隧道底部大型溶洞处治设计

王贵波，李 箐，曲道来

(1.中铁十三局集团第一工程有限公司，辽宁大连 116033; 2.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008;3.湖南省吉茶高速公路建设开发有限公司，湖南吉首 416000)

0 引言

岩溶问题是一个世界性的课题，各国在工程建设中，均遇到了各种各样的岩溶地质灾害。我国是多山国家，三分之二的国土由不同类型的山脉、高原组成，在基础建设大发展的今天，有着大量隧道、隧洞的修建。由于隧道、隧洞都处于地下各种复杂的水文地质和工程地质岩体中，因此对各类岩溶问题的处理尤为显得重要。在灰岩地区，如何既经济又安全地处理好隧道施工过程中出现的岩溶问题，成为了该工程是否能顺利完工的关键因素。本文结合溆浦至怀化高速公路控制性工程关虎冲隧道出现的突发问题，对采用桥梁跨越隧道底部大型溶洞的处理方案进行了详细的说明、分析与设计，可供同类工程参考，运用。

1 工程及地质概况

关虎冲隧道是溆浦至怀化高速公路的控制性工程，该隧道为双洞单向特长交通隧道，隧道长度为4 944 m。隧道区地质复杂，频繁穿越不同岩性地层、断层带，岩性变化大。而且该地区岩溶水系发育，地下暗河与岩溶泉水及岩溶裂隙水交错分布，情况复杂。该隧道怀化端围岩主要为弱—微风化薄—中厚状白云质灰岩、白云岩夹薄层紫色、灰色泥岩及层间错动产生的角砾岩，局部发育紫色钙泥质胶结的砾岩及粉砂质泥岩，为坚硬岩夹软岩。

2 岩溶发育情况说明

右线怀化端上半断面开挖掘进50 m处时，掌子面偏左位置发现一竖向发育的溶洞，该溶洞顶部位于隧道顶部开挖轮廓线以下，上口垂直隧道走向宽约8 m，平行隧道走向长约10 m，溶洞水平长轴与隧道中线夹角约60°～70°(如图1)。经下到洞内实地勘测，溶洞深度25～30 m，向下溶洞逐步扩大呈葫芦型，线路右侧溶洞壁距仰拱底以下15 m左右有大股状出水，呈瀑布状跌落洞底(如图2)。

该溶洞发育于断层带附近，溶洞下方多处见透镜状煤及砂岩，灰岩中角砾状结构发育，岩石扭曲痕迹十分明显，岩层产状变化大，洞室附近灰岩总体倾向SSW，倾角15°～30°;发育多组节理、裂隙。溶洞形状发育不规则，走向总体NNE－SSW，掌子面以约20°～30°相交;至顶部以下20 m时，洞室逐渐向NNE一侧扩大，该处一侧出现一宽约1.5～2.0 m的溶蚀平台，暗河水从该平台同一高度的NNE侧壁上侧小溶洞口流出，水流小时(3 000 t/d)呈面状漫流;水流大时(15 000 t/d)，呈大股状喷射而出。

3 设计方案

考虑到溶洞竖向深度为25～30 m，并且仰拱底以下15 m左右有大股状出水，不宜采用封堵的方式，以免堵塞地下水流水通道，以致地下水从更不利的位置流出，影响隧道安全。综合考虑采用架桥跨越的方式通过溶洞。

3.1 桥梁跨度及桥台与支座的设计

溶洞上口垂直隧道走向宽约8 m，平行隧道走向长约10 m，竖向呈葫芦型发育，上窄下宽，最宽处位于设计标高下16 m的位置，纵向宽度为16 m，因此采用25 m T梁一跨跨越。两端桥台台帽直接落于隧道底部岩层上。桥梁支座采用GPZ系列支座，支座型号分别为:GPZ1GD，GPZ1DX。

3.2 隧道开挖下台阶前的加固措施

由于溶洞拱顶裂隙发育，多为灰岩夹青灰色泥岩，岩体破碎。为了确保周围岩体的密实性以及能与初期支护有效的结合，在溶洞段隧道顶部进行注浆加固。

同时，为了提高该段的初支强度，使工字钢与周围岩体有机的结合起来共同受力，每品工字钢环向增设14根4.5 m长Φ42锁脚小钢管，一头焊在工字钢上，一头交叉打入岩体中。

3.3 隧道支护基础梁的设计

在隧道两侧拱脚处设置一钢筋混凝土基础托梁，左侧采用1.5 m×1.64 m矩形托梁，右侧采用1.5 m×1.9 m矩形托梁，二衬落于此基础梁上。同时，由于左侧初期支护悬空，在左侧初支工字钢下底前架设2榀32b普通工字钢托梁，工字钢采用高强螺栓连接，初支工字钢与此托梁采用钢板焊接。

3.4 防排水设计

关虎冲隧道为特长隧道，隧道穿越多座相连的不规则山体，中间位置分布多处地势低洼地段。水系发育，多为岩溶水与裂隙水。设计遵循“防、排、堵、截，因地制宜，综合治理”的原则，做到“清浊分流”。

路缘沟在桥台尾部两端设置路缘沟检查井，用φ 20钢管联通，跨越溶洞，将水排出洞外。

中心水沟在右侧基础梁中预留水沟槽，在溶洞两端设置中心水沟检查井，将中心水沟的来水转到右侧水沟预留槽中，然后接入洞口段中心排水沟，将水排出洞外。

衬砌结构设计图见图3，跨越段平面设计图见图4。

4 施工步骤

隧道分3个台阶按设计线形进行掘进，上台阶和中台阶开挖完成后，用工字钢架设便桥，满足临时施工运输要求，等隧道掘进至第一个车行横洞，施工运输车辆绕行左洞。然后开挖下台阶，并处理溶洞。

1)该段开挖下台阶以前，首先上台阶锁脚小导管以及对该段岩体进行注浆加固。

2)施作右侧基础梁下台阶，首先将该侧初支工字钢下底，拆除现有临时便桥，然后开挖该侧下台阶，施作该侧底部竖向加固锚杆，架设该侧下台阶临时便桥，施作该侧钢筋混凝土基础梁。

3)施作左侧基础梁下台阶，先架设溶洞纵向前后非悬空段工字钢，拆除现有临时便桥，然后开挖该侧下台阶，施作该侧底部竖向加固锚杆，架设该侧下台阶临时便桥，然后施作悬空段，悬空段先施作32b工字钢托梁，然后将初支工字钢焊接于托梁上，施作该侧钢筋混凝土基础梁。

4)开挖出桥台位置，施作桥台，架设桥梁支座。

5)拆除临时便桥，架设预制T梁。

6)施作二次衬砌结构。

5 施工注意事项

1)在溶洞口附近进行施工时，存在安全隐患，施工时特别要注意施工安全，做好施工人员的各项安全措施。

2)下台阶开挖后，根据实际情况可对设计标高以下10 m的溶洞周壁局部破碎位置进行喷混挂网加固。

3)中心水沟经检查井转到右侧基础梁预留水沟槽，在衔接处应开槽留口。

4)注意爆破控制，采用弱爆破，少扰动的原则，尤其是在桥台施工期间，尽可能地减少对临时便桥的扰动。

5)严格控制隧道开挖过程，防止洞渣以及在喷混过程中的混凝土掉入溶洞内，对溶洞内水系发生堵塞现象。

6)考虑到T梁与二衬可能有较长时间不会架设，在这段期间内要定期对该段初支以及便桥的情况进行安全巡查与监测，确保施工期间的安全。

6 总结

1)隧道内处理有水溶洞时，在保证隧道结构安全的前提下，应尽量的不破坏其原有水路。

2)岩溶问题是灰岩区隧道一个比较突出、复杂的问题，应加强监控及超前地质预报工作，对隧道掘进前方的地质情况有个预判，及早发现问题，及早处理。

3)隧道内岩溶处治设计时，不但要考虑经济因素和结构可靠度，还要结合能否有效施工以及施工安全来综合考虑。

［1］彭立敏，刘小兵.交通隧道工程［M］.长沙:中南大学出版社，2003.

［2］JTG D70—2004，公路隧道设计规范［S］.

［3］湖南省交通规划设计院.关虎冲隧道施工图［Z］.

［4］王梦恕.水下交通隧道的设计与施工［J］.中国工程科学，2009，11，(7):3 －10.

［5］王建宇.对隧道衬砌水压力荷载的讨论［J］.现代隧道技术，2006(增):67－73.

［6］雷 华，等.湾田3号隧道岩溶处治方案设计［J］.公路，2009，4，(4):41－45.