隧道穿越大型充填溶洞綜合處治技術(shù)研究

劉東　袁通　姚宇洪

摘要：針對(duì)隧道穿越大型充填溶洞處治技術(shù)難題，文章結(jié)合廣西天峨至巴馬高速公路150余處充填型溶洞處治實(shí)例，借助數(shù)值計(jì)算、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段，系統(tǒng)開展了充填型溶洞處治及效果研究，提出采用加強(qiáng)型襯砌、框架型初支結(jié)構(gòu)、雙層超前支護(hù)、CRD素混凝土臨時(shí)仰拱澆筑法、大鋼管鎖腳、鋼管樁仰拱基底預(yù)加固法等綜合處治技術(shù)。結(jié)果表明：該綜合處治技術(shù)對(duì)隧道安全、快速穿越大型充填溶洞效果顯著，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：巖溶隧道；充填溶洞；綜合處治技術(shù)

0引言

巖溶區(qū)域廣泛分布于我國(guó)的貴州、云南、廣西、四川等省區(qū)，其面積約占我國(guó)國(guó)土面積的1/3。由于長(zhǎng)期受地下水溶蝕作用，可溶巖易溶解形成溶腔或大型溶洞。當(dāng)溶洞與地表土層連通后將充填巖土碎屑和地下水，會(huì)給隧道工程建設(shè)帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究充填型溶洞隧道圍巖穩(wěn)定性和處治技術(shù)等受到諸多學(xué)者的關(guān)注。

李術(shù)才等為研究隧道承壓型隱伏充填溶洞涌水突泥災(zāi)變演化過(guò)程，自主研發(fā)了大型隧道涌水突泥災(zāi)變演化模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)隧道涌水突泥機(jī)制的研究和災(zāi)害防治具有一定指導(dǎo)意義［1-2］；向明清基于兩端固結(jié)梁理論建立力學(xué)分析模型，推導(dǎo)了隱伏充填溶洞失穩(wěn)的最小安全厚度，分析了其影響敏感參數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的施工治理措施［3］；鄧書金等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究巖溶隧道充填型隱伏溶洞涌突水持續(xù)時(shí)間特征，研究結(jié)果對(duì)于隱伏溶洞涌突水災(zāi)害預(yù)警與防治措施具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值［4］；韓鵬通過(guò)對(duì)比不同裝置類型下不同充填類型溶洞的地電學(xué)特征，分析其正反演結(jié)果，為充填型溶洞探測(cè)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)［5］。本文結(jié)合天峨至巴馬高速公路150余處充填型溶洞處治實(shí)踐，借助數(shù)值計(jì)算、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等綜合手段，對(duì)隧道穿越充填型溶洞處治技術(shù)進(jìn)行研究，并分析處治效果。

1 工程概況

天峨至巴馬高速公路全長(zhǎng)約105 km，隧道總長(zhǎng)49 997.5 m/49座，占比達(dá)47.6%。全線隧道位于喀斯特地貌巖溶發(fā)育區(qū)，地下暗河眾多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隧道施工過(guò)程中揭露溶洞上千處，其中充填型溶洞總計(jì)150余處。

本項(xiàng)目充填型溶洞發(fā)育區(qū)域存在如下特點(diǎn)：（1）區(qū)域內(nèi)匯聚有大量的地下水[KG（0.12mm]加速可溶巖的溶解，例如地表洼

地附近，與地表連通的巖溶裂隙、管道和地下暗河等；（2）區(qū)域內(nèi)圍巖受地質(zhì)構(gòu)造作用圍巖破碎，例如斷層、褶皺等，使地下水的流通更加順暢。地表水流將地表黏土、碎石土等順巖溶裂隙、管道帶入溶洞，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化、沉積和溶洞巖壁崩落風(fēng)化等行為，形成具有一定層次、夾雜大塊孤石的沉積物。該沉積物多呈欠固結(jié)狀態(tài)，承載力低，含水率較高，細(xì)顆粒以砂狀、粉砂狀為主，其與大塊孤石間膠結(jié)差，自穩(wěn)能力差，施工風(fēng)險(xiǎn)高。本文結(jié)合上述充填型溶洞特點(diǎn)，研創(chuàng)出一套具有針對(duì)性的隧道穿越大型充填溶洞綜合處治技術(shù)。

2 綜合處治技術(shù)

該綜合處治技術(shù)包含襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)、雙層超前支護(hù)設(shè)計(jì)、開挖工法設(shè)計(jì)、鎖腳支護(hù)設(shè)計(jì)和仰拱底軟基處治設(shè)計(jì)等，適用于隧道全斷面為溶洞充填物段落施工處治，同時(shí)也適用于洞身局部范圍圍巖為溶洞充填物，可針對(duì)性地采取其中部分處治技術(shù)。

2.1 襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.1 加強(qiáng)型襯砌

在充填型溶洞段隧道施工，由于圍巖自穩(wěn)能力差，塑性圈相對(duì)較大，松散土層作用于隧道襯砌荷載較大，因此充填型溶洞段初支和二襯均需進(jìn)行加強(qiáng)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐總結(jié)：充填型溶洞段隧道初支采用Ⅰ22b型鋼，間距為50 cm，此參數(shù)在保證初支滿足圍巖荷載要求的同時(shí)能減少單次進(jìn)尺，在一定程度上保證充填型溶洞段隧道施工安全。

針對(duì)充填型溶洞段隧道二襯支護(hù)，采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行充填型溶洞段隧道二襯截面設(shè)計(jì)和配筋。二襯采用60 cm厚C35鋼筋混凝土，主筋采用25 mm鋼筋，間距為20 cm。驗(yàn)算結(jié)果如下頁(yè)圖1～3和表1所示。

2.1.2 框架型初支結(jié)構(gòu)

充填型溶洞段隧道初支受力大，掘進(jìn)過(guò)程中易發(fā)生塌方或大變形，而初支發(fā)生塌方或大變形后破壞位置多為拱架接頭部位，且拱架多為受扭破壞。從拱架受力性能分析，主要原因在于細(xì)長(zhǎng)型弧形拱架雖抗彎性能較強(qiáng)，但截面抗扭性能弱，且拱架接頭部位多為薄弱點(diǎn)。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，研創(chuàng)了一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的初支加強(qiáng)技術(shù)：在拱架接頭部位兩端各焊接一根Ⅰ14型鋼加強(qiáng)主拱架的縱向連接，形成框架型初支結(jié)構(gòu)受力體系，具體如圖4所示。該技術(shù)既增強(qiáng)了初支型鋼整體抗扭性能，同時(shí)解決了拱架接頭部位較薄弱問(wèn)題。經(jīng)實(shí)踐證明，這一初支加強(qiáng)技術(shù)對(duì)隧道穿越充填型溶洞施工效果顯著，該技術(shù)亦可應(yīng)用于軟巖、洞口覆土層等隧道段落施工。

2.2 超前支護(hù)設(shè)計(jì)

2.2.1 雙層超前支護(hù)

溶洞沉積物多為欠固結(jié)土層，并夾雜有大塊孤石，土層含水率較高，內(nèi)摩擦角小，孤石與土層間粘結(jié)性能差。在隧道開挖過(guò)程中，拱頂極易發(fā)生孤石滾落，并伴隨土層掉落，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。針對(duì)此特性，創(chuàng)新采用雙層超前支護(hù)體系，即9 m長(zhǎng)89×6 mm超前短管棚+5 m長(zhǎng)50×5 mm超前鋼管，89×6 mm超前短管棚環(huán)向間距為40 cm，縱向排距為4 m，外傾角度為15°～20°，50×5 mm超前鋼管環(huán)向間距為40 cm，縱向排距為4 m，外傾角度為5°～12°。50×5 mm超前鋼管與89×6 mm超前短管棚之間環(huán)向和縱向?qū)χ绣e(cuò)排布置，如圖5所示。

為增加89×6 mm超前鋼管剛度，打設(shè)鋼管前在鋼管內(nèi)塞入鋼筋籠，89×6 mm鋼管與50×5 mm鋼管管內(nèi)均填充砂漿，增強(qiáng)整體剛度，如圖6所示。為保證短管棚打設(shè)角度不宜過(guò)大，可在初支鋼架上打孔，使89×6 mm鋼管從鋼架腹部穿過(guò)，鋼管尾部與鋼架焊接。由于鋼架上打孔孔徑較大，對(duì)拱架受力性能影響較大，需在管棚端頭部位下方架立4榀復(fù)拱，待二襯施工至此部位時(shí)，再拆除復(fù)拱。

2.2.2 雙層超前支護(hù)體系受力機(jī)理分析

采用超前短管棚+超前鋼管結(jié)合的雙層超前支護(hù)體系，充分發(fā)揮了兩者超前支護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

超前短管棚剛度大、防護(hù)距離長(zhǎng)，能起到較強(qiáng)的懸挑作用，預(yù)防突發(fā)性的拱頂塌方、孤石滾落等地質(zhì)災(zāi)害。由于管棚鋼管較長(zhǎng)、外傾角度較大，利用管棚注漿，對(duì)拱部松散圍巖加固范圍更大，拱部形成較厚的硬殼層。管棚間插入50×5 mm超前鋼管，并與下一環(huán)管棚形成交叉搭接形式，通過(guò)小導(dǎo)管注漿對(duì)硬殼層進(jìn)一步加固，可避免管棚中間土層滑落。管棚與小導(dǎo)管形成雙層梁拱效應(yīng)，兩者相輔相成，共同受力。

2.3 開挖工法設(shè)計(jì)

巖溶填充物一般呈砂狀或粉砂狀，粘聚力低。隧道開挖時(shí)拱頂和掌子面土層自穩(wěn)能力差，大斷面開挖易引發(fā)拱頂或掌子面塌方。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用CRD開挖工法，減少掌子面臨空面并降低開挖高度。對(duì)于CRD開挖工法，以往設(shè)計(jì)中采用弧形型鋼并噴射混凝土形式作為臨時(shí)仰拱，但此工法存在如下弊端：（1）施工工藝較為復(fù)雜，當(dāng)上臺(tái)階處于快速變形狀態(tài)時(shí)，由于本工藝操作時(shí)間長(zhǎng)，不能起到及時(shí)控制變形的作用，且工人操作存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)；（2）臨時(shí)仰拱作用發(fā)揮完畢后進(jìn)行拆除較為困難。針對(duì)此問(wèn)題，將弧形型鋼+噴射混凝土形式臨時(shí)仰拱優(yōu)化為30 cm厚素混凝土臨時(shí)仰拱，此工藝可直接采用泵送混凝土形式澆筑，當(dāng)上臺(tái)階變形大時(shí)能快速抑制變形并保證作業(yè)人員安全，在臨時(shí)仰拱作用發(fā)揮完畢后進(jìn)行拆除也十分便利。

2.4 鎖腳支護(hù)設(shè)計(jì)

巖溶填充物內(nèi)鎖腳錨管受力較為復(fù)雜。隨著溶洞填充物的沉降變形，初支受上部荷載作用通過(guò)拱架傳遞至鎖腳錨管，給鎖腳錨管施加豎向壓力；初支受兩側(cè)松散土層的側(cè)向擠壓，向內(nèi)收斂變形，給鎖腳錨管施加向內(nèi)的拉拔力；鋼拱架給鎖腳錨管施加豎向壓力的同時(shí)，會(huì)在鎖腳錨管的端頭部位產(chǎn)生彎矩；同時(shí)隨著鎖腳錨管的位移，在鎖腳錨管表面產(chǎn)生摩阻力和橫向支撐力，錨管末端同時(shí)產(chǎn)生支撐力。具體受力模型如圖7所示。

根據(jù)圖7鎖腳錨管受力模型分析可知，在巖溶填充物內(nèi)，鎖腳錨管主要受土體表面摩阻力和拱架帶來(lái)的壓力和彎矩。基于此，為增強(qiáng)鎖腳錨管的鎖腳效果，可通過(guò)增大鎖腳錨管的表面積、摩阻系數(shù)等提高鎖腳錨管的表面摩阻力；通過(guò)增加錨管橫截面以提高鎖腳錨管的抗彎性能。因此，充填型溶洞段落上臺(tái)階采用9 m長(zhǎng)89×6 mm鎖腳大鋼管，考慮下臺(tái)階機(jī)械操作的便利性，下臺(tái)階拱腳部位采用5 m長(zhǎng)50×5 mm鎖腳鋼管進(jìn)行鎖腳加強(qiáng)（見圖8），同時(shí)在鎖腳鋼管上設(shè)置倒刺形式，以增強(qiáng)鎖腳錨管的表面摩擦系數(shù)，具體可參考圖6方式設(shè)置倒刺。

2.5 仰拱底軟基處治設(shè)計(jì)

2.5.1 鋼管樁仰拱基底預(yù)加固

針對(duì)隧道底部發(fā)育較厚溶洞填充物情況，經(jīng)觸探試驗(yàn)其承載力往往難以滿足設(shè)計(jì)要求，且壓縮變形較大，因此需對(duì)隧道基底進(jìn)行加固處治，以避免結(jié)構(gòu)物沉降變形過(guò)大。由于采用換填方式難以達(dá)到處治效果，且當(dāng)開挖較深時(shí)易導(dǎo)致初支失穩(wěn)，而大型機(jī)械無(wú)法在隧道內(nèi)操作，因此選用鋼管樁進(jìn)行隧道基底加固。由于復(fù)合地基加固處治時(shí)間較長(zhǎng)，且鋼管注漿加固前期注入的漿液對(duì)基底進(jìn)一步軟化，為保證處治過(guò)程中初支穩(wěn)定，可在下臺(tái)階開挖前預(yù)先采用鋼管樁進(jìn)行地基加固，并施作臨時(shí)仰拱和鎖腳大鋼管等措施，待漿液凝固后再進(jìn)行下臺(tái)階開挖并截?cái)嘞屡_(tái)階部位鋼管，如下頁(yè)圖9所示。仰拱開挖后，在鋼管樁樁頂鋪設(shè)一層50 cm厚的碎石褥墊層和鋼筋混凝土承臺(tái)，保證鋼管樁整體受力并充分發(fā)揮樁間土承載力，如下頁(yè)圖10所示。

仰拱底軟基處治時(shí)，應(yīng)避免一次性開挖仰拱長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，建議每6 m一循環(huán)開挖，待基底處治完畢并封閉成環(huán)后再進(jìn)行下一循環(huán)施工。

2.5.2 復(fù)合地基承載力測(cè)試

為驗(yàn)證鋼管樁對(duì)隧道底軟基的加固效果，采用靜載荷試驗(yàn)對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2和圖11所示。

由表2和圖11可知，隨附加荷載逐漸增大，地基沉降總體呈線性增大趨勢(shì)，當(dāng)施加至396 kPa時(shí)最大沉降量為20 mm，滿足隧道基底承載力和地基沉降變形控制要求。當(dāng)附加荷載消除時(shí)，地基殘余沉降變形為18.38 mm，這主要是由土顆粒間孔隙壓縮引起的。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）數(shù)值分析結(jié)果表明：加強(qiáng)型襯砌支護(hù)參數(shù)滿足隧道在充填型溶洞內(nèi)結(jié)構(gòu)受力要求。通過(guò)加強(qiáng)初支型鋼縱向連接，形成框架型初支結(jié)構(gòu)體系，能極大地提高隧道初支承載力。

（2）分析超前短管棚+超前鋼管雙層支護(hù)體系受力機(jī)理，表明兩者相輔相成，形成雙層梁拱效應(yīng)。該雙層超前支護(hù)體系對(duì)隧道下穿充填型溶洞或在其他軟巖、土質(zhì)圍巖等施工效果顯著。

（3）研究鎖腳錨管在巖溶填充物段落的受力機(jī)理，表明采用加大鎖腳錨管長(zhǎng)度、截面尺寸和鋼管表面設(shè)置倒刺等形式能在一定程度上增強(qiáng)鎖腳作用。采用CRD工法開挖，同時(shí)創(chuàng)新性地采用素混凝土臨時(shí)仰拱澆筑法，能有效確保隧道安全穿越充填型溶洞。

（4）充填型溶洞段內(nèi)創(chuàng)新性采用鋼管樁仰拱基底預(yù)加固法，能保證隧道下臺(tái)階開挖和軟基處治過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；靜載荷試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該復(fù)合地基加固法效果顯著。

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依托項(xiàng)目：2022年度廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜地形巖溶隧道安全施工保障災(zāi)害預(yù)測(cè)成套技術(shù)研究”（編號(hào)：桂科AB22080010）

作者簡(jiǎn)介：劉 東（1983—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事隧道工程建設(shè)與管理工作。