岩湾隧道特大型溶洞处治技术

李 锟

(中铁二十三局集团第四工程有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

我国是世界上岩溶分布面积最广泛的国家之一，约占我国国土总面积的1/3。随着我国公路及铁路交通建设事业的大发展，已有大量山岭隧道建成或在建设中，常遇到大小不等、部位不同、充填物及充填程度不同、含水量各异的溶洞。在相关研究中:文献［1］针对龙鳞宫隧道大型溶洞支顶加固技术做了研究;文献［2］针对朱家岩隧道特大型溶洞提出了桥、托梁和衬砌结构共同跨越的处理方案;文献［3－4］针对龙塘坪隧道大型溶洞采用了“洞中洞”方案，对隧道填充物采取了换填及注浆加固的办法进行处理;文献［5］针对云雾山隧道“+852”溶洞采取了桩基+隧道结构的处理方案;文献［6］结合上寨隧道大型溶洞建议对粘土充填的较大较深溶洞采用旋喷桩加固;文献［7］结合大巴山隧道大型填充溶洞采用大管棚超前支护，小导管径向注浆，钢管桩及旋喷桩处理。

虽然以上研究为隧道特大型溶洞的处理提出了多种处理方案，且都取得了良好的效果，但溶洞形式多种多样，在洞底堆积及四周临空面大的溶洞处理方面尚未涉及，对溶洞壁在处理过程中如何应对风险也未进行具体描述。本文以湖北沪蓉西高速公路岩湾隧道施工中所遇到的特大型溶洞为研究对象，结合该溶洞特点，采用洞渣回填、桥跨和拱形防护共同跨越的合理处治措施，丰富了隧道特大型溶洞的处治技术。

1 工程概况

1.1 工程简介

岩湾隧道是湖北沪蓉西高速公路恩施至利川段的一座长大隧道，为变间距4车道隧道，左、右线分别长2 765 m和2 773 m，最大埋深480 m。隧道行车速度80 km/h，单洞建筑限界净宽为10.25 m，净高为5 m。

隧道处于鄂西南褶皱山区，属构造侵蚀、溶蚀峰丛、槽谷地貌。隧道区大部分基岩出露，沟谷、洼地及陡坎下覆盖有第四系残坡积层，基岩为奥陶系中下统南津关组、分乡组灰岩、页岩和寒武系上统耗子砣群白云岩、灰岩。隧道区无常年流水，地表水相对比较贫乏，大气降水一般会很快顺坡面向洼地汇集，通过节理裂隙、溶洞、落水洞等进入地下，转入地下水系统。隧道区自然斜坡坡角一般为20°～40°，岩溶相当发育，有溶沟、溶隙(孔)、溶槽、溶洞、落水洞、岩溶漏斗等，岩溶发育使隧道面临严重的渗水、涌水及涌泥灾害，同时围岩稳定性受岩溶影响也大大降低。

1.2 特大型溶洞发育情况

隧道左洞掘进至2 288 m(里程桩号ZK250+135)，掌子面遇一沿南北走向的无填充溶洞，溶洞沿隧道轴线方向长31 m，垂直隧道轴线方向宽50 m，溶洞顶高于隧道拱顶10～20 m，溶洞底南侧低于隧道仰拱顶以下8～13 m，向北倾斜，北侧最低处低于隧道仰拱顶以下约20 m。溶洞围岩为寒武系上统耗子沱群浅灰色中厚层白云质灰岩。岩层产状190°∠35°，溶洞壁可见压扭性裂隙面，裂隙面略显波状，产状285°∠85°，两侧无明显破碎带，但裂隙面有溶蚀现象。溶洞壁、顶节理发育坍塌厉害，洞底堆积坍塌块石及少量黄色黏土，松散体堆积体较厚，块石呈棱角状，直径多为1～2 m。雨后沿裂隙面有多处线状滴水，总滴水量约0.3 L/s，未发现有明显过水岩溶管道。

溶洞与隧道位置关系见图1。

2 隧道穿越溶洞的特点及存在的技术难题

2.1 隧道穿越溶洞的特点

岩湾隧道穿越溶洞具有如下特点:1)溶洞较大较深，且隧道穿越溶洞中部;2)洞身段位于地下水位以上100～150 m的包气带中，地下水主要接受大气降雨入渗补给。水量主要来自岩溶洼地中的集中入渗以及奥陶系地层接受的大气降雨补给;3)经观察该处溶洞在雨后沿裂隙面有多处线状滴水，但总水量约0.3 L/s，不会存在大的涌水。

2.2 隧道穿越溶洞存在的技术难题

隧道在ZK250+135～+166段特大溶洞中穿越给设计、施工和运营带来较大的风险，存在“防护难度大、溶洞处理难度大、工期影响大”的技术难题，具体有:1)顶部存在不稳定岩体，由于爆破开挖的影响，岩体易松动甚至在自重作用下向下坍落，也给隧道在施工、运营过程中留下安全隐患;2)隧道穿越溶洞中部，周边存在大范围的空腔，普通的复合式衬砌结构无法形成有效的承载环，采用普通结构隧道无法跨越;3)作为本标段的控制性工程，工期十分紧张，没有时间待该段隧道完成变更设计、施工后再向前掘进，如何才能安全、快速通过溶洞区到达ZK250+166处重新进洞。

3 溶洞处治技术

针对岩湾隧道特大型溶洞的实际情况，决定采用洞渣回填、桥跨和拱形防护共同跨越的处理方案，即洞渣回填至仰拱顶作为施工通道及拱形防护的基础;桥梁作为行车道部分，上部结构采用2×16 m的连续组合梁桥，下部构造桥墩采取桩基接帽梁、桥台采取扩大基础;拱形防护座落在回填的洞渣上，采用钢筋混凝土套拱+混凝土护拱和沙袋缓冲层组合形式。该方案采用洞渣回填不会对水系造成影响，且避免了隧道路面直接建在回填洞渣上可能形成的严重跳车现象。溶洞处治见图2。

图2 溶洞处治图(单位:cm)Fig.2 Treatment of karst cave(cm)

3.1 洞渣回填

用洞渣回填隧道仰拱顶面以下溶槽，便于溶洞处理的后续作业，并且在套拱施工完成后，隧道可以继续向前开挖支护，减轻溶洞对工期的影响。对洞底1～2 m厚的堆积物不做处理，利用回填物堆载预压。回填期间安排专人不间断地进行围岩观测，回填地段前方采用挖机挖斗上绑定的长钢管触碰上前方岩壁，使不稳定岩壁提前塌落，避免安全事故的发生。

3.2 喷锚网联合支护

回填后搭设脚手架对ZK250+135～+166段拱墙范围内岩壁进行锚喷网联合支护，根据溶洞壁围岩体情况设置锚杆、钢筋网、喷射混凝土、工字钢，保证溶洞周壁稳定。锚杆长度5～8 m，间距为1 m×1 m梅花形布置，采用φ 8钢筋网，间距为20 cm×20 cm，喷射混凝土标号为C20，厚度为15～20 cm。局部含软弱层、富含充填物和溶洞壁不稳定地段，采用I16工字钢加强，纵向间距75 cm，并采用小导管注浆固结松散体，小导管采用直径42 mm、长度为4.5 m的钢花管，注浆压力保持在 0.5 ～1.0 MPa。

在锚喷支护前应对溶洞壁上存在的不稳定堆积体、岩体进行清除，保证锚喷支护达到较好的加固效果。施工过程中加强量测，及时反馈信息，根据实际情况可以调整支护参数。进行溶洞壁支护时，人员不宜集中，脚手架内用钢模板搭建稳定的快速避险通道。

支护施工完成后采用地质钻机钻孔取芯探测溶洞底松散堆积体厚度及拟承载基岩的厚度，为桥跨及防护结构设计提供技术参数。

3.3 防护结构

3.3.1 防护结构形式

拱形防护结构部分，包括60 cm厚钢筋混凝土套拱、150 cm厚混凝土护拱和150 cm厚沙袋缓冲层。

为避免后期运营期间出现沉降使隧道建筑限界受侵，取消原设计二次衬砌，此空间作为预留沉降空间，即预留60 cm的沉降量。采用装饰板与前后二次衬砌顺接，保证了隧道空间的线性顺畅美观。溶洞段防水层设置在套拱和护拱之间，取消环向排水管，其他纵、横向排水措施同正常主洞段，形成完善的排水系统。

隧道路面两侧的电缆沟、消防和排水边沟位置设置条形基础，与行车道部分分离，待隧道贯通、洞渣沉降稳定后利用该基础承托装饰板。

3.3.2 防护结构施工

洞渣回填及溶洞壁支护完成后，即刻着手施做钢筋混凝土条形基础，然后进行套拱的施工。

施工套拱时，首先安装I18工字钢骨架，纵向间距1 m，可以便于套拱钢筋及模板的安装，而且工字钢作为套拱的一部分，也提高了套拱的防护能力。

在套拱完成后施工护拱，利用套拱外层做内模，外模可采用木模。护拱按12 m一个循环进行施工。根据围岩情况，左幅隧道可同时向前掘进，左幅隧道开挖时，护拱应停止作业。该段的爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，并控制爆破药量减少对围岩和对右线的扰动［8］。

防护结构左右两侧各留3处宽1 m、高2 m的避险及施工通道。防护工程完成后，仅保留左右两侧各1处通道，作为将来溶洞的观测通道，并在洞口安装推拉门，其余4处避险通道用混凝土封堵。

3.4 底部结构处理

3.4.1 底部结构形式

隧道底部结构采用2×16 m的连续组合梁桥，梁桥下部结构采取桩基接帽梁、扩大基础桥台。桩基为独桩结构，组合梁桥为钢筋混凝土结构，且主梁施工分侧进行，不影响人员、机械的通行。桥台处设置简易的TST填充式伸缩装置，每端伸缩量4 cm。

3.4.2 底部结构施工

1)桩基施工。桩孔开挖采用分节支护开挖，每节开挖深度为1 m。护壁采用30 cm厚C25钢筋混凝土，以保证隧道正常通行而不影响桩孔开挖的安全。桩基嵌岩深度不小于3 m，挖孔完成后，在孔底用风枪向下钻孔5 m，以探明桩底是否存在溶洞。

2)盖梁及桥台施工。机械清理洞渣至盖梁底部后用砂浆垫层找平，以便于绑扎钢筋和立模。桥台背部垂直光爆后可用一部分岩体做为模板，其他部位采用组合钢模。

3)肋板梁桥施工。肋板梁桥采用C40钢筋混凝土，先施作主梁，再施作横隔板，后施作桥面板。主梁施工采用先单侧后中间的方法，在单侧主梁施工时机械可以通行。横隔板必须与主梁纵向垂直，同主梁预埋钢筋焊接牢靠，每道横隔板在同一直线。

4 溶洞处治效果

岩湾隧道ZK250+135～+166段特大型溶洞采用洞渣回填、桥跨和拱形防护共同跨越的方案进行整治后，经过2年的沉降观测，累计沉降量为7.2 cm，经过多年雨季和运营实践证明，该处治措施是可靠的、有效的。

岩湾隧道特大型溶洞的处治方案比采用“桥、托梁和衬砌结构共同跨越”的方案节约投资30余万元，节约工期1.5个月;合理安排工序，防护套拱及桩基、开挖进洞及护拱缓冲层同步施工使工期节省1个月。

5 结论与体会

对于无涌水灾害、隧底堆积物小于2 m的特大型溶洞，隧道从溶腔内穿越时，宜回填洞渣处理节省工期，同时综合考虑回填沉降对路面及隧道纵断面线性美观的影响，结合整个隧道排水系统的布置，选取经济合理的方案、科学安排施工组织，既可减少对隧道施工的工期影响，又能确保隧道施工安全及运营安全。

在岩壁的支护前，岩壁的坍塌危害是安全防范的重点，一定要采取有效的措施提前排除危险源;岩壁支护的参数要同岩溶具体发育情况相结合，以确保支护的效果;缓冲层设置可以采用一些轻型弹性材料，比如橡胶等。

［1］ 宋长甫.龙麟宫隧道大型溶洞支顶加固技术［J］.铁道标 准 设 计，2007(9):78 － 79.(SONGChangfu.Longlingong tunnel large cave roof support reinforcement technology［J］.Railway Standard Design，2007(9):78 －79.(in Chinese))

［2］ 李学东，程久胜，马来秋，等.朱家岩隧道特大型溶洞处治方案探讨［J］.中外公路，2007(5):181 －183.(LI Xuedong，CHENG Jiusheng，MA Laiqiu，et al.To investigate the Zhujiayan tunnel karst treatment scheme［J］.Journal of China ＆Foreign Highway，2007(5):181 －183.(in Chinese))

［3］ 刘齐军，丁永全，邓少军.龙塘坪隧道大型溶洞处理技术研究［J］.公路，2012(9):259 －261.(LIU Qijun，DING Yongquan，DENG Shaojun.Study on processing technology of large cave Longtangping tunnel［J］.Highway，2012(9):259 －261.(in Chinese))

［4］ 强俊涛.龙塘坪隧道大型溶洞处理施工工艺控制［J］.山西建筑，2013(2):174 －176.(QIANG Juntao.Treatment construction technology control of Longtangping tunnel large karst［J］.Shanxi Architecture，2013(2):174 － 176.(in Chinese))

［5］ 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(3):21 －25.(MIAO Dehai.Yunwushan tunnel“+852”cave development characteristics and technical countermeasures［J］.Railway Investigation and Surveying，2012(3):21 －25.(in Chinese))

［6］ 王才业.贵广高速铁路上寨隧道溶洞处理技术［J］.路基工程，2013(5):185 － 190.(WANG Caiye.Technique on karst cave treatment for Shangzhai tunnel on Guiyang-Guangzhou express railway［J］.Subgrade Engineering，2013(5):185 －190.(in Chinese))

［7］ 代伟，李贺勇.隧道深埋大型充填型溶洞施工技术［J］.隧道建设，2009，29(6):689 － 693.(DAI Wei，LI Heyong.Construction technology to cope with large scale deep-buried filling-type karst caves during tunnel construction［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):689 －693.(in Chinese))

［8］ 史钊.公路、桥梁、隧道施工新技术、新工艺与验收规范实务全书［M］.北京:金版电子出版社.2002:1857.(SHI Zhao.Standard manual of new emergent technologies and process in the construction and quality test on highway，bridge and tunnel［M］.Beijing:Jin Electronic Publishing House，2002:1857.(in Chinese))