廣西喀斯特巖溶區隧道溶洞處治技術探討

李杰科 付立勇

溶洞的處治是喀斯特巖溶區隧道工程建設的一大難點，溶洞內的懸空結構、填充物滲漏、季節性集中降水等不良因素會導致隧道施工存在困難，處治不當極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質災害，嚴重影響隧道施工安全、質量和進度。文章結合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過程遇到的溶洞及其處治方案，探討喀斯特巖溶區溶洞形成機理，分析隧道溶洞處治的原則和措施，以期對溶洞處治的設計與施工提供借鑒。

隧道;溶洞;回填;跨越;技術

U459A230744

0?引言

喀斯特又稱巖溶，是具有溶蝕力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態的總稱。除溶蝕作用以外，還包括流水的沖蝕、潛蝕以及坍塌等機械侵蝕過程。我國喀斯特地貌分布廣、面積大，較著名的區域有廣西、云南和貴州等省（區）。

溶洞的處治是喀斯特巖溶區隧道工程建設的一大難點，溶洞內的懸空結構、填充物滲漏、季節性集中降水等不良因素會導致隧道施工困難，處治不當極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質災害，嚴重影響隧道施工安全、質量和進度。本文結合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過程遇到的溶洞及其處治方案，探討喀斯特巖溶區溶洞形成機理，分析隧道溶洞處治的原則和措施，以期對溶洞處治的設計與施工提供借鑒。

1?工程概況

廣西崇左至水口高速公路是廣西高速公路網規劃“六橫七縱八支線”中“橫六”合浦至那坡高速公路的重要組成部分，全長94 km，共設隧道2座。其中特長隧道1座長3 011 m，隧址區巖性以灰巖為主，地質構造主要表現為斷裂構造網狀發育，圍巖穩定性差。地質勘探資料顯示，隧址區鉆孔遇溶率為42.85%，鉆孔線溶洞率為12.22%～44.20%。實際施工過程中隧道內共分布大小溶洞50余處，其中大型溶洞6處，屬典型的溶洞群分布隧道。

2?溶洞的形成機理及分布形態

溶洞是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的地下空間，是石灰巖地區地下水長期溶蝕的結果。石灰巖的主要成分之一是難溶于水的固體（CaCO3），其在水（H2O）、二氧化碳（CO2）環境下發生化學反應轉化成可溶性的無機酸式鹽碳酸氫鈣[Ca（HCO3）2]，化學方程式為：CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2。由于石灰巖層各部分石灰質含量不一致，被侵蝕的程度各異，就逐漸被溶解分割成互不相依、千姿百態的溶洞。

溶洞在隧道開挖斷面的分布位置及形狀大小呈現隨機性，不同位置、不同大小的溶洞對隧道結構的影響各不相同。根據隧道斷面結構，溶洞分布形態基本可劃分拱頂、拱腰、拱腳、底板四處代表性部位。由此，應對癥下藥，研討相應的處治技術方案。

3?隧道溶洞對隧道施工及后期運營的影響

喀斯特巖溶區隧道施工過程中若遇溶洞，可能會發生冒頂、突泥涌水、塌方等地質災害。受凈空及其他洞內條件的制約，大型或常規施工機械無法進場，甚至部分工作只能依靠人工小規模開展，易造成人員傷亡，施工設備嚴重損壞，既增加隧道的施工難度，延長施工工期，又大量增加施工費用。

此外，倘若隧道溶洞處治不恰當，會對高速公路后期運營帶來很大危害。溶腔涌水會導致二襯滲漏水，隧道路面水毀損壞;回填不密實會導致路面、二襯不均勻沉降開裂變形，使路面跳車影響行車安全，甚至會導致隧道坍塌，道路中斷，造成極大的不良社會影響，而且二次處治費用相當高昂。

因此，如何處治所遇到的各種溶洞，已成為修建隧道的關鍵問題之一。

4?隧道溶洞處治的基本原則

本線路隧道所遇溶洞基本為干溶洞或填充型溶洞，個別溶洞有少量水流。對位于開挖輪廓線外一倍洞跨內的溶洞，處治的基本原則是強調一溶洞一方案設計的針對性，在確保安全性的前提下，兼顧經濟適用性。根據開挖后的實際地質情況，結合超前地質預報與監控量測報告，對隧道圍巖級別作適當的調整，采取封堵、加固措施進行處治：（1）清除溶洞內松散充填物，采用噴、錨、網及鋼筋束對溶洞壁進行封錨加固;（2）在隧道開挖范圍外采用漿砌片石回填;（3）當溶洞底有水流時，需確保水系不變，采用涵洞或橋梁跨越。

5?隧道溶洞處治技術方案

5.1?干溶洞或填充型溶洞回填處治

5.1.1?拱頂溶洞回填處治

溶洞分布在拱頂（見圖1），若溶洞有黏土等充填物，需在鋼拱架防護下挖除3 m厚充填物;若溶洞無充填物，則依次施做初期支護、二次襯砌。注意在溶洞位置預留2根分別突出開挖輪廊線外1.5 m、3.0 m的鋼管作為混凝土泵送通道，待二次襯砌混凝土達到設計強度后，以每層厚度≤1.5 m，分層泵送3 m左右C30混凝土回填溶洞，且應在前一層混凝土強度達到70%設計強度以上方可進行后一層混凝土的泵送。為及時排除溶洞內隨時可能產生的積水，應預留110 mmHDPE雙壁波紋管與隧道防排水系統連接。

5.1.2?拱腰溶洞回填處治

溶洞分布在拱腰，橫向外側發展（見圖2），若溶洞有黏土等充填物，需清除松散充填物;若溶洞無充填物，則對深度≤2 m的溶洞，施作初期支護、二次襯砌后，直接利用C30混凝土分層泵送回填;對深度>2 m的溶洞，在開挖輪廊線1.5 m以外范圍回填片石，依次施作初期支護、二次襯砌。注意在溶洞位置預留C30混凝土泵送鋼管及110 mmHDPE雙壁波紋管，做法與拱頂溶洞處治要求類似。

5.1.3?拱腳溶洞處治

拱腳溶洞（見圖3）對隧道施工影響較大，特別是在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖臺階法施工過程中，嚴重的情況下可造成拱腳局部失穩直至基底整體剪切失穩。拱腳沉降和水平收斂是隧道施工大變形控制的關鍵，本隧道采用臺階法施工，以下分別對上、下臺階的受力工況進行闡述：

（1）溶洞分布在上導洞拱腳

當溶洞分布在上導洞拱腳處，且溶洞向下側發展時，出于下導洞開挖的需要，溶洞下部暫不必回填，但必須對同水平及上側空洞進行回填，可在上導洞拱腳處溶洞上方并排橫鋪工字鋼2根，工字鋼兩端嵌入圍巖≥0.5 m，作為鋼拱架支撐。將鋼拱架按設計間距立于架設穩固的工字鋼之上，通過焊接方式使兩者連接成整體。溶腔采用泵送C30混凝土方式填充，當溶腔較大時，開挖輪廊線1.5 m以外范圍可回填片石。預留110 mmHDPE雙壁波紋管排水。

（2）溶洞分布在下導洞拱腳

當溶洞分布在下導洞拱腳處時，若溶洞有黏土等充填物，需進行清除。若溶洞無充填物，則在溶洞底部自下而上至離拱腳3 m處分層回填片石，并壓漿固結。上部3 m內分層采用C30混凝土澆筑，振搗密實。若溶洞向下發展較淺，對溶洞內充填物進行清理后，可直接分層澆筑C30混凝土回填。

5.1.4?底板溶洞處治

隧道底板出現溶洞（見圖4），首先應清除充填物，采取超前地質預報等手段探明溶洞底部持力層厚度是否達到設計要求。若持力層不達到設計要求，則采用鉆孔注漿技術，充填、置換處理溶洞，使下部溶腔內水泥混合體凝固后強度提高，以達到持力層補強的目的;或考慮采用梁板跨越。在持力層滿足要求的前提下，底板溶洞向下發展較淺時，可自下而上分層回填片石，壓漿固結，上部1 m采用C30混凝土分層澆筑。

5.2?流水溶洞跨越處治

上金隧道左洞開挖至樁號KB25+220～226段，左側揭露溶洞。溶洞位于左側下臺階，洞口長度約6 m，寬度約6 m，深度約12 m，腔體呈葫蘆狀。通過現場勘查和材料分析，溶洞正好處于一個主斷層和一個小斷層交接處。溶洞橫向向左延伸至附近的左江，溶洞揭露部分屬溶洞右側端頭，基底普遍黏土夾碎石，局部集中堆石，存在少量常年流水，流水水位呈季節性漲落。如圖5所示。

當隧道遇到大型溶洞，底部有水流時，需確保水系不變，采用橋梁方式跨越溶洞。施工前，需對溶洞周邊安全施工環境進行全面排查，路線范圍內溶洞壁采用掛鋼筋網（8 mm鋼筋網片20×20 cm）噴射厚度≥10 cm的C25混凝土進行防護。鑒于本溶洞各方向發育相對較寬，采用垂直于道路中線的擴大基礎式橫向C30支撐墻，上方架設高度為120 cm的C40梁板跨越。C30支撐墻基礎基底根據開挖的基巖分布狀況調整，使基礎底面落在完整的基巖上，且基礎下方5 m范圍內無溶洞。基礎與基巖、每層混凝土之間采用42×4 mm固腳鋼管連接，固腳鋼管按梅花型布置，縱橫向間距均為50 cm。支撐墻實際高度根據現場實際調整。作為支承，梁板內側搭接于完整基巖上，梁板外側與支撐墻整體澆筑，梁板縱向兩端與完整基巖搭接寬度≥1 m。梁板預埋110 mmHDPE雙壁波紋管透水。如圖6所示。

6?結語

通過應用以上喀斯特巖溶處治技術方案，攻克了50余處隧道溶洞，當前崇左至水口高速公路2座隧道圓滿地完成了開挖、支護任務。從巖溶處治的效果來看，隧道洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質災害得到了較好地控制，在很大程度上降低了因巖溶地質災害造成的施工安全風險。初支體系和二次襯砌結構性能可靠，滿足設計使用要求，有效保證了隧道施工質量和進度。

[1]李文江，孫明磊，朱永全，等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩定性及其控制技術[J].巖石力學與工程學報，2012，31（Z1）：2 732-2 736.

[2]秦?趣，諶洪星，張美竹.喀斯特山區礦業城市地質災害成因及治理方案[J].國土與自然資源研究，2011（6）：41-42.

[3]李繼君.隧道溶洞處理探討[J].山西建筑，2016，32（19）：304-305.