山区高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技术

薛 成，高亚军

(中交二公局华盟公司，陕西 西安 710065)

0 引言

山区高速公路隧道施工中会面临很多的复杂地质构造和不良地质病害，特别是在隧道开挖施工中出现特大溶洞时，由于受到地质、地貌等复杂情况和处理空间有限等因素的干扰，处理技术难度会更大，会对工程质量、进度、安全等产生不利影响。目前，国内关于山区高速公路特大溶洞处理技术的相关文献比较少，而关于一般溶洞处理技术的文献较多。文献［1］对百色至靖西高速公路陇内隧道特大溶洞处理技术和方法进行了介绍，但手段相对简单;文献［2］对于特殊不良地质状况下的溶洞处理技术进行了介绍，对3种溶洞处理的方案进行了对比分析，评价了溶洞整体的稳定性，其中采用的“桩基托架跨越”与本文隧道基底下部处理有类似之处;文献［3］主要分析了宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策。本文主要针对山区高速公路，当隧道跨越特大溶洞时，在复杂地质环境下采取的不同技术处理措施。

1 工程概况

清连高速B4标白须公1#隧道位于清远市阳山县南部“粤北山字型”构造，设计里程K2178+015～+425，长410 m。开挖到K2178+074时，在隧道上半断面发现特大型溶洞。经实地踏勘，该溶洞洞内表面溶蚀发育，随处可见钟乳石、石笋、石柱，表面有裂隙水，并伴有流水，溶洞最宽处近百米，距地表最小垂直深度约50余米，最深的侧洞达数百米，实测隧道穿越区域溶洞空腔最高110 m、宽约70 m、长约101 m;沿洞壁向溶洞左侧行走至600 m可外延溶洞出口，洞底有水流。在溶洞内桩号K2178+136.5隧道中心线右侧，有一横向溶洞，最高处约15 m，最宽处约25 m，深度约15 m;溶洞前38m(K2178+074～+112)需在溶洞中部右侧扩挖12.4 m隧道，后28 m(K2178+112～+140)段隧道要横穿溶洞。

2 溶洞施工处理技术难点

该溶洞地质结构属于溶蚀侵蚀高丘微山地区，其地貌单元有斜坡、溶沟、石芽、峰林等地形，隧址区进出口端及山坡表层分布有第四系全新统坡残积物，以红黏土为主，夹有灰岩碎石。其他地段大部分基岩裸露，岩性为石炭系下统灰岩，按风化程度和岩溶发育程度划分为岩溶强发育灰岩(岩体基本质量为V级)、岩溶弱发育灰岩(岩体基本质量为III级至IV级)。该隧道处于复杂构造带上，其构造属华南褶皱系南岭纬向，褶皱断裂发育，出露地层岩性主要为石炭系、二叠系、白云岩等碳酸盐岩，分布范围广，沉积厚度大，区内气候湿热，雨水充沛，在地表、地下水强烈的淋滤、溶蚀作用下，形成了落水洞及岩溶洼地的岩溶地貌，间有漏斗(见图1)，溶洞兼有风化层和软弱层。若采取对桩基处理、溶洞设置简易桥、一侧溶洞岩体支撑挡墙处理等措施，以及合理有效地增设排水系统，都会产生很多技术难题。由于方案无法确定，隧道停工半年多，且隧道另一洞口处于悬崖处，造成无法开展另一侧的隧道施工，故采取有效合理的施工技术方案是必不可少的。

图1 白须公溶洞概貌Fig.1 General picture of Baixugong karst cave

3 溶洞处理总体设计思路

本隧道采取增设导洞，由导洞进入主洞先避开溶洞掘进，然后对溶洞进行技术处理，结合以往对溶洞处理的方式，经过反复勘测分析论证，会同专家研究，确定出溶洞处理的总体设计思路。

1)对溶洞靠隧道的侧壁及顶部围岩采用清理和喷锚加固处理。

2)在底部采用桩基处理，并在基础上构建承台及支撑墙，溶洞底与隧道结合处采用横向联系梁连接。

3)采用超前管棚、钢拱架、锚喷、仰拱等综合支护措施进行处理。

4)对岩溶水按照“宜疏不宜堵”处理原则，在承台下边设排水沟，增设管涵，将岩溶水引入溶洞底的天然沟谷。

4 溶洞处理具体方案

4.1 小溶洞和裂隙处理方案

在隧道穿越的主溶洞侧旁分布有许多小溶洞和裂隙，对岩层发育稳定、跨度较小且无水的溶洞，根据其与隧道相交的位置采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封堵。拱部以上空溶洞，可视溶洞的岩石破碎程度采用喷锚支护加固或加设护拱及拱顶回填的办法处理;破碎程度较严重的，采用注浆固结或长大管棚支护。

4.2 特大溶洞处理方案

根据溶洞所处的实际情况，对于特大溶洞其空间大、侧向延伸深度广，有层间水和山体裂隙渗水，地质软弱带结构特别复杂，具体处理方案如下:

1)对溶洞下部采取桩基础进行处理，其上设置整体承台，加设支撑墙并嵌入溶洞顶部，以承担上部岩体荷载［4］。

2)隧道穿越特大溶洞与支洞联结处，支洞一侧采用边墙钢筋混凝土基础加固处理，主洞一侧按方案1)处理。

3)溶洞段隧道底部处设置横系梁代替仰拱，实现隧道环向受力。

4)采取疏导措施处理岩溶水、裂隙水，在承台内设排水系统引排岩溶水;在其下边设排水沟，增设涵洞，将裂隙水引入溶洞底的天然沟谷。

5)对于隧道上方的溶洞含有充填物、不稳定层的部位，将充填物及不稳定层清除，采取增设锚杆、衬砌加固等措施予以处理。

6)对于局部较为复杂的结构，可根据实际情况进行重新设计论证和结构验算。

5 溶洞处理技术

5.1 基底处理

经补充勘察，从溶洞原始地表起算，软塑性至可塑性黏土夹溶洞小型塌方块石的充填物，厚度达20余米，地基承载力不能满足原设计的片石混凝土基础要求。经研究，确定采用桩基础承台支撑墙结构。溶洞底部处理方式为:隧道左侧采用双排(每排9根)桩径1.6 m桩基;中部及右侧采用单排(每排4根)桩径2 m桩基，桩底嵌入坚硬持力层不少于3 m。为避免扰动和破坏岩层，还考虑空间溶洞的特殊性，机械施工难度大，全部采用人工挖孔进行处理。

5.2 溶洞顶部及侧壁处理

在实际施工过程中，溶洞洞壁围岩基本为Ⅲ级围岩，勘测分析确定为稳定岩体，采取喷锚技术加以处理。经对初期施工方案分析评审，取消超前管棚，变更为采用超前锚杆结构，并取消仰拱［5］。

1)施工前清理掉洞内危石，对碎落带进行清理，防止塌落或垮塌，再进行锚支护。

2)溶洞拱部及侧壁围岩的支护采用φ22 mm药卷锚杆(拱部锚杆长2 m或6 m;侧壁锚杆长2.5 m或4 m)，呈梅花形布置，间距150 cm×150 cm，挂φ6 mm钢筋网，间距15 cm×15 cm，并喷射15 cm厚C25早强混凝土。

5.3 溶洞入口段隧道洞身处理

在K2178+074～+083段原施工过程中，按照Ⅲ级围岩已开挖并喷锚支护完毕，但需扩大开挖断面，其施工难度较大，且会对岩层造成再次扰动。考虑围岩稳定性好，为加强溶洞入口段隧道的支护结构，根据开挖断面形状，对已开挖段落突出部位进行局部凿除后，在满足二次衬砌35 cm的情况下进行加强锚喷。采用5 m φ22 mm药卷锚杆，间距140 cm×120 cm，环向11根，与原有锚杆交错布置，并尽快喷射混凝土及挂φ6 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm，以保证隧道进入溶洞处洞身能达到稳定和承压的目的。

5.4 溶洞内承台及支撑墙等混凝土结构施工

针对该溶洞洞径巨大、洞内主要为无充填溶洞，采用承台及钢筋混凝土支撑墙进行加固(见图2)。承台分为3段，厚2 m。第1段承台起讫桩号为K2178+083.7～+097.5，位于隧道左侧;第2段承台起讫桩号为 K2178+097.5 ～ +112.5，位于隧道左侧;第3 段承台起讫桩号为 K2178+112.5～ +136.5，横穿隧道。隧道左侧承台宽6.7 m，右侧承台宽2.23 m，隧道左侧支撑墙底部宽5.7 m，外侧坡比为1∶0.2，内侧紧贴岩壁;右侧支撑墙底部宽1.93 m，外侧坡比为1∶0.1，内侧紧贴岩壁。在各段承台之间设置了1 cm的变形缝，用泡沫板隔开。为加强承台支撑墙与隧道及溶洞洞壁的紧密结合，在承台及支撑墙靠隧道一侧设置药卷锚杆。承台侧锚杆伸入围岩5 m，间距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，并在承台侧加设通长横向联系梁，联系梁钢筋与隧道二次衬砌钢筋连接。支撑墙侧锚杆长3.5 m，伸入围岩2.5 m;支撑墙顶部锚杆长4 m，伸入围岩3 m。支撑墙顶部约1 m范围内采用C25早强喷射混凝土充填，并在混凝土内设置3 m长φ50 mm(壁厚4 mm)注浆小导管，小导管间距为1.5 m。

图2 隧道承台及桩基平面布置图Fig.2 Layout of caps and pile foundations in tunnel

5.5 支撑墙外反压回填处理

考虑到K2178+140处隧道开挖会对溶洞洞壁扰动引起塌方，在隧道右侧紧贴溶洞洞壁构建一道岩壁挡土墙。C25水泥混凝土墙身长10 m，厚2 m，高度至溶洞顶部，并嵌入岩体。为防止隧道贯通后支撑墙将承受来自溶洞顶围岩的巨大压力，在左侧支撑墙外侧采用了反压回填，回填高度为9 m，以确保支撑墙受力均衡。

6 溶洞施工质量监测

监测目的以隧道施工期检测为重点，以围岩变形、锚索支护应力检测为主，监控的项目包括爆破震动监测、隧道拱顶沉降、锚杆轴力量测、围岩压力量测、溶洞顶板变形检测，重点对支撑墙变形加以监控。由于溶洞结构沿主洞长度方向上要远远大于其他2个空间方向上的几何尺寸，且结构上所承受的荷载沿长度方向均匀分布平行于横截面，符合弹性力学平面应变理论，将隧道假定为近似平面应变问题来解决［6］。采取数值监控评价体系，分析确定出处治结构与隧道及溶洞的安全性和可靠性。

6.1 监控验算方法

监测的应力所采用的数值分析方法为有限单元数值法，分析程序为ANSYS有限元通用计算机软件，利用施加虚拟支撑力逐步释放法对隧道控制过程模拟为连续施工，使数据分析过程更为简单，也更符合施工实际，不需要应力和位移的叠加。岩土三轴试验结果表明，白须公1号隧道受力特征相当于中等围压状况，按力学结构理论假定其为理想的弹塑材料，在此条件下岩土结构体接近理想弹塑性，故将监测体作为理想的弹塑性介质加以研究。岩土体的应力应变曲线如图3所示。

图3 岩土体的应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of rock mass

由图3可知，岩体的强度比土体的强度大得多。岩体的应力应变曲线—般为Ⅰ线，其中Ⅰa段稍微向上弯曲，Ⅰb段接近于直线，Ⅰc段呈现向下的弯曲。因应力应变曲线的几段较为接近线弹性关系(约占Ⅰ线范围的2/3)，故对大多数岩体，当应力水平较低时可近似按线弹性本构关系进行分析;土体的应力应变为呈现向下弯曲曲线Ⅱ，仅当应力水平很低时才接近直线;Ⅲ为岩土材料塑性变形发展后的主要应变形态;Ⅳ为岩石呈现脆性形态［7］。在监控过程中，将隧道岩体作为理想的线弹性结构体，实施数据监测分析。

6.2 应力分析

通过对K2178+010断面初期支护应力监测值分析可知:1)初期支护主应力终值为2.7 MPa，最大值为4.2 MPa(小于初期支护抗拉强度值4.4 MPa，考虑钢拱架作用)。最大值出现在初期支护上下台阶分界处，是由施工过程中应力集中所致。2)初期支护最大主应力最大值为10.0 MPa(小于喷射混凝土弯曲抗压设计强度值13.5 MPa)，出现在内侧拱脚处，也是由应力集中所致。K2178+010断面初期支护主应力随施工变化见图4和图5。K2178+010断面数值分析共分11个荷载步，分别对应的施工步为:荷载步7—上台阶支护;荷载步8—下台阶开挖;荷载步9—下台阶支护;荷载步10—施作横向联系梁;荷载步11—施作二次衬砌。

在应力集中处其所产生的最大应力值小于设计要求，符合检测指标，表明支护整体稳定可靠。

6.3 围岩位移分析

1)通过对K2178+010断面竖向沉降监测值分析可知:①围岩最大沉降出现在施工结束后，最大沉降量出现在隧道拱顶附近，为5.3 mm;②仰拱和联系梁相接处上拱最大值为0.46 mm;③围岩稳定，满足沉降要求。围岩断面竖向最大沉降量的变化情况见图6。

2)通过数值检测分析，可以看出围岩最大沉降出现在上部围岩开挖时。对K2178+125断面进行检测可知:①最大竖向沉降量为1.93 mm，最终竖向沉降量为1.90 mm;②拱顶及溶洞底侧沉降量相对较小，符合技术要求。围岩最大沉降量随施工工序变化见图7。K2178+125断面数值分析共分8个荷载步，分别对应的施工步为:荷载步1—围岩初始地应力;荷载步2—施作桥墩;荷载步3—施作承台;荷载步4—施作挡墙;荷载步5—反压回填;荷载步6—隧道开挖;荷载步7—隧道支护;荷载步8—施作二次衬砌。

6.4 桥墩轴力及位移分析

1)通过对K2178+125断面桥墩压应力监测值分析可知，桥墩轴向压应力随施工过程增大，最大压应力值出现在施工结束时，为1.7 MPa，地点在桥墩露出地面处，监测值在允许范围内。压应力最大值随施工变化图见图8。

2)通过对K2178+125断面桥墩竖向位移监测值分析可知，施工前4个步骤桥墩竖向位移随施工过程逐渐增大，后面步骤竖向位移变化不大，最大沉降出现在外侧桥墩与承台相接处，沉降量为2.34 mm，最终沉降量为2.3 mm，沉降量符合要求。桥墩竖向位移分布见图9。

图9 K2178+125断面桥墩最大竖向位移变化图Fig.9 Variation of maximum vertical displacement of piers of tunnel cross-section at K2178+125

6.5 锚杆轴力分析

通过对K2178+125断面监测值分析可知，锚杆拉应力随施工过程增大，最大拉应力出现在施工结束时，其值为2.0 MPa，锚杆拉应力随施工步变化呈斜向上的直线型式，侧墙附近锚杆拉应力较大。

7 结论与讨论

1)由于溶洞内结构空间受限，隧道穿越溶洞处下部采取桥梁下部结构(桩基础+承台)形式处理，桩基只能采用人工挖孔，在桩基础上整体浇筑钢筋混凝土承台，从而加固了隧道下部的不良地质构造，使隧道整体结构稳定牢固［8］。

2)采用开挖平行导洞，可避开溶洞开挖导洞至主线位置，进入主线后再实施开挖施工，同时对溶洞两侧进行处理，既节省工期，也有利于隧道内交叉作业与通风。平行导洞的设计是在不影响溶洞稳定的基础上设计的，其与溶洞壁最小距离约为7 m。

3)在溶洞处理方案设计时，考虑到采用新奥法原理施工的同时充分发挥支撑墙作用，故一方面，处于溶洞一侧将支撑墙全部嵌入上部岩体中，在支撑墙施工过程中，预埋隧道初期支护的钢拱架使支撑墙与隧道初期支护形成一个整体的支承结构;另一方面，隧道轮廓以上部分，在溶洞壁施工锚杆，并预留1 m与支撑墙连成整体，有利于隧道开挖后，应力向支撑墙底部的承台及桩基扩散，消解应力集中现象。支撑墙施工结束，在强度满足要求后，左侧墙体外采取反压回填，以消除自拱顶的巨大压力。

4)溶洞段隧道底部采取横向联系梁连接取代仰拱，确保隧道整体稳定。

5)在承台侧边设置排水沟，加设涵洞，从而使溶洞周围岩体中的裂隙水引入溶洞底的天然沟谷，以防止渗水对溶洞产生局部破坏。

6)在处理类似溶洞前，应对隧道地质状况和技术方案作全面评估，对施工措施的可靠性和安全性预作专项评价，从而确保工程施工安全、质量可靠。

［1］谢远耀，郑冰林.百色至靖西高速公路陇内隧道特大溶洞处理技术浅析［J］.沿海企业与科技，2012(4):79 －81，78.

［2］苗德海.宜万铁路云雾山隧道“+852”溶洞发育特征及技术对策［J］.铁道勘察，2012(4):21 －25.(MIAO Dehai.Yunwushan tunnel“+852”cave development characteristics and technical countermeasures［J］.Railway Investigation and Surveying，2012(4):21 －25.(in Chinese))

［3］ 苗德海.宜万铁路岩溶隧道灾害及防治对策［J］.铁道标准设计，2007(7):96－99.

［4］中交第一公路工程局有限公司.JTJ F60—2009公路隧道施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］ 聂让，许金良，邓云潮.公路施工测量手册［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［6］廖品富，武劲.公路岩溶隧道施工及监控量测技术［J］.铁道标准设计，2008(5):83－87.

［7］重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］ 赵华.某机场建设用地岩溶发育特征及稳定性评价［J］.四川建筑科学研究，2009(2):142 －145.(ZHAO Hua.The karst development characteristic and stability appraisal for an aerodrome building region［J］.Sichuan Building Science，2009(2):142 －145.(in Chinese))