碌碡梁隧道溶洞处治方案设计研究

薛登峰

（山西路桥第一工程有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

碌碡梁隧道位于方山县碌碡梁村附近，隧道方山端洞口处最小净距21 m，中阳端洞口处最小净距20 m，设计为分离式（部分小净距）隧道。左线洞体全长2 318 m，右线洞体全长2 323 m，洞体最大埋深231.02 m，位于ZK22+860。隧道进出口位于黄土冲沟及基岩侵蚀沟谷，交通相对不便。隧道总体走向呈正南向185°～198°。隧道围岩主要为太古界强风化-全风化混合花岗片麻岩为主的混合杂岩、寒武系中统徐庄组（E2x）及张夏祖（E2z）中风化鲕状灰岩、局部泥质条带灰岩、奥陶系下统冶里组（O1y）中-强风化泥质白云岩构成，进出口段以第四系下更新统午城组（Q1w）粉质黏土及第三系静乐组（N2j）红黏土为主。

2 隧道主要技术标准

公路等级：一级公路（双向四车道）；设计速度：80 km/h；汽车荷载等级：公路-Ⅰ级；设计使用年限：100年；隧道建筑限界净宽：0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75=10.25 m；隧道建筑限界净高：5.0 m；隧道防水等级：二级；混凝土抗渗等级：不小于P8；隧道路面横坡：直线段2%；超高段小于等于3%[1]。

3 地质构造

隧址区位于吕梁山西翼山麓地带，受区域构造控制，区内主要构造形迹是由燕山运动形成的构造格局，其主体走向表现为北北东、北北西向，伴生了一系列褶皱，其间发育的褶曲大多为平缓宽阔的波状起伏，大部呈对称分布，在此应力作用下，项目区节理、裂隙发育；主要构造有断层和褶皱。经地质调查及物探，表明隧址区发育有断层一道，经地质钻探验证，断层位于K23+030处，为一正断层，上盘基岩为∈2x地层，下盘基岩为赤坚岭杂岩Mr，据调查资料显示该断层为死断层，对工程影响主要表现在断层带范围隧道围岩级别较低，并存在渗漏水现象。

隧址区附近在K24+00—K33+700段发育宽缓的向背斜组合构造，一翼倾向西南至南西西，一翼倾向南南东，第一处紧闭褶皱向斜枢纽位于K23+740，枢纽核心出露地表岩层为O1白云岩；背斜枢纽位于K23+900，枢纽核心出露地表岩层为O1白云岩，背向斜相连，枢纽走向推断为155°，两翼最大倾角达58°，为一紧闭倾伏褶皱。两处枢纽部位地层岩性较破碎，对隧道围岩级别判定有一定影响。

4 溶洞处治方案

隧道溶洞段落原有衬砌支护参数设计情况详见图1。

图1 原设计衬砌支护参数图

隧道在施工过程中，如遇到岩溶溶洞，首先需要了解、掌握隧道和溶洞的相对位置关系，以便制定合理的处置方案。现将碌碡梁隧道溶洞与隧道的相对位置关系进行简单的描述，具体情况详见图2。

图2 溶洞与隧道相对位置关系图

5 总体处治原则

碌碡梁隧道中阳端右洞掘进至K23+999时，上台阶掌子面左侧拱肩至拱底出现一处大型溶洞，相关各方对溶洞进行了详细测量、勘察，明确了溶洞和隧道的相对位置关系,详见图2。经多方讨论研究，形成如下总体处置原则：

a）暂停隧道右洞掌子面掘进与下台阶开挖施工，完善已开挖部分的初期支护，如在岩溶影响范围，初期支护按岩溶段初期支护施工，岩溶影响范围为溶洞及其前后6 m。

b）制定和完善岩溶影响段施工应急预案，加强隧道监控量测频率，及时预报险情；对溶洞小桩号50 m范围内增加隧道洞周物探探测，必要时增加超前水平探孔；对溶洞大桩号50 m范围增加拱底空洞探测。

c）清除或加固溶洞中对隧道安全和后续溶洞处理有影响的危石，对溶洞顶进行初喷，密切监控溶洞顶岩体的变化，加强施工安全意识，对岩溶进行隧道洞碴回填，溶洞外侧低洼处采用块石洞碴回填（块石直径不小于30 cm），根据地下水大小情况及丰水季溶腔内过水的因素，必要时设置暗管（直径50 cm上部开孔混凝土管），做好地下水的引排。

d）根据溶洞分布与隧道的关系，按以下方案处治溶洞：

（a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下侧，溶腔未侵入隧道开挖轮廓内，采取洞碴回填+泵送混凝土，再注浆处理措施，处治范围为隧道开挖轮廓线外5 m。

（b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上台阶侵入隧道开挖轮廓，溶洞位于隧道右侧，采取注浆钢花管注浆加固现有直墙基础，在现有曲墙内侧增设拱架（与初支拱架交错布设），现有直墙顶面采用钢架顶至溶洞洞顶，与基岩接触钢架端头采用锁脚锚管连接，与现有直墙顶接触钢架端头采用植筋连接，再浇筑混凝土至溶洞顶。

（c）隧道K23+999—K24+020段，剩余溶腔部分采用型钢门架支撑加强，门架支撑上部应与溶洞洞顶密实结合，下部基础应进入稳定基岩，保证整个支撑顶天立地，稳固受力。

（d）溶洞处治措施全部完成前，不可进行隧道掌子面及下台阶爆破开挖。

6 处治方案设计

隧道洞身穿越溶洞区，溶洞发育对隧道结构和施工安全影响较大，在隧道开挖过程中应特别注意加强超前地质预报工作，整个建设过程中增加隧道洞顶一倍洞径以内以及隧道底板以下围岩的溶洞预报及探查工作，及时发现和处理溶洞，保证施工质量和安全。

a）隧道K24+020—K24+035段，溶洞位于隧道右下侧，溶腔未侵入隧道开挖轮廓内，采用如下处治方案：

（a）根据溶洞测量结果，于隧道上台阶钻勘探孔，纵向间距100 cm，对溶洞及回填进行验证；打入φ42钢花管作为泵送混凝土和注浆的排气孔。

（b）对回填溶腔泵入细石（小石子）混凝土，在隧道已开挖上台阶钻孔，钻孔直径不小于110 mm，钻孔间距为100 cm，钻孔深度达到隧道开挖轮廓线外5 m，后退式泵送C25细石混凝土，充填溶腔空隙。

（c）注水泥浆，于隧道上台阶打入φ42注浆钢花管，沿隧道纵向每延米不少于3处钢花管，钻孔深度达到隧道开挖轮廓线外6 m，进行后退间歇式注浆，初期注浆采用水泥水玻璃双液浆，注浆压力不大于0.3 MPa，后采用水泥净浆液，水泥浆水灰比1∶1，注浆压力不大于0.5 MPa，注浆结束后，尾部尽可能焊接于钢拱架上。

b）隧道K23+999—K24+020段，溶洞于上台阶侵入隧道开挖轮廓，溶洞位于隧道右侧，采用如下处治方案：

（a）树根桩加固现有曲墙基础，于现有曲墙外侧采用φ42钢花管注浆加固其基础，钢花管进入稳定基岩深度不小于50 cm，3根钢花管顶部φ22钢筋缠绕焊接固定。注浆材料用水泥净浆液，水泥浆水灰比1∶1，注浆压力为0.5 ～1 MPa。

图3 隧道K24+020—K24+035段溶洞处治设计方案

（b）在现有直墙内侧，隧道初期支护外侧增设钢架，钢架基础端须置于稳定基岩，钢架顶端至溶洞与隧道开挖轮廓交汇处，两端均采用2根φ42锁脚钢管固定在基岩，两拱架之间设置φ22连接钢筋，钢筋间距不大于1 m；在现有曲墙顶部增设两处钢架，钢架底部端头植筋现有直墙固定，顶部溶洞洞室顶基岩，每处采用2根φ42锁脚钢管固定。

（c）在内侧拱形钢架与现有曲墙外侧之间浇筑C25混凝土，形成隧道洞室与溶腔洞室之间的中隔墙护拱，隔墙顶部如有必要采取后注浆措施，保证其与溶腔顶部基岩密贴；拱形钢架内侧隧道开挖时须调整爆破方案，以免对护拱墙造成破坏。

（d）型钢门架支撑溶腔洞室，在现有曲墙外5 m，沿隧道轴线5 m间距设置型钢门架支撑。两个型钢门架支撑之间采用条形基础系梁连接。

c）溶洞处理完毕前，不可进行隧道爆破开挖。

图4 隧道K23+999—K24+020段溶洞处治设计方案

7 施工注意事项

a）岩溶地段施工方案的选择应着重考虑溶洞区的地下水分布情况，处理方案应当避免堵塞区域地下水通道，并充分利用暗沟、泄水洞等措施，做好地下水的引排。

b）在隧道初期支护封闭成环后二次衬砌施作前，特别是施工期间有地表降水情况时，应注意密切观察初期支护渗水情况，特别是处理后的溶洞部位的排水状况，如发现水压力较大、出水较多等情况，应判断隧道衬砌施作有无影响区域地下水情况，及时采取措施处理后再施作二次衬砌。

c）洞顶发育溶洞时，先对溶洞顶部清理危石后再施作锚喷支护，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。

d）岩溶地段应制定严格的施工工序，各工序应紧密衔接，开挖应按岩溶裂隙和溶洞充填物分类开挖，同时设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物以及地下水情况，制定适当稳妥的处理方案，确保施工安全，不得提前随意弃渣填充[2]。

e）依据隧道设计说明落水洞处理，对隧道地表落水洞进行有效处理。

8 结语

本文结合碌碡梁隧道，通过分析溶洞和隧道的相对位置关系，制定了详细的溶洞处治方案，对隧道溶洞进行加固处治后顺利通过了溶洞段，同时通过加密埋设拱顶下沉和周边位移收敛的监控量测点，获得了准确的监控量测数据[3]，发现拱顶沉降和水平收敛趋于稳定，说明该处理方法达到了预期的效果，为岩溶隧道溶洞处治施工积累了宝贵的经验。