特大型溶洞隧道綜合處治方案及施工技術

王少輝， 陳 兆， 蔣 沖， 隆海健， 劉 霖， 彭曉琳， 沙 策

(1.中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205；2.湖南省交通規劃勘察設計院， 湖南 長沙 410008；3.中南大學資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

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特大型溶洞隧道綜合處治方案及施工技術

王少輝1， 陳 兆2， 蔣 沖3,*， 隆海健1， 劉 霖3， 彭曉琳3， 沙 策3

(1.中交一公局第一工程有限公司， 北京 102205；2.湖南省交通規劃勘察設計院， 湖南 長沙 410008；3.中南大學資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)

為解決巖溶地區公路隧道修建過程中特大型溶洞難跨越的問題，采用理論與現場相結合的方法，綜合考慮特大型溶洞的特點與處治難點，提出采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合處治結構與洞渣回填綜合處治的方案，在此基礎上建立一套以回填為基礎、自下而上交叉施工處治結構的施工方法，并提出洞渣回填、承載樁基、縱橫框架梁板結構及鋼筋混凝土擋墻結構施工等關鍵技術。現場施工實踐證明，該溶洞處治效果良好，能保證隧道施工安全與結構安全。

那丘隧道；特大型溶洞；承載樁基；縱橫框架梁板結構；鋼筋混凝土擋墻；洞渣回填

0 引言

我國巖溶地區分布面積十分廣闊，且主要集中在西南地區。隨著西南地區公路建設步伐的加快，隧道修建過程中遇到特大型溶洞的情況會越來越多，由于溶洞本身的復雜性、差異性以及高風險性，在特大型溶洞地區修建隧道將面臨復雜的處治問題[1-4]。

溶洞規模大小、空間分布與填充狀態的不同，不僅影響著隧道施工安全與工后穩定性，同時也在一定程度上限制了相關處治技術的選擇[5-8]。研究表明，當溶洞集中分布在隧道結構下方時，溶洞處治難度較大，通常采用溶腔回填、填充物換填+注漿、搭橋方案以及各類樁基支撐等方式進行處理。例如：文獻[9-10]針對新大巴山大型填充溶洞，采用注漿加固、旋噴樁及鋼管樁等措施處理；文獻[11]針對巖灣隧道特大型溶洞，采用洞渣回填、橋跨及拱形防護等處治措施進行處理；文獻[12]結合某隧道填充性溶洞，采用高壓旋噴樁對軟地基加固處理；文獻[13-14]結合龍塘平隧道特大型溶洞，對隧道填充物進行換填+注漿處理；文獻[15]針對白須公隧道特大型溶洞，采用樁基礎+支撐墻+橫向連系梁的處理方案。雖然以上常用溶洞處治技術在工程建設中取得了一定成效，但對于特大型溶洞，尤其是隧道底部及邊側存在大范圍臨空面且溶洞底板呈陡坡上升的特大型溶洞并不適用，而其處治技術目前相對缺乏。

本文以那丘隧道修建過程中揭露的特大型溶洞為研究對象，綜合考慮溶洞空腔輪廓與隧道穿越溶洞的位置，采用“承載樁基-縱橫框架梁板結構-鋼筋混凝土擋墻”組合結構與空腔回填進行綜合處治，從施工安全與工后結構整體穩定的角度出發，對綜合處治結構的施工技術進行研究。

1 工程概況

那丘隧道是湖南省永吉高速公路上的雙洞單向長隧道，左右線分別長2 875 m和2 860 m，線間距為 2.98～29.8 m。隧道處于地面起伏較大的巖溶中低山區，地面高程427.60～640.27 m，相對高差較大，約為212.67 m，區間隧道存在豎向巖溶塌陷與表層溶蝕溝槽等不良地質,工程地質條件較復雜。

勘測時于左線ZK14+350～+520段發現特大型溶洞，該溶洞在已揭露的溶洞中規模最大，從平面上看，隧道與溶洞走向基本一致，并從溶洞空腔中穿過(如圖1所示)。根據地質勘察資料，洞內地層結構自下而上主要為奧陶系下統灰巖、第四系之前形成的膠結層與第四系巖溶堆積黏土，灰巖與膠結層巖質良好、承載力高，溶洞底板上堆積的黏土較松散，承載力一般。該溶洞已停止發育，洞內無明顯流水，地下水對隧道影響較小。

圖1 特大型溶洞平面示意圖Fig.1 Sketch of plan of super-large karst cave

2 特大型溶洞特點及處治難點

2.1 特大型溶洞特點

左線隧道穿越的特大型溶洞具有以下特點：1)該溶洞為無填充型溶洞，洞內空腔橫向分布廣、縱向高差懸殊，整體偏向隧道結構左下方；2)溶洞頂板輪廓不規則，大部分斷面溶洞頂板侵入隧道輪廓線，部分斷面溶洞頂板高出隧道頂部6～10 m；3)隧道周邊圍巖發育有裂隙且局部風化，施工過程中可能存在掉塊的危險；4)洞內無明顯流水且潛在積水深度遠低于隧道設計標高，因而地下水對隧道影響較小。

隧道穿越特大型溶洞的縱斷面及橫斷面如圖2和圖3所示。

圖2 溶洞縱斷面圖Fig.2 Longitudinal profile of karst cave

(a) ZK14+386斷面

(b) ZK14+390斷面

(c) ZK14+396斷面

(d) ZK14+414斷面

2.2 處治難點

左線隧道穿越的特大型溶洞是該工程處治的重點與難點。由于溶洞空腔分布范圍廣，實際施工時將面臨溶洞空腔處治難度大、施工作業受限、處治結構影響大等技術難題，具體有：1)隧道結構整體靠近溶洞頂板，其下方空腔較深，一定高程范圍內大型施工機械無法進場；2)隧道周邊臨空范圍大小不一，存在偏壓現象，洞身爆破開挖時易受到偏壓的影響，對圍巖產生擾動；3)隧道穿越大面積溶腔，采用一般橋梁方式處治溶洞空腔，不僅結構受力復雜，施工范圍受限，同時還存在洞壁掉塊與坍塌的風險，采用常規橋跨結構處治，對溶洞和隧道的整體穩定性影響較大。

3 特大型溶洞綜合處治方案

溶洞處治的目的在于確保上部隧道結構順利建成。綜合考慮特大型溶洞特點及相關處治難題，采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結構與洞渣回填綜合處治。

處治方案內容為：采用洞渣回填為底部樁基結構與上部處治結構的施工提供相應高度的作業面，樁基作為底部承載結構設置于溶洞陡坡地層上；縱橫框架梁板結構設置在隧道仰拱底部，與下方嵌巖樁連接形成整體結構；鋼筋混凝土擋墻結構設置在隧道襯砌左側偏壓段，以支撐溶洞頂板；對于隧道襯砌右側小范圍的溶腔，可用C20混凝土泵送填滿。溶洞處治如圖4所示。

4 特大型溶洞處治技術

4.1 處治整體施工思路

由于隧道底部空腔較深，洞內施工作業將受到一定限制。為保證施工安全與工后結構穩定性，采用自下而上的順序施工，具體流程如下：

1)清除溶洞底板上堆積的黏土層，對陡坡地層進行臺階開挖；

2)在開挖臺階上分別完成不同樁基的樁端嵌巖和擴底處理，隨后交叉施工空腔回填與樁身護壁結構，護壁施工過程中跟進搭接樁身鋼筋籠，待樁基結構與回填路面均達到設計高程后整體澆筑樁身混凝土；

3)施作縱橫框架梁與其兩側的鋼筋混凝土擋墻基礎，并在縱橫框架梁上方澆筑鋼混凝土板結構；

4)隧道開挖后，在鋼筋混凝土擋墻基礎上施作鋼筋混凝土擋墻。

4.2 空腔回填

空腔回填前需對陡坡地層進行人工臺階開挖，便于后續樁基在穩定的平面上施工，同時也能降低后期回填體發生不均勻變形的潛在影響。

(a) 縱斷面

(b) ZK14+395橫斷面

溶洞空腔主要用隧道洞渣進行回填，回填過程根據空腔高度分為人工回填與機械回填2種。

1)人工回填。在陡坡空腔范圍內，以人工碼砌的方式從陡坡坡腳處順著陡坡臺階走向分段回填，最終填至陡坡坡頂高程位置。

2)機械回填。陡坡空腔填平后，現場具備機械作業條件，以機械回填的方式分層回填，每回填一層都要進行整平和碾壓，以確保壓實度和壓實質量。

4.3 樁基施工

溶洞陡坡樁基包括嵌巖樁與擴底樁2種樁型，分別設置在隧道襯砌與鋼筋混凝土擋墻基礎下方。樁基自下而上的施工過程以空腔回填為基礎，其過程分為樁端處理、護壁拼接、樁身混凝土整體澆筑3個主要步驟。

1)樁端處理。在已開挖的臺階上以人工開挖的方式分別對不同樁基的樁端進行嵌巖和擴底施工。嵌巖樁樁端分節開挖過程需跟進施工護壁結構，分節長度為1.0 m，要求嵌巖段入巖深度大于4.5 m。擴底樁樁端剛性擴大基礎采用明挖法施工，在樁身結構施工前需先完成基坑混凝土澆筑。

2)護壁拼接。為抵御回填體對樁身產生負摩阻現象，在樁身周圍設置25 cm厚的鋼筋混凝土護壁結構。樁身護壁結構以1.0 m為施工進尺與空腔洞渣分層回填、交叉施工，在樁身護壁分節拼接過程中需跟進搭接樁身鋼筋籠，并要求鋼筋籠伸出樁頂1.9 m。

3)樁身混凝土整體澆筑。樁身護壁與樁身鋼筋籠施工至設計高程后，以跳躍式交錯的順序對不同樁基樁身混凝土進行整體澆筑，強度等級為C30。

4.4 縱橫框架梁板結構施工

為避免不同區域回填體受陡坡效應影響引起的回填地基不均勻沉降，在隧道仰拱與嵌巖樁之間設置縱橫框架梁板結構，底板結構覆蓋于縱橫框架梁上方。

樁基成型后，方可進行縱橫框架梁板結構的施工。

4.4.1 縱橫框架梁施工

考慮施工進場順序及框架梁結構空間位置，框架梁結構施工要點概括如下。

1)先施工隧道兩側的C30鋼筋混凝土擋墻基礎，然后以先縱梁后橫梁的順序施工縱橫框架梁結構。

2)縱梁、橫梁內部鋼筋需與樁頂伸出的鋼筋焊接牢固，確保縱橫框架梁結構與樁基形成整體結構。

3)隧道兩側鋼筋混凝土擋墻基礎結構與縱梁澆筑完成后，需在擋墻基礎結構與縱梁之間澆筑混凝土，形成整體結構。

4)橫梁施工應以先里后外的順序逆向施工，待所有橫梁施工成型后，根據混凝土灌注車的進場方向順序，依次向空腔內澆筑C15片石混凝土，完成整個縱橫框架梁結構的施工。

5)框架梁結構完成后，鋪30～50 cm厚的碎石，以防止隧道爆破掉落的特大塊碎石砸壞框架梁結構。

4.4.2 鋼筋混凝土板施工

鋼筋混凝土板結構厚30 cm，設置于隧道仰拱結構下方，起著保護縱橫框架梁結構的作用。隧道斷面爆破后，清除框架梁結構上方鋪設的碎石，然后在縱橫框架梁結構的上部分3節綁扎鋼筋混凝土板結構內部的鋼筋，最后整體澆筑混凝土，形成板狀結構。

4.5 鋼筋混凝土擋墻結構施工

隧道斷面爆破處理后，在已建擋墻基礎結構上以1.0 m高度為一個循環進尺由下往上逐層施工鋼筋混凝土擋墻結構，施工時應在最底層擋墻墻身預留出入門洞，方便施工人員進入擋墻內部完成上層擋墻結構的鋼筋綁扎與模板安裝；然后，以泵送的方式澆筑鋼筋混凝土擋墻結構墻身混凝土。以此方式逐層循環作業，直至完成鋼筋混凝土擋墻結構的施工。

在鋼筋混凝土擋墻分層施工過程中，應控制每層墻背坡率為1∶0.3，擋墻頂部需施工至能與溶洞頂板接觸的位置。對于溶洞頂板遠高于隧道頂部的區域，鋼筋混凝土擋墻結構應施工至隧道拱頂高程位置。

5 處治效果

那丘隧道左線ZK14+350～+520段特大型溶洞采用“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結構與洞渣回填的綜合處治方案，取得了良好的處治效果。自下而上的回填施工，不僅很好地解決了空腔內處治結構無施工作業面的難題，還提高了承載樁基的成樁效率與質量，保證了回填地基的穩定性。那丘隧道特大型溶洞綜合處治工序繁多，且存在交叉工程，經過近5個月的合理施工，隧道結構順利穿越近170 m長的特大型溶洞，將原定處治工期縮短約1個月，各項監控指標滿足要求，證明了該綜合處治技術的合理性和可行性。

6 結論與討論

1)針對那丘隧道特大型溶洞的特點與相關處治難點情況，確立了“承載樁基-縱橫框架梁板-鋼筋混凝土擋墻”組合結構與空腔回填的綜合處治方案，解決了溶洞空腔地段隧道難以穿越的問題。

2)從控制回填地基沉降與維持結構穩定的角度出發，建立了一種以回填為基礎、自下而上交叉施工處治結構的施工方法，并提出洞渣回填、承載樁基、縱橫框架梁板結構、鋼筋混凝土擋墻的關鍵施工技術。結合現場施工，驗證了該套施工方案的合理性和可行性。

3)由于溶洞輪廓十分復雜，洞壁輪廓不規則區域的機械壓實度將難以保證，回填地基的強度和穩定性將受到一定影響。如何完善機械回填壓實技術，將回填體壓實度和壓實質量控制在合理范圍，將是今后進一步研究的課題。

[1] 范斌.溶洞處理技術在公路隧道中的應用[J].施工技術,2012,41(23):102-104.FAN Bin.Application of karst cave treatment technology in highway tunnel construction [J].Construction Technology,2012,41(23):102-104.

[2] 易金舫,盧松柏,饒軍應,等.貴陽地鐵多溶腔隧道安全施工技術[J].施工技術,2016,45(13):101-104.YI Jinfang,LU Songbai,RAO Junying,et al.Safety construction technology for the multi-cavern tunnel of Guiyang Subway [J].Construction Technology,2016,45(13):101-104.

[3] 王銳,徐靖.淺談隧道溶洞處理[J].中國水運,2012,12(10):220-221.WANG Rui,XU Jing.A brief introduction to tunnel karst cave treatment[J].China Water Transport,2012,12(10):220-221.

[4] 李軍,蘇煥全,湯興文.巖溶地貌隧道不穩定溶洞處治措施[J].西部交通科技,2016(11):57-59.LI Jun,SU Huanquan,TANG Xingwen.Treatment of unstable karst cave in karst topography tunnel [J].Western China Communications Science & Technology,2016(11):57-59.

[5] 蔣進波.高速公路巖溶隧道溶洞處理施工技術[J].隧道建設,2012， 32(增刊1):122-125.JIANG Jinbo.Karst cave treatment technologies for highway tunnel [J].Tunnel Construction,2012,32(S1):122-125.

[6] 李錦華,向可明.自進式管棚在隧道溶洞處治中的應用[J].西南公路,2012(1):39-42.LI Jinhua,XIANG Keming.Application of self-propelled pipe shed in karst tunnel treatment[J].Southwest Highway,2012(1):39-42.

[7] 王者鵬,陳迪楊,葉志華,等.山嶺隧道溶洞處治技術[J].公路工程,2016,41(2):72-74.WANG Zhepeng,CHEN Diyang,YE Zhihua,et al.Treatment technology of karst cave in mountain tunnel [J].Highway Engineering,2016,41(2):72-74.

[8] 李曉春.公路隧道穿越充填型溶洞注漿處治技術研究[J].現代交通技術,2014,11(1):51-53.LI Xiaochun.Study of the grouting treatment technology of highway tunnel pass through filling karst cave [J].Modern Transportation Technology,2014,11(1):51-53.

[9] 代偉,李賀勇.隧道深埋大型充填型溶洞施工技術[J].隧道建設,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.

[10] 鐘超權.新大巴山隧道大型充填溶洞處理技術[J].西南公路,2008(2):51-53.ZHONG Chaoquan.Treatment technology of large filling-type karst cave on Xindabashan Tunnel[J].Southwest Highway,2008(2):51-53.

[11] 李錕.巖灣隧道特大型溶洞處治技術[J].隧道建設,2015,35(1):79-82.LI Kun.Case study of coping with super-large karst cave in construction of Yanwan Tunnel [J].Tunnel Construction,2015， 35(1):79-82.

[12] 游強,游猛.高壓旋噴樁復合地基在大型填充性溶洞處理中的應用[J].四川理工學院學報(自科版),2011,24(1):118-120.YOU Qiang,YOU Meng.Application of high pressure jet grouting pile composite foundation in large filling karst cave treatment [J].Journal of Sichuan University of Science & Engineering (Natural Science Edition),2011,24(1):118-120.

[13] 劉齊軍,丁永全,鄧少軍.龍塘坪隧道大型溶洞處理技術研究[J].公路,2012(9):259-261.LIU Qijun,DING Yongquan,DENG Shaojun.Study of processing treatment technology for large karst on Longtangping Tunnel [J].Highway,2012(9):259-261.

[14] 強俊濤.龍塘坪隧道大型溶洞處理施工工藝控制[J].山西建筑,2013,39(2):174-176.QIANG Juntao.Treatment construction technology control of Longtangping tunnel large karst [J].Shanxi Architecture,2013,39(2)：174-176.

[15] 薛成,高亞軍.山區高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技術[J].隧道建設,2013,33(4):300-304.XUE Cheng,GAO Yajun.Construction technologies for highway tunnels crossing through extra-large karst caves in mountain areas [J].Tunnel Construction,2013,33(4):300-304.

Comprehensive Treatment Scheme and Construction Technologies for Super-large Karst Tunnel

WANG Shaohui1,CHEN Zhao2,JIANG Chong3,*,LONG Haijian1， LIU Lin3,PENG Xiaolin3,SHA Ce3

(1.No.1EngineeringCo.,Ltd.ofFHECofCCCC,Beijing102205,China;2.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Changsha410008,Hunan,China;3.SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)

Super-large karst caves are encountered during construction of Naqiu Tunnel on Yongji Highway.As a result，a combination structure of bearing pile foundation + vertical and horizontal frame-beam-plate structure + reinforced concrete retaining wall and slag backfilling are adopted based on characteristics and treating difficulties of large karst cave and theoretical and site studies.And then a set of construction methods of alternate up-down construction of the structure on basis of slag backfilling is established.The construction practice shows that the technologies used are rational and feasible and good effect has been achieved.

Naqiu Tunnel; super-large karst cave; bearing pile foundation; vertical and horizontal frame-beam-plate structure; reinforced concrete retaining wall; slag backfilling

2017-03-13;

2017-05-26

國家自然科學基金資助項目(51074178， 51678570)；湖南省交通科技項目(201524)

王少輝(1982—)，男，河南洛陽人，2004年畢業于大連理工大學，土木工程專業，本科，高級工程師，主要從事公路工程研究工作。E-mail:740304035@qq.com。*通訊作者：蔣沖， E-mail:jiang4107@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.015

U 457

B

1672-741X(2017)06-0748-05