岩溶区隧道半填充大型溶洞综合探测与处治技术研究

陈睿基 罗安邦 李晓敏

摘要：文章总结了武宣—来宾—合山—忻城公路№2标段来宾3号隧道岩溶溶洞处治经验，即通过采取超前地质钻探、超前地质预报等综合探测方法，对隧道溶洞平面位置关系、溶岩发育情况以及水文地质特点进行全方面探测，制定了安全有效的引水、加固、回填专项处治方案，从而安全、快速穿越隧道溶洞段，为同类型岩溶隧道处治提供了借鉴。

关键词：岩溶区隧道；半填充大型溶洞；超前地质预报；超前地质钻探

中图分类号：U456.3    文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）01-0145-04

0 引言

地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀，侵蚀与沉积以及重力崩塌、坍塌、堆积等作用形成的地貌称为喀斯特地貌，亦称为岩溶地貌，为中国五大造型地貌之一［1］。广西山区高速公路建设难以绕开山脉，极易遇到水文地质复杂的选址区，然而隧道溶洞水文地质发育较为复杂、形态各异，难以对溶洞内岩溶发育情况进行定量。隧道溶洞处治应探明情况、因地制宜、消除水患［2］、综合治理。本文总结了来宾3号隧道跨越溶洞的方法，即采用超前地质预报、超前地质钻探等探测手段，对溶洞进行探测，并制定人造保护壳、设置隧道外排水设施保留溶洞原有过水通道［3］等溶洞处治方案，保障隧道施工和后期运营的安全。

1 工程概况

武宣—来宾—合山—忻城公路№2标段来宾3号隧道全长835 m，为分离式隧道，进口端位于来宾市兴宾区葵村北偏西21°方向1.48 km山体斜坡上；出口端位于来宾市兴宾区良水村东北53°方向1.68 km山体斜坡上。隧道呈曲线形展布，总体轴线方向约168°，最大埋深201.359 m。

隧道左线施工至ZK56+300段揭露出掌子面右侧存在长宽均约3 m、高7 m的半填充型溶洞，在发现溶洞洞口后立即停止左洞掘进并及时封闭掌子面，同时采取综合探测对洞内洞外水文地质条件进行补勘。

2 溶洞探测方法与结果分析

为了探明溶洞熔岩发育情况、规模大小和水文地质特征，采用超前地质预报、超前地质钻探等综合探测手段补勘，并开展洞外地表水文监测。其优点是能比较直观地探明探孔所经过的地层岩性、岩体完整程度、岩溶和地下水发育情况。

2.1 隧道洞内地质勘测

2.1.1 超前地质预报

该隧道采用地质雷达探测方式，沿隧道开挖掌子面布置2条地质雷达测线，如图1所示。地质雷达探测时间剖面如图2所示。

通过对隧道开挖面进行地质描述，结合隧道工程勘察资料，将隧道开挖所揭露的地质情况准确记录，得溶洞内围岩等级为Ⅴ级，产状为276°∠36°呈中厚层状，掌子面地质描述如图3所示。

2.1.2 超前地质钻探

为进一步探明该隧道溶洞发育规模大小和地下水发育情况，用C6XP-2多功能钻机冲击钻对掌子面前方和隧底进行钻孔探测，根据钻进速度、压力的变化、卡钻、跳钻、塌孔结合回流水岩粉的成分、颜色来判断溶洞内地质情况。沿掌子面拱顶斜向上130°打设3个钻探孔，掌子面中部前向一路排开打设3个钻探孔，掌子面底部斜向下40°打设3个钻探孔。对溶洞段隧底25 m范围内进行隧底钻探，距开挖掌子面前15 m每隔5 m处和距掌子面超过15 m后每隔10 m处斜向下60°打设钻探孔。每个钻孔打设长度定为30 m。超前水平钻探具体钻孔位置如图4、图5所示。

[KH-*2D]

2.1.3 三维激光扫描

为探明溶洞与掌子面的平面位置关系，对溶洞进行三维激光扫描。三维激光扫描成果如图6所示。

2.1.4 探测结果

根据现有超前地质预报、超前地质钻探和三维激光扫描结果，结合勘察、设计施工等材料对岩溶发育规模及发育情况进行测量，以及对周边隐伏岩溶进行探测和推断，隧道左洞ZK56+335段掌子面为中风化灰岩，青灰色，中厚层状，岩质较硬，岩体较为破碎，节理裂隙发育。掌子面右侧发育一个高度为7 m、宽为3 m的厅堂式溶洞，充填砂质黏土，黏土为黄褐色，可塑，稍湿，堆积卵石、砂石。溶洞中心线长120 m，最大宽度20 m，最高处15 m，整体性极差，极易发生局部塌方。

左洞溶洞内围岩产状276°∠36°，地表280°∠40°，中厚层状，溶洞远端走向180°，近端35°，隧道走向85°，溶洞远端河道为粗砂、卵石，分选性好、磨圆度好，粒径为1～20 mm，厚度不均，岩性有砂岩灰岩等，有流水迹象，沉积堆积明显，上面粒径粗，下面粒径小，分层明显；河道宽0.3～0.6 m、深0.3～0.6 m。溶洞洞内发育4个岩溶补给管道，远端发育一条0.3 m×0.5 m的岩溶管道，下部堆积较多磨圆度分选性好的细沙；中部偏远端发育一条0.9 m×0.5 m的岩溶管道，高度为4 m；中部发育一个0.2 m×0.3 m的溶蚀补给通道，该处为溶洞最大断面处；靠近隧道洞口处发育0.9 m×2.5 m的补给溶洞。

隧道右洞YK56+305掌子面左侧拱脚发育一个高度为1 m、宽度为0.6 m的岩溶，溶洞内存在孤石和充填砂质黏土，砂质黏土呈黄褐色，可塑。孤石为灰岩，青灰色，中厚层状，岩体较破碎，节理裂隙发育，极易发生局部塌方、涌泥等地质灾害。右洞拱顶处发育一条岩溶管道，底部充填黏土、软塑，岩溶管道宽0.3 m×0.5 m，地下水流动，岩溶管道走向约为23°。

溶洞隧底右侧围岩较为破碎，夹层较多，填充物以黏土为主，最深处达到22 m，属软弱地基。

2.2 洞外水文检测

因突然降雨，掌子面出现大量涌水，结合来宾3号隧道水文地质特点，对隧道洞内外水文地质进行检测。

经调查，在ZK56+594段左106 m处和ZK56+650段左125 m处发现两处落水洞，前者平面上大致呈长条形，长22 m、宽2～6 m，可见深度为15 m，下部呈锥形，可看见溶洞口，洞口周边见角砾，未见水；后者大致呈圆形，直径约8 m，可见深度为10 m，下部呈锥形，可看见溶洞口，洞口周边见角砾，未见水。

采用入渗系数法［4］、地下水径流模数法［5］和地下水动力学法［6］分别进行全隧道涌水量计算。

根据现场情况及勘探结果，集雨面积A=4.885 km2。

隧址区的大气降雨入渗系数及径模数主要根据1∶2 000 000区域水温地质普查的研究成果，并结合现场实际情况选取。

枯季径流模数为M枯=3.8 L/s·km2，雨季径流数取枯季径流模数的7.5倍，即M雨=28.5 L/s·km2。

2.2.1 入渗系数法

Qs=a×W×F/1 000（1）

式中：Qs——隧道涌水量（m3/d）；

a——入渗系数；

A——隧道地段的集水面积（m2）；

W——降雨量（mm），年平均降水量为1 360 mm。

2.2.2 地下水径流模数法

Qs=M×A（2）

式中：Qs——隧道涌水量（L/s）；

M——入渗系数；

A——隧道地段的集水面积（km2）。

2.2.3 地下水动力学法

Qs=B×K×H2-h2L（3）

式中：Qs——隧道正常涌水量（m3/d）；

K——含水体的渗透系数（m/d），K=4.74 m/d；

H——洞底以上潜水含水体厚度（m），H=100 m；

h——洞顶水柱高度（m），h=80 m；

B——隧道通过含水体的长度（m），B=850 m；

L——补给带宽度的一半，L=3 m。

通过以上方法计算得出隧道涌水量结果如表1所示。

从实际情况来看，降大雨时测得涌水流量为104 86 m3/d，但这时并非最大降雨量，如按照极值是雨量增加一倍来计算，则涌水流量可达20 000 m3/d，与表中计算结果基本相符；未降雨时涌水流量大减，测得溶洞内涌水流量为690 m3/d，说明降雨量大小影响涌水流量的大小，按不利因素考虑，该溶洞最大涌水量取27 592 m3/d。

综上所述，该溶洞为厅堂式半填充溶洞，溶洞内水主要是由大气降水补给。

3 溶洞处治过程与效果

为防止降雨时溶洞涌水、涌泥，溶洞内掉块和软基下沉造成隧道二衬开裂甚至安全事故，对社会产生负面的影响。结合前期探测结果，采取临时排水+反压回填+护拱42 mm×4 mm锁脚小导管+钢管桩软基处理+排水系统施作施工方法进行溶洞处治。

3.1 溶洞排水

隧道防排水设计应结合工程特点、地形条件、工程地质、水文地质情况及勘测资料进行，对地表水和地下水进行妥善处理［7］。为减轻雨季引起涌水量的变大对隧道施工造成安全隐患，施作永临结合排水将雨水排出洞外。具体处治方案如下：

3.1.1 临时排水

（1）由于在降雨期间溶腔内不时有危石掉落，为了保证施工安全，溶洞施工前对局部不稳定的孤石、危岩进行清除并挂网，采用C25喷射混凝土进行岩壁封闭。

（2）临时排水处治措施。隧道左洞溶腔内设置宽50 cm、底部低于溶洞内河沟50 cm的拦水坝。沟底及周边1 m范围内采用M30砂浆抹面，并预埋50 cm硬质排水管，根据溶洞处治进度分三阶段从拦水坝处接水带，水带沿隧洞边缘放置将水排至洞口外。

3.1.2 永久排水

（1）将地表ZK56+594段左106 m和ZK56+650段左120 m两处的落水洞进行封堵填埋形成斜坡并在其周围浆砌截水沟将雨水直接引入沟谷。

（2）在ZK56+335段和ZK56+360段两处分别施作集水槽并预埋500 mm导水钢管，将导水钢管接到仰拱中心水沟。集水槽内尺寸长2.75 m、宽2.5 m、高5.3 m，采用Ⅰ14工字钢焊接成环钢架使用22 mm钢筋连接，间距75 cm作为初支。集水槽底部打设108 mm钢管桩，钢管桩长800 cm，纵向间距100 cm，横向间距40 cm，喷射10 cm厚C25混凝土封闭坑壁并在基底浇筑10 cm厚C15混凝土找平层。为了方便安装，将直径1.5 m、厚1 cm的钢管平均截成两节分两次安装，首节安装在施作集水槽前安装并在安装的坡面施作22 mm长2.5 m锚杆。尾节在集水槽、封闭门护拱施作后安装。封闭门长2.25 m、宽2.5 m、高3 m并在二衬段钢架上设置暗梁，防止主洞初支脱空。

（3）在ZK56+335～ZK56+337溶洞段内设置沉沙挡块，尺寸为2 m×3 m，挡块顶部开个宽50 cm、深100 cm的槽并预留500 mm泄水孔，间距2 m，底部放置1 m32 mm连接钢筋使沉沙挡块和溶洞基岩牢固连接。将护拱施工接出来的硬质透水管穿过沉沙挡块降雨排入水管中。

（4）分别将两处集水槽埋设的500 mm导水钢管连接到中央排水沟，并在相应位置增设中央排水沟检查井，使用500 mm导水钢管连接检查井和集水槽。为了加强隧道排水能力，溶洞段中央排水沟宽度增加为1.65 m，并将初期支护施工打设的100 mm泄水孔内置的硬质透水管，预埋300 mm导水钢管连接中央排水沟，沉沙挡块段则是通过打设的500 mm泄水孔内置的硬质透水管预埋500 mm导水钢管连接中央排水沟，进一步加强了排水能力。

3.2 溶腔处治

岩溶空腔段采用护拱+42 mm×4 mm注浆锁脚钢管、回填混凝土、钢管桩软基处理的施工方案，具体处治方案如下：

（1）护拱采用Ⅰ20工字钢，纵向间距50 cm，用22 mm钢筋连接，在拱腰往拱顶位置每2 m预留一个500 mm泄水孔，内插无纺布包裹的硬质透水管，从初支位置延伸至溶洞拱顶并每隔3 m预埋一根120 mm混凝土泵送管，并留一排50 mm排气孔。为保证护拱整体稳定性，在护拱两端打设5 m42 mm×4 mm注浆锁脚钢管并设置12 mm间距20 cm×20 cm的双层钢筋焊网。采用泵送形式分层泵送护拱混凝土。

（2）溶腔空洞处采用C20混凝土分层回填形成保护壳，防止溶洞上方清理不到的孤石、危石掉落造成二衬开裂。回填过程中在护拱处人工安装无纺布包裹的硬质透水管中预留出搭接下一循环的接头。在隧顶1 m混凝土范围内高度的纵向围岩侧壁，横向水平植入两排32 mm钢筋，钢筋间距30 cm，排距50 cm，植入长度100 cm，预留长度为50 cm。泵送最后高度不得小于隧顶1 m。泵送混凝土达到2 m厚度的判定，以混凝土往预埋的排气孔溢出或有水泥浆流出为准。

（3）超前水平钻探钻探结果显示ZK56+330～ZK56+377溶洞段仰拱地基软弱，采用钢管桩施工加固的方式进行处理，钢管桩使用108 mm×6 mm钢管，从下向上灌注C25细石混凝土，待混凝土终凝后，采用M30砂浆进行压浆，压浆初始压力≥1 MPa。防止初支拱架变形位移，软弱地基段初支锁脚加强处理，在原锁脚的基础上，增加8 m长的108 mm×6 mm锁脚钢管，纵向间距1 m。

3.3 处治效果

溶洞处治完成后，连续几日大雨，经过排查，采取临时排水+反压回填+护拱42 mm×4 mm锁脚小导管+钢管桩软基处理+排水系统结合的施工处治方案对溶洞灾害起到了有效的控制。溶洞处支护结构未见开裂和渗漏，监控量测数据正常，初支拱顶下沉最大累计变形量为33.2 mm，最大变形速率为4.2 mm/d。

4 结语

本文结合武宣—来宾—合山—忻城公路№2标段来宾3号隧道岩溶溶洞处治实践，通过开展洞内地质补勘、洞外地表水文地质监测、溶洞处治及效果分析，对岩溶区隧道半填充大型溶洞综合探测与处治技术展开研究，得出主要结论如下：

（1）对半填充大型溶洞，提出通过开展超前地质预报、超前地质钻探、三维激光扫描等综合探测手段进行补勘，能够较为全面地反映洞内地质情况。

（2）洞外地表水文地质监测采用入渗系数法、地下水径流模数法和地下水动力学法分别进行全隧道涌水量计算，有效预测了施工期溶洞最大涌水量。

（3）结合洞内综合探测、洞外地表水文监测结果，采取临时排水+反压回填+护拱42 mm×4 mm锁脚小导管+钢管桩软基处理+排水系统结合的施工处治方案，减少溶洞处治和施工人员暴露的时间，安全、快速地穿越溶洞。

参考文献

［1］伍光和，王乃昂，胡双熙，等.自然地理学（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［2］肖广智.不良、特殊地质条件隧道施工技术及实例（三）［M］.北京：人民交通出版社，2016.

［3］郑寰宇.隧道拱顶半填充大溶洞处治施工技术［J］.西部交通科技，2023（5）：147-148.

［4］程小勇.水文地质试验在隧道工程地质勘察中的应用及涌水量预测［J］.公路交通技术，2022，38（4）：128-135，142.

［5］毕小勇.罗汉坡1号隧道工程涌水量预测分析研究［J］.工程与建设，2023，37（4）：1 089-1 091，1 119.

［6］谭 非.岩土工程勘察中关于水文地质问题的研究［J］.工程学研究与实用，2023，4（19）：37-39.

［7］JRG/T D70-2010，公路隧道设计细则［S］.

作者简介：陈睿基（1998—），助理工程师，主要从事公路隧道施工管理工作。