺(tái)及樁基礎(chǔ)不可見，溶洞落水洞未聽見水聲；K2178+127.5 人行橫洞內(nèi)鋼筋混凝土支撐墻未見明顯裂縫，承臺(tái)部分可見，表面有水，未見明顯裂縫，樁基不可見。K2178+127.5 人行橫洞內(nèi)擋墻混凝土及承臺(tái)現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 K2178+127.5 人行橫洞內(nèi)擋墻混凝土及承臺(tái)現(xiàn)狀

3 溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

溶洞的穩(wěn)定性是溶洞處治技術(shù)選擇的關(guān)鍵性指標(biāo)，因此在溶洞處治方案前，應(yīng)先對(duì)溶洞進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。在溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過程中，需要從溶洞的整體和局部塊體兩個(gè)角度進(jìn)行綜合考量。現(xiàn)階段，溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要通過定性和定量分析進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 溶洞整體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)

以該高速公路隧道工程的地層巖性、水文地質(zhì)條件、溶洞形態(tài)等作為評(píng)價(jià)因素，通過比較有利穩(wěn)定性條件和不利穩(wěn)定性條件，對(duì)溶洞整體穩(wěn)定性進(jìn)行表格化定性評(píng)價(jià)，具體分析結(jié)果如表2 所示。

表2 溶洞整體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表2 溶洞整體穩(wěn)定性定性評(píng)價(jià)結(jié)果，通過模糊綜合判定法對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)估，最終評(píng)價(jià)該隧道溶洞整體穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅱ級(jí)。由此表明，該隧道溶洞屬相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 溶洞整體穩(wěn)定性定量評(píng)價(jià)

高速公路隧道在運(yùn)營(yíng)過程中容易受到外力作用，巖體出現(xiàn)變形、沉降，引起襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、表面滲水等問題，降低隧道穩(wěn)定性?；谌芏喘h(huán)境下，采用FLAC3D系統(tǒng)建模對(duì)溶洞整體穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)分析，模型頂面不作處理，因隧道區(qū)域巖溶發(fā)育，巖體破碎，其構(gòu)造應(yīng)力已基本卸除，因此可忽略。模型擬采用巖體力學(xué)指標(biāo)如表3 所示。

表3 模型擬采用巖體力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)表3 中的力學(xué)指標(biāo)，在隧道持續(xù)運(yùn)營(yíng)條件下，基于隧道的地層巖性、水文地質(zhì)條件、溶洞形態(tài)等，對(duì)溶洞巖體變形、沉降及塑性區(qū)分布狀況進(jìn)行分析。遵循強(qiáng)度折減原則，計(jì)算隧道溶洞整體穩(wěn)定系數(shù)FS 為1.64~1.78。由此證明，該隧道溶洞整體穩(wěn)定性較好。

3.3 溶洞局部塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

在隧道運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，采用Unwedge 系統(tǒng)軟件確定主要塊體的基本部位、大小及穩(wěn)定性系數(shù)等，對(duì)溶洞局部塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隧道運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，產(chǎn)生塊體的部位主要有溶洞頂部、側(cè)壁以及與隧道交接位置等，其塊體穩(wěn)定性系數(shù)如表4 所示。

表4 溶洞局部塊體穩(wěn)定性系數(shù)

由表4 可知，在溶洞的基本部位中，塊體體積通常不超過1 m3。在穩(wěn)定性系數(shù)方面，溶洞頂部、與隧道交接位置的塊體穩(wěn)定性系數(shù)在1.5~2.0 之間，具有較好的穩(wěn)定性；只有溶洞側(cè)壁塊體的穩(wěn)定性系數(shù)為1.21，處于1.2~1.5 范圍內(nèi)，穩(wěn)定性一般。

3.4 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過上述穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析，得出如下結(jié)論：

（1）該溶洞整體穩(wěn)定性較好。

（2）溶洞側(cè)壁存在局部失穩(wěn)狀況，應(yīng)采用樁基礎(chǔ)承臺(tái)支撐墻結(jié)構(gòu)溶洞處治方案。

4 溶洞處治技術(shù)

該隧道溶洞沿隧道分布，溶洞長(zhǎng)約60 m，最高處有28 m，寬約45 m，為特大型溶洞[4]。溶洞周壁圍巖為近似水平狀灰?guī)r，溶洞底部有坍塌的落石，底部填充物較厚，最深有十幾米，主要為褐黃色黏土。第一段承臺(tái)、K2178+078 車行橫洞側(cè)、K2178+127.5 人行橫洞側(cè)等部位存在滲水現(xiàn)象，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，不利于隧道運(yùn)營(yíng)，因此必須對(duì)該隧道溶洞處治技術(shù)進(jìn)行探究[5]。

根據(jù)溶洞分布和滲漏水情況及溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，在綜合考慮隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、施工安全、質(zhì)量控制、投資控制、施工工期等因素的基礎(chǔ)上，經(jīng)過綜合比選，最終采用樁基礎(chǔ)承臺(tái)支撐墻結(jié)構(gòu)溶洞處治方案。

溶洞前38 m（K2178+074~K2178+112）需要在溶洞中部右側(cè)擴(kuò)挖12.4 m 隧道，后28 m（K2178+112~K2178+140）段要橫穿溶洞，溶洞底部采用樁基礎(chǔ)；樁基上構(gòu)建承臺(tái)及支撐墻，支撐墻采用鋼筋混凝土。洞身段襯砌按新奧法原理設(shè)計(jì)，初期支護(hù)采用噴、錨、網(wǎng)、鋼架支護(hù)，二次襯砌采用鋼筋混凝土，并視地層、地質(zhì)條件設(shè)超前錨桿預(yù)加固措施。溶洞施工處治設(shè)計(jì)參數(shù)如表5 所示。

表5 溶洞施工處治設(shè)計(jì)參數(shù)

考慮在施工中還需開展運(yùn)營(yíng)檢修工作，因此在K2178+078 左側(cè)設(shè)置了車行橫洞，K2178+127.5 右側(cè)設(shè)置了人行橫洞。

5 結(jié)論及建議

該文依托清遠(yuǎn)某高速公路隧道工程，通過溶洞穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)高速公路隧道溶洞處治技術(shù)進(jìn)行綜合探究，并得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)溶洞現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，鋼筋混凝土支撐墻及承臺(tái)外露部分未見明顯結(jié)構(gòu)性病害，結(jié)合隧道定期檢查結(jié)果，綜合判定隧道溶洞區(qū)承臺(tái)及嵌巖樁樁基基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。溶洞落水洞作為隧道和溶洞的排水通道，無堵塞現(xiàn)象。

（2）該隧道為特大型溶洞，地質(zhì)狀況復(fù)雜，從溶洞的整體和局部塊體兩個(gè)角度對(duì)溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該隧道溶洞整體穩(wěn)定性較好，但溶洞側(cè)壁存在局部失穩(wěn)狀況。

（3）結(jié)合隧道實(shí)際情況，經(jīng)過方案比選，最終采用樁基礎(chǔ)承臺(tái)支撐墻結(jié)構(gòu)溶洞處治方案。通過采用該方案對(duì)隧道溶洞側(cè)壁進(jìn)行了合理處治，治理效果明顯。

實(shí)踐證明，采取上述處治技術(shù)對(duì)溶洞處理是可行的。但是，在高速公路隧道日常運(yùn)營(yíng)過程中，建議加強(qiáng)對(duì)隧道溶洞區(qū)段鋼筋混凝土支撐墻和承臺(tái)外露部分進(jìn)行巡查，確定是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病害。同時(shí)，還應(yīng)對(duì)溶洞落水洞進(jìn)行巡查，如遇排水通道堵塞現(xiàn)象，則需進(jìn)行排水處治[6]。