某巖溶隧道病害成因機理及治理措施研究

中圖分類號：U457.2文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.055

文章編號：1673-4874（2025）01-0187-05

0 引言

隨著我國公路交通運輸建設的快速發展，隧道工程比重逐漸加大。截至2021年年末，全國公路總里程達到528. ，比上年年末增加 全國公路隧道達到23268處、2469. 延米，增加1952處、269. 延米，其中特長隧道1599處、717. 08× km延米，長隧道6211處、1084.43 × 104延米1。孟慶生等2-3對貴州境內259座公路隧道的變形、裂縫、滲水等病害進行統計，多從施工質量、運營等方面進行成因分析；葉劍可等4-6根據襯砌病害原因分析提出了隧道襯砌病害防控措施。基于目前對深大巖溶運營隧道病害的本質原因及處理方案研究較少，本文相關病害探查方法及改造措施也可為類似工程提供借鑒和參考。

工程概況

1.1工程地質條件

某隧道位于廣西河池宜州市境內，為分離式長隧道。隧道右洞起止樁號為 ，隧道長度為1322m，進、出洞口路面高程分別為189.914m、162.500m，最大埋深為345m。如圖1所示，隧址區分布主要為石炭系中（C₂）-上統（C3）灰巖，為典型巖溶峰叢谷地地貌。龍頭一永順區域正斷層在 處與隧道相交，受斷層影響隧道區局部巖石裂隙發育，富水性較好。測區發育有（八況）地下暗河，自北西向南東流經八況后，向南順龍頭一永順斷裂帶（隧址區），發育泄入刁江。由于受排泄基準面——刁江深切的制約，地下河中游水泡水庫的枯水期水位標高為215m，下游悶水苑水庫中水位為152.9m，隧道病害段最高歷史水位達165. 9m。

1.2 原設計施工情況

施工期間右洞在 YK28+878處揭穿該大型廳堂式溶洞的正洞，該大溶洞橫穿整個隧道的左右線，左洞范圍內從左至右到隧道左洞中線附近逐漸收斂并停止發育，左下行線之間呈一寬約10m、高25m的廊道，溶洞發育至上行線時擴大呈直徑約 高 的巖溶大廳（如圖2所示）。

施工期間，對 段范圍內回填泵送混凝土作為緩沖層。在基底埋置預制管涵（四根無縫不銹鋼鋼管， ，將溶洞內的匯水引入左線21lt;28+842 左側處地下河，以保證地下水排泄通暢。除隧道拱架位置（距隧道中心線7m位置）采用垂直偏移15°打設 鋼管外，其余基底位置均采用垂直打設 鋼管，間距為1 打設深度以嵌入完整基巖 0.5m 作為控制。鋼管施工時管棚鋼管前端呈尖錐狀，在尾部焊接 mm加勁箍，管壁四周交錯鉆 16mm壓漿孔，并采用M30水泥砂漿注漿加固。

2病害特征概況

該隧道于 2014-09-26 建成通車，在2022年6月巡查過程中，發現隧道 段拱腰、邊墻、電纜溝等部位出現不同程度的裂縫、路面不均勻沉降、空腔及空隙、隧道滲水、襯砌結構脫空等病害。

2.1裂縫

如圖3、圖4、圖5所示，左側拱腰、局部邊墻部位裂縫尤為嚴重，路面產生了不均勻沉降變形現象；裂縫多為張性裂縫，呈直線形、折線形、弧形等。

隧道上行線樁號 段左側邊墻、拱腰病害較嚴重，裂縫長度較大，貫通性較好，最長達13.0m，寬度以 為主，局部達 ，最大探測深度達 0.8m ，裂縫主要集中在隧道邊墻檢修道以上 。隧道右側病害相對左側要輕，裂縫主要集中在 段右邊墻處，其余邊墻部位少量分布，裂縫長度小，貫通性較差，最長為3.8m，寬度一般為 。

2.2 路面沉降變形

如圖6所示，路面沉降最明顯區段為 ～YK28+865 ，其中 YK28+839附近高程曲線明顯陡降，在YK28+843 處路面沉降達到最大值，沉降量達19.594cm。

2.3襯砌滲水

隧道內滲漏水主要發生在施工縫處，其他部位少量分布。如YK28+025處邊墻滲水，底部充填物有水流從上行線向左洞延伸的痕跡，洞底水位在降雨1～2d后才上升，雨停 d后才逐漸消退。隧道地下水受降雨補給作用明顯。

3成因機理分析

3.1勘探工作布置

測區地形險峻，地質條件復雜，單一常規手段難以系統全面查明。劉東等7-8在天巴高速公路勘察中采用半航空瞬變電磁法，施工揭露巖溶與探測結果吻合度達85% 。張霄等9在南石璧隧道中運用包括高密度電法、瞬變電磁法及地震映像法的綜合物探技術，查明溶洞及破碎帶空間分布信息并于后期施工揭示相對比，取得較好的試驗結果。康世海等采用“鉆孔電視 + 電磁波CT\"手段聯合，大大消除了物探資料的多解性，既提高了數據的可靠性又滿足了對分辨率的要求。

本次針對隧道病害段落分布，采用面、線、點的順序全方位、逐步進行勘探。在地表開展半航空瞬變電磁勘探，隧道內部行車道布置地面物探測線，同時結合鉆探及孔間CT掃描對巖溶的形態進行補充修正，采用多手段技術進行相互印證，詳細查明隱伏巖溶的發育形態。勘察工作量如表1所示。

3.2巖溶形態分布

通過孔內電視掃描和內窺鏡視頻發現，仰拱底面存在空腔或空隙，空腔高度一般為5～15cm，空隙寬度一般為 ，但規模較小，未發現較大空腔存在。其中，ZK2、ZK3、ZK7仰拱混凝土底面空腔高度分別為10cm、5cm和 50m ，空腔內可見石鐘乳，ZK4、ZK9可見空隙存在。

SZK3－ 1（YK28 + 848.70左5.40m）、SZK7－1（YK28+847.30右6.40m）、SZK9－1（YK28+875.50右6.10m）處初期支護背后存在空洞，空洞橫向延伸長度為 其中， 52×3-1.52×9-1 處空洞處于支護結構與回填層之間，SZK7－1處空洞處于緩沖層內。SZK3-1處所揭露初期支護厚度僅為0.10m，小于設計的 ，且初期支護混凝土膠結極差，推測原空洞處為堆積回填的碎塊石層和初期支護膠結，后期受地下水等因素影響，碎塊石層發生沉降后與初期支護發生剝離形成空洞。SZK7一1處多為緩沖層施工時施工措施未采取到位，混凝土產生離析，塊石間空隙未填充密實形成空洞。SZK9一1處于初期支護與緩沖層之間，初期支護并未與緩沖層澆筑形成整體，亦有可能二者之間原為回填碎石后發生了沉降形成了空洞。上述情況表明支護結構已存在局部脫空見圖7和圖8。

根據現場勘察的典型縱斷面、橫斷面、三維地質模型成果來看（見圖9至圖11），溶洞底部呈“袋狀”，自底部往上整體以垂直發育為主，局部呈扁平狀向四周水平延伸發育20m左右再收斂閉合。隧道路面以上主要為水平發育，表現為溶洞往隧道右洞水平延展發育，在其右側形成一大型廳堂式空腔，水平延伸長55m，豎向發育最大高度達50m，溶洞頂部輪廓呈“拱形”。溶洞在隧道左側輪廓基本與支護結構外輪廓相似，僅在YK28+803～$＼yen123，456$ 段以通道走廊的形式往左洞延伸。

綜上所述，里程樁號 段最大的溶洞橫穿整個隧道的左、右線，于隧道左洞中線附近逐漸收斂并停止發育，為大型廳堂式溶洞，溶腔最大高度約為 ，最大長度約為100m，最大寬度為 ，如圖12所示。

3.3病害成因分析

3.3.1隧道基底巖溶發育

大規模的巖溶發育是產生病害的核心內在因素。溶洞為第四系軟塑粉質黏土提供了沉積條件，巖溶裂隙等是連接溶洞與地下河或外部的主要通道，地下河是攜帶沉積或運移顆粒物質的方式，地下系統中溶洞、裂隙、地下河等相互密切聯系，復雜多變的沉積環境條件導致該層位不穩定，工程性質差。隧道穿越該溶洞，下部沉積王層規模大、土質軟弱、厚度大、壓縮性大、力學強度低。粉質黏土層位長期受地下水影響以及后期的沉降固結，導致隧道進而發生沉降變形開裂。

3.3.2地下水補徑排能力強

隧道受臨近的悶水水庫控制區內基準排泄面（約151. 153.19m）影響，病害處溶洞現狀水位為151.23～153.15m，歷史最高水位為165.9m。隧道病害處仰拱最低高程為164.01m，位于季節變動帶151.23～165.9m范圍內。隧道位于地下水季節變動帶，同時受到富水斷層的影響，地下水連通能力強。

3.3.3原地基處理效果不佳

從溶洞充填物性質來看，坍塌回填形成的碎塊石土層級配差，空隙、空洞多，施工期間分層回填壓實的密實效果可能偏差，局部仍呈松散狀或空隙較多，細小顆粒易被攜帶流失，故后期存在沉降的可能性大。

根據鉆探揭示和井內電視成果分析，大部分回填碎塊石間隙未見水泥砂漿膠結物以及緩沖層內膠結差，僅于崩塌堆積層上部局部存在水泥砂漿膠結物，但膠結程度差，結構較松散，使仰拱底面局部出現空腔或空隙，施工期間對崩塌堆積層注漿加固效果較差。

該段病害成因主要為施工過程中隧底處理措施效果差或不得當，在地下水作用下碎石土層中細小顆粒被潛蝕以及軟弱土發生壓縮固結，導致隧底局部脫空；在長期循環的車輛動載影響下，最終使隧道不均勻下沉，邊墻受拉開裂變形。該隧道襯砌其他裂縫、隧底漏空、路面變形、滲漏水、裝修層破壞，水溝開裂均由隧道不均勻沉降造成。

4治理措施研究

隨著軟塑粉質黏土的固結作用、地下滲流及地下水升降作用和車輛動載以及可能存在的緩沖層應力影響，地基沉降變形的狀態會持續惡化，左側邊墻及拱頂開裂進一步加劇，將危及隧道安全。針對病害主要成因及特點，本次設計以加固隧底為重點，提出以下兩種解決方案。

4.1復合地基加固

采用鋼管樁注漿加固隧底人工填筑碎石層、爆破塌塊石層及第四系崩積碎塊石土；在變更設計方案的基礎上加密鋼管間距及注漿壓力，并嚴格控制注漿效果，在滿足隧底承載力的同時，將隧底以下20m左右加固為一個整體，達到隧底整體沉降的效果，并在現有隧道拱墻及仰拱施工縫處進行切割，把施工縫改造成沉降縫（如圖13所示）。注漿孔共計690個（惟幕孔255個，一般孔435個），鉆孔長度為17250m，水泥漿暫按20750m考慮（其中水玻璃速凝劑為4980 ）。

具體施工工序如下：

（1）隧道范圍采用鉆孔注漿加固，鉆孔間距為1.0m，呈梅花形布置。

（2）注漿加固區域：隧底人工填筑碎石層、爆破坍塌塊石層及第四系崩積碎塊石，平均加固深度暫按隧底以下25m考慮。

（3）按幕孔、一般性鉆孔順序施作，施工完成圍護邊界孔后再施工一般性鉆。惟幕孔采用低壓雙液注漿，避免漿液擴散至無效區域。

（4）注漿壓力初壓為 ，終壓為

（5）單孔注漿結束標準：當孔口管壓力為 1.5MPa ，原量lt;70L/min，穩定 。

4.2 橋隧合修

隧底設置橋梁，橋面寬13.3m，減小橋梁跨度，通過合理增加樁的方式，分攤隧道作用與橋樁的荷載，從而實現橋梁與隧道整體性設置。

如圖14、圖15所示，上部結構采用 （1×8+4×10+ 1×8） m鋼筋混凝土連續剛構，梁部采用土胎模板采用節段現澆法施工。 臺采用擴大基礎，其余墩臺采用樁基礎。樁基礎墩臺橫向布置3根直徑為2.0m的鉆孔灌注樁。樁基礎按端承樁設計。端承樁原則上要求樁基入土有效長度≥12m ，樁基整體嵌入中風化巖≥3m；如遇溶洞，應穿越溶洞后嵌入巖層 ≥1.0m，且樁基進入中風化基巖段總長≥5m ，樁基底部以下的基巖頂板厚度≥5m。本次設計共設置18根鉆孔灌注樁，總長為892.5m，最長樁為89m，采用低高度鉆機施工。

目前隧道運營壓力較大，橋隧合修方案受場地限制比較明顯，等改擴建施工時作為永久處理方案進行治理；復合地基加固可作為臨時治理措施，同時對該段進行長期監測。各治理方案優缺點如表2所示。

5結語

本文以某公路隧道為調查對象，對其既有病害的特征、成因機制、治理措施進行分析探討，主要得出以下結論：

（1）對該隧道病害位置進行了調查，統計隧道兩側襯砌裂縫的數量、寬度、長度和走向，以及裂縫產生的位置和沉降位置情況，發現大部分裂縫產生位置處有溶洞分布，溶洞與隧道病害存在著必然聯系。

（2）隧道襯砌開裂、路面沉降變形主要是由加固地基注漿固結效果差、地下水漲落與地下滲流導致碎石土層顆粒流失發生沉降變形以及軟弱土層壓縮固結作用等引起地基不均勻沉降造成。

（3）據現狀調查，地下暗河出水口較窄，出水量受到限制，當上游來水量增大時，地下河水將從巖溶小管道虹吸倒灌補給溶洞內，回填碎塊石層中細小顆粒多被地下滲流潛蝕帶走，加劇空洞的發育。

（4）采用綜合勘察手段，基本查明下伏巖溶形態為大型廳堂式溶洞。隧道底部左側區域溶洞橫向延伸更長、向下延伸更深，且其回填碎塊石層、軟塑粉質黏土層相較于右側區域厚度更大。

（5）針對分析既有隧道病害成因，提出了基底注漿加固、橋隧合修等方式對隧道進行病害治理，分別從場地施工條件、造價及處理效果進行分析，對類似工程治理起到一定指導作用。

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