喀斯特地貌隧道串珠状环向连续溶洞处理技术

宋照尚，邱中原，单勤

（中交一航局第四工程有限公司，天津300456）

喀斯特地貌隧道串珠状环向连续溶洞处理技术

宋照尚，邱中原，单勤*

（中交一航局第四工程有限公司，天津300456）

喀斯特地貌是具有溶蚀力的水对可溶性岩石（大多为石灰岩）进行溶蚀作用等所形成的地表和地下形态的总称，又称岩溶地貌。喀斯特地貌中隧道工程施工，常会遇到不同的溶洞，其中串珠状溶洞相对于其他形式的溶洞更加危险和复杂，尤其是同一里程断面内出现的环向连续溶洞。由于施工期间无法在短时间内探明围岩发育情况，现有溶洞极有可能出现二次发育，对工程产生较大的危害。通过对隧道断面不同部位的溶洞处理技术，阐明了如何安全可靠、科学可行、施工方便、经济合理、工期紧凑地解决串珠状溶洞施工，为今后类似的溶洞处理提供参考和借鉴。关键词：隧道；串珠状；连续；溶洞

0 引言

伴随着“一带一路”规划的实施，西南地区高速公路进入快速发展时期，该区岩土多是典型的喀斯特地貌，岩溶地貌的整体性差，多溶洞或含泥、含沙溶腔，裂隙发育，夹层较多，仅靠岩石之间的摩擦力固定，极易出现松动掉块、冒顶塌方等危险。在施工隧道工程时，常会遇到不同类型的溶洞，对工程产生较大危害。

1 工程概况

云南省蒙自至文山至砚山高速公路第2合同段施工范围内东山隧道设计为分离式隧道，左幅起讫桩号ZK07+030—ZK09+725，左幅全长2 695 m，最大埋深约170 m；右幅起讫桩号K07+090—K09+755，右幅全长2 665 m，最大埋深约190 m。隧道处于构造溶蚀侵蚀低中山地貌区，地表植被发育一般。隧道区高程介于1 451.67～1 669.58 m之间，相对高差217.91 m，地形较为陡峻、起伏较大。隧道所处地极为干旱，隧道内未见裂隙水发育[1]。

东山隧道出口在开挖至K09+710段发现串珠状的3处溶洞（如图1），延伸里程为K09+710-706.4。

图1 溶洞位置示意图Fig.1Location of karst cave

2 风险分析

隧道拱顶处溶洞（如图2（a）），长宽高分别为3.6 m×9.6 m×3 m，有少量的填充物，多为淤泥、砂和黏土。构造整体性差，断裂岩石无嵌固，开挖过程中极易出现松动掉块，存在冒顶塌方的危险。

隧道右侧拱脚处溶洞（如图2（b）），长宽高分别为3.6 m×6.4 m×7.2 m，溶洞中可见积水痕迹及少量积水，显示溶洞内有季节性岩溶水。溶洞位置为受力集中点，若填充不当，将留下隐患。

隧道左侧拱腰处溶洞（如图2（c）），长宽高分别为3.6 m×6.5 m×4.3 m，洞底堆积大量松散崩塌块石，无水，但有积水痕迹，显示溶洞内有季节性岩溶水。溶腔顶部及边壁陡悬处围岩稳定较差，易掉块，局部不利结构面组合处易坍塌。

图2 溶洞照片Fig.2Photo of karst cave

3 溶洞处理基本原理

对需要处理的溶洞，按充填情况可分为全充填、半充填及无充填三种类型[2]。溶洞处理之前，要对该区域进一步详细勘查，确定溶洞的埋深、与隧道的相对位置和类型。当大于2 m以上的无充填溶洞和半充填溶洞，先采用填砂处理，后采用注浆加固的方法。小于2 m的无充填溶洞和半充填溶洞，可直接采用注浆填充。本工程该段处理为无充填溶洞，采用先支护、再充填、后注浆的顺序进行处理。

4 处理技术

4.1 处理措施

4.1.1 严格控制开挖进尺

串珠状溶洞的地质情况极其复杂，无法有效探明前方岩石的整体性和强度以及裂隙发育情况。为了保证安全必须严格控制开挖进尺，按照每次一榀钢拱架间距开挖。

4.1.2 精确的超前预报

出现串珠状溶洞，为了有效探明岩溶的发育现状，尽可能的把握地质情况，最有效的超前预报形式就是在串珠状溶洞发育区进行超前钻孔确认，在表面无岩溶段进行取样钻孔，探明后续是否还有较大的溶洞，溶洞内有无积水，做好溶洞岩石的强度和溶洞规模的初步预估，以及有水条件下的卸压以及空气适应性处理。

4.1.3 防风化以及二次发育处理

该处串珠状溶洞之间有贯通，岩石脆裂，钟乳石是方解石，完全解理无断口，经过一段时间的空气适应性处理和爆破作业的二次扰动后，溶岩出现风化以及二次发育，主要表现为解理、裂隙发育，岩石强度降低，裂开成薄片，解理面大且完整，平滑光亮，强度低，脆性大，很容易碎裂下坠；附着在原岩表面的沉淀层情况类似，很容易出现脱层滑落，非常危险，所以必须进行排险处理。

串珠状溶洞排险主要分为两个部分：

1）使用挖掘机将较大的危石及时处理，对已经裸露的溶腔壁进行细致的定点清除。所有的黄色附着层和凸起的钟乳石尽可能的在这次排险过程中清除掉。

2）使用检测台架人工处理。在第一步确认完成的情况下，对未清除的溶腔壁上松动、但未掉落的黄色附着层和凸起的钟乳石进行二次处理。

排险结束后，必须在溶腔内部进行全方位的喷浆作业，尤其是不能忽略下部和底部的喷浆封闭。喷浆作业封闭的目的主要有：

1）溶洞内的围岩因为长时间的处于密闭环境，一旦打开，极易出现溶洞落顶。排险后喷浆作业是对围岩的及时封闭，防止围岩不封闭而出现掉块、冒顶。

2）喷浆作业的好坏还关系着后续溶洞注浆效果，如果前期喷浆作业忽略了下部和底部的溶腔空隙，在后续的溶洞注浆处理中可能会耗费大量的浆液，以至于不得不用特种浆液代替低价的水泥浆液进行注浆堵孔。

4.2 初期支护处理

4.2.1 拱顶溶洞

拱顶出现溶洞，但是又要进行前期封闭，所以拱顶溶洞处理的原则是本着安全第一，尽可能地早封闭，初期支护要轻巧，强度要高[3]。后期进行补浆或者冲砂处理。拱顶溶洞的处理原则早封闭、轻巧、高强、便于施工，以往设计全部填充完成，或者用混凝土进行立模打护拱的方式，费时，费力，效果差，不易施工。在处理此次溶洞的基础上，总结了一套省时、省力、便于施工的拱顶溶洞处理方法。

1）置入钢筋笼（如图3所示），规格为φ22的HRB400钢筋，笼高40 cm，钢筋间距为25 cm× 25 cm。双层设置，钢筋笼上方φ22的HRB400钢筋上绑扎单层φ8的规格为10 cm×10 cm的钢筋网片。钢筋笼的高度在不同的溶洞条件下，要分别设计。

图3 拱顶钢筋系统示意图Fig.3Schematic diagram of bar system on vault

首先，钢筋笼的平面形状要根据溶洞的情况设定，尽可能做到全面覆盖溶洞面。

第二，钢筋笼的高度要满足放置钢筋笼之后，钢筋笼底面不能超出开挖线。

后续步骤需要进行超前小导管的打设，所以钢筋笼要事先进入，在溶洞的左右两侧斜向打入锚杆，锚杆的斜向角度可以根据实际情况设定，纵向间距此次处理的间距为1 m，此时打入锚杆的目的为通过锚杆让钢筋笼与围岩形成有效的连接，并起到暂时支撑钢筋笼的目的。

2）加设单榀钢拱架，在拱架上方进行上层小导管的打设，沿溶洞发育段，φ42的超前小导管的间距为300 mm，长度为5 m，打入角度控制在15°。打入超前小导管的目的是便于后续操作中将钢筋笼与之连接为一个整体，并且小导管架设在拱架和未开挖的围岩上，形成一个简支结构，有一定的承载力，可以承受该段的喷射混凝土的重量，在喷浆作业时还有一定的保护作用。

3）在超前小导管上焊接4根φ80钢管，钢管长度为60 cm，梅花形布置，主要目的后期冲砂。

4）在小导管上铺设φ8的规格为25 cm×25 cm的钢筋网片，绑扎在超前小导管上。在小导管上方（钢筋笼的下方）设置此项钢筋网片的目的是便于进行喷射混凝土的操作，并且将钢筋笼与超前小导管连接为一体。

5）将小导管上方（钢筋笼的下方）钢筋网片与钢筋笼绑扎，与钢筋笼上方的网片一起作用，可控制喷射混凝土的量，减轻结构自重。

6）焊接埋深0.5 m的φ42钢花管，按照间距0.5 m进行梅花形布置，外漏0.2 m主要目的是为以后的注浆提供管道。

7）溶洞的形成离不开水，施工此段围岩时在旱季，但是溶洞内潮湿有白色流浆，说明溶洞内雨季时有过水，自溶洞边缘预埋带孔波纹管，波纹管用土工布包裹，自溶洞边底引出和洞内排水系统对接。以上完成后报检合格方可进行喷射C25混凝土作业。

喷射混凝土作业时控制角度在30°~40°之间，由内层向外层喷射，控制喷层厚度为50 cm，内层严禁使用土工布和石棉网当挡喷层，便于少量的向岩层辐射进行二次补喷，并方便冲填沙子。

4.2.2 拱脚溶洞

1）拱脚1 m以下，立模板打满C10素混凝土回填，预埋φ22的HRB400钢筋便于钢筋笼固定。

2）拱脚1 m以上位置设置φ22的HRB400钢筋笼，笼高40 cm，钢筋间距为25 cm×25 cm。双层设置，钢筋笼内层φ22的HRB400钢筋上绑扎单层φ8的规格为10 cm×10 cm的钢筋网片，整个钢筋笼固定在预埋钢筋上。

3）焊接埋深0.5 m的φ42钢花管按照间距0.5 m进行梅花形布置，外漏0.2 m主要目的是为以后的注浆提供管道。

4）自溶洞边缘预埋带孔波纹管，波纹管用土工布包裹，自溶洞边底引出和洞内的排水系统对接。以上完成后报检合格方可进行喷射C25混凝土作业。

4.2.3 拱腰溶洞

1）挂设φ22的HRB400钢筋，笼高40 cm，钢筋间距为25 cm×25 cm。双层设置，钢筋笼内层φ22的HRB400钢筋上绑扎单层φ8的规格为10 cm×10 cm的钢筋网片。

2）焊接埋深0.5 m的φ42钢花管按照间距0.5 m进行梅花形布置，外露0.2 m主要目的是为以后的注浆提供管道。

3）自溶洞边缘预埋带孔波纹管，波纹管用土工布包裹，自溶洞边底引出和洞内的排水系统对接。以上完成后报检合格方可进行喷射C25混凝土作业。

4.2.4 其他事项

1）溶洞内环境由密闭变换到开放，及受爆破振动和空气适应性作用的影响，容易造成溶洞顶部的冒顶和掉块，极为危险[4]。溶洞出现将停止隧道掌子面的一切作业，优先进行超前探孔[5]。在未经检测的情况下严禁私人进入溶洞。严禁进入溶洞内采摘钟乳石等岩石。杜绝冒险作业，设立警戒，专职人员盯控[6]。

2）加强过程控制和报检工作，控制好关键环节，防止出现质量问题。

5 处理效果

隧道K09+710-706.4段进行周边位移、拱顶下沉及围岩收敛量测，并进行监测。根据洞内监控量测数据分析，周边位移收敛累计值0.23 mm，拱顶累计下沉量2.6 mm，都非常小且在正常范围之内，支护变形量已稳定。

注浆加固完成后，对处理效果进行了钻心取样检测，过程中未出现漏水现象，加固效果良好。

该溶洞段二衬完成后至今未出现开裂、渗水等现象，此次串珠状的3个溶洞处理技术措施取得了良好效果。

6 结语

对于岩溶地质，必须重视前期的超前地质预报工作，加强过程控制，做好影像留存，确保安全施工。岩溶地区的溶洞段施工关系隧道施工的安全、进度和效益，及时沟通，编制高效可行的施工方案，是确保岩溶地区的及时闭合、顺利通过的重要手段。

1）溶洞处理必须事实就是，不能照搬图纸和以往的处理经验，要综合考虑溶洞的大小、富水情况、岩性、成洞程度和具体的位置。

2）溶洞处理尤其是拱顶溶洞的处理必须遵循早封闭、轻巧、高强、便于施工的原则。拱顶溶洞进行吹沙处理，在满足强度要求下，要通过喷射混凝土进行护拱施工，一是再次进行面层扫喷，二是控制护拱厚度，降低施工难度。

3）串珠状溶洞所有的溶洞处理必须同步处理，不能等待，溶洞风化后的结果是不可知，并且往往是严峻的。

4）溶洞处理要做好预埋件的设置，尤其是排水管和注浆管，以防二次处理。

[1]王国峰.国家高速公路网G5615、G8013高速公路云南省蒙自至文山至砚山段高速公路两阶段施工设计图[R].北京：中国公路工程咨询集团有限公司，2015. WANG Guo-feng.Design drawings for the construction of two stages of National Expressway Network G5615 and G8013 expressways from Mengzi to Wenshan then to Yanshan of Yunnan Province [R].Beijing:China Highway Engineering Consulting Corporation, 2015.

[2]JTG F80/1—2004，公路工程质量检验评定标准[S]. JTG F80/1—2004,Quality inspection and evaluation standards for highway engineering[S].

[3]JTG F60—2009，公路隧道施工技术规范[S]. JTG F60—2009,Technical specification for construction of highway tunnels[S].

[4]JTG C20—2011，公路工程地质勘察规范[S]. JTG C20—2011,Code for highway engineering geological investigation[S].

[5]JTG/T F60—2009，公路隧道施工技术细则[S]. JTG/T F60—2009,Technical guidelines for construction of highway tunnel[S].

[6]JTG F90—2015，公路工程施工安全技术规范[S]. JTG F90—2015,Safety technical specifications for highway engineering construction[S].

Processing technology of tunnel beads-like circumferential continuous cave in karst landform

SONG Zhao-shang,QIU Zhong-yuan,SHAN Qin*
（No.4 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Karst landform is a generic term for the surface and underground forms shaped by the dissolution of soluble rock (mostly limestone)by the water with corrosion force,also known as carbonate landform.Tunnel engineering construction in karst landform often encounter different caves,of which the beaded cave is relatively more dangerous and complex compared to other kinds,especially the continuous circumferential cave in the same mileage section.During the construction,due to the development of the surrounding rock,it cannot be verified in a short period of time,so the karst existing cave is likely to experience the second development,which will cause significant harm to the project.Based on the processing technology targeted to different parts of the karst tunnel section,we expounded how to solve the beaded cave construction in the way of safe and reliable,scientific and feasible,convenient construction,economical and reasonable,and tight schedule,as well as providing reference and suggestions for the treatment of similar karst caves.

tunnel;beads-like;continuous;cave

U455.49

B

2095-7874（2017）07-0090-04

10.7640/zggwjs201707021

2016-11-04

2017-01-19

宋照尚（1975—），男，山东单县人，高级工程师，总工程师，建筑工程专业。*通讯作者：单勤，E-mail：13820023172@139.com