某高速公路隧道溶洞現狀及處治技術研究

羅文斌,任子熊

（深圳高速工程檢測有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引言

我國巖溶地貌分布較為廣泛，已運營的高速公路隧道中，巖溶地質隧道占全國高速公路總體隧道數量的50%以上，對高速公路隧道運營結構安全產生重要影響。因此，加強高速公路隧道溶洞現狀及處治技術研究具有十分重要的現實意義。國內眾多學者對此展開了研究，如劉江華[1]結合具體公路隧道工程，針對巖體碎裂情況嚴重、質地偏軟等問題，通過填埋施工和回填施工兩種方案比選，從經濟性和實現性角度，采用回填溶洞方法，降低溶洞坍塌概率，實現暗洞充分填埋；卿波[2]根據溶洞形態、水文地質條件對溶洞穩定性進行評價，并根據評價結果，針對溶洞頂部、側壁及與隧道交界位置有局部失穩狀況，提出加固方案，對比四種加固方案，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驗借鑒。

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

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市，為單向兩車道分離式隧道，設計時速80~100 km/h，凈空高寬分別為5.0 m 和10.25 m，隧道（左洞）起訖樁號為K2178+015~K2178+429，里程長414 m，最大埋深約120 m，于2008 年已通車運營。隧道進出口形式設計為端墻式，采用電光照明、自然通風、瀝青混凝土路面。洞體襯砌形式采用復合式襯砌結構，初期支護采用錨桿、鋼拱架、鋼筋網噴混凝土，二支采用筑模或鋼筋混凝土，聯合組成永久性承載系統。

1.2 地層巖性

根據鉆探結果揭示，隧道基地地層主要為碎石、黏土和石炭系（C）。其中石炭系（C）由于構造裂隙、風化裂隙和水的強烈溶蝕淋濾作用，巖溶發育，分為強、弱、微弱三個發育層段。在巖溶發育強層段，巖性為灰~灰黑色的灰巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，溶蝕嚴重，圍巖深度為0.7~3.7 m；巖溶發育弱層段，巖性為灰~灰黑色的灰巖，節理裂隙較發育，巖質新鮮較硬，巖芯呈短~長柱狀，圍巖最大厚度為11.0 m。溶洞巖體呈溶蝕發育，經長期發育，其內部構造應力逐步弱化。

1.3 水文地質條件

受隧道區內構造變形影響，洞穴頂部巖體節理裂隙發育。巖溶裂隙水是區內主要的水文地質類型。主要接受大氣降水垂直入滲補給洞穴內的有落水洞，徑流基本流向以垂直向下流動為主。枯水期，溶洞未見地下水，但豐水期溶洞內有少量積水。

1.4 溶洞形態

隧道在施工期間于K2178+074~K2178+134 段遭遇大規模溶洞貫穿隧道。該段隧道基地位于巖溶洞穴內，其形態為橢圓形，傾斜發育，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、洞壁垮落坍塌的灰巖塊石及由于長期風化形成的黏土，屬巖溶堆積地貌形態。結合地勘報告及現場具體狀況分析，溶洞周壁圍巖為近似水平狀灰巖，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。溶洞長約60 m，最高處有28 m，寬約45 m。

2 溶洞現場狀況

為了充分了解該高速公路隧道內溶洞的發育情況，采用自動化監測技術對隧道溶洞現狀進行調查，具體的調查情況如表1 所示[3]。

表1 隧道溶洞現狀調查情況

由表1 調查結果可知，第一段承臺上方擋墻表面有水，未見明顯裂縫；第二段承臺上方擋墻表面未見有水，同時也未見明顯裂縫；K2178+078 車行橫洞內鋼筋混凝土支撐墻表面有水，未見明顯裂縫，承臺及樁基礎不可見，溶洞落水洞未聽見水聲；K2178+127.5 人行橫洞內鋼筋混凝土支撐墻未見明顯裂縫，承臺部分可見，表面有水，未見明顯裂縫，樁基不可見。K2178+127.5 人行橫洞內擋墻混凝土及承臺現狀如圖1 所示。

圖1 K2178+127.5 人行橫洞內擋墻混凝土及承臺現狀

3 溶洞穩定性評價

溶洞的穩定性是溶洞處治技術選擇的關鍵性指標，因此在溶洞處治方案前，應先對溶洞進行穩定性評價。在溶洞穩定性評價過程中，需要從溶洞的整體和局部塊體兩個角度進行綜合考量。現階段，溶洞穩定性評價方法主要通過定性和定量分析進行評價。

3.1 溶洞整體穩定性定性評價

以該高速公路隧道工程的地層巖性、水文地質條件、溶洞形態等作為評價因素，通過比較有利穩定性條件和不利穩定性條件，對溶洞整體穩定性進行表格化定性評價，具體分析結果如表2 所示。

表2 溶洞整體穩定性定性評價結果

根據表2 溶洞整體穩定性定性評價結果，通過模糊綜合判定法對其穩定性進行綜合評估，最終評價該隧道溶洞整體穩定性等級為Ⅱ級。由此表明，該隧道溶洞屬相對穩定狀態。

3.2 溶洞整體穩定性定量評價

高速公路隧道在運營過程中容易受到外力作用，巖體出現變形、沉降，引起襯砌結構出現裂縫、表面滲水等問題，降低隧道穩定性。基于溶洞環境下，采用FLAC3D系統建模對溶洞整體穩定性進行定量評價分析，模型頂面不作處理，因隧道區域巖溶發育，巖體破碎，其構造應力已基本卸除，因此可忽略。模型擬采用巖體力學指標如表3 所示。

表3 模型擬采用巖體力學指標

根據表3 中的力學指標，在隧道持續運營條件下，基于隧道的地層巖性、水文地質條件、溶洞形態等，對溶洞巖體變形、沉降及塑性區分布狀況進行分析。遵循強度折減原則，計算隧道溶洞整體穩定系數FS 為1.64~1.78。由此證明，該隧道溶洞整體穩定性較好。

3.3 溶洞局部塊體穩定性評價

在隧道運營狀態下，采用Unwedge 系統軟件確定主要塊體的基本部位、大小及穩定性系數等，對溶洞局部塊體的穩定性進行綜合評價。隧道運營狀態下，產生塊體的部位主要有溶洞頂部、側壁以及與隧道交接位置等，其塊體穩定性系數如表4 所示。

表4 溶洞局部塊體穩定性系數

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。在穩定性系數方面，溶洞頂部、與隧道交接位置的塊體穩定性系數在1.5~2.0 之間，具有較好的穩定性；只有溶洞側壁塊體的穩定性系數為1.21，處于1.2~1.5 范圍內，穩定性一般。

3.4 穩定性評價結果

通過上述穩定性評價分析，得出如下結論：

（1）該溶洞整體穩定性較好。

（2）溶洞側壁存在局部失穩狀況，應采用樁基礎承臺支撐墻結構溶洞處治方案。

4 溶洞處治技術

該隧道溶洞沿隧道分布，溶洞長約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巖，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、K2178+078 車行橫洞側、K2178+127.5 人行橫洞側等部位存在滲水現象，安全風險較大，不利于隧道運營，因此必須對該隧道溶洞處治技術進行探究[5]。

根據溶洞分布和滲漏水情況及溶洞穩定性評價結果，在綜合考慮隧道運營風險、施工安全、質量控制、投資控制、施工工期等因素的基礎上，經過綜合比選，最終采用樁基礎承臺支撐墻結構溶洞處治方案。

溶洞前38 m（K2178+074~K2178+112）需要在溶洞中部右側擴挖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；樁基上構建承臺及支撐墻，支撐墻采用鋼筋混凝土。洞身段襯砌按新奧法原理設計，初期支護采用噴、錨、網、鋼架支護，二次襯砌采用鋼筋混凝土，并視地層、地質條件設超前錨桿預加固措施。溶洞施工處治設計參數如表5 所示。

表5 溶洞施工處治設計參數

考慮在施工中還需開展運營檢修工作，因此在K2178+078 左側設置了車行橫洞，K2178+127.5 右側設置了人行橫洞。

5 結論及建議

該文依托清遠某高速公路隧道工程，通過溶洞穩定性評價對高速公路隧道溶洞處治技術進行綜合探究，并得出以下結論：

（1）根據溶洞現狀調查結果，鋼筋混凝土支撐墻及承臺外露部分未見明顯結構性病害，結合隧道定期檢查結果，綜合判定隧道溶洞區承臺及嵌巖樁樁基基本處于穩定狀態。溶洞落水洞作為隧道和溶洞的排水通道，無堵塞現象。

（2）該隧道為特大型溶洞，地質狀況復雜，從溶洞的整體和局部塊體兩個角度對溶洞的穩定性進行評價。評價結果顯示，該隧道溶洞整體穩定性較好，但溶洞側壁存在局部失穩狀況。

（3）結合隧道實際情況，經過方案比選，最終采用樁基礎承臺支撐墻結構溶洞處治方案。通過采用該方案對隧道溶洞側壁進行了合理處治，治理效果明顯。

實踐證明，采取上述處治技術對溶洞處理是可行的。但是，在高速公路隧道日常運營過程中，建議加強對隧道溶洞區段鋼筋混凝土支撐墻和承臺外露部分進行巡查，確定是否出現結構性病害。同時，還應對溶洞落水洞進行巡查，如遇排水通道堵塞現象，則需進行排水處治[6]。