贵州六枝至安龙高速公路华竹山隧道大溶洞治理

田听雨

辽宁省交通规划设计院有限责任公司

摘 要：华竹山隧道在施工过程中遇到大型溶洞，溶洞在隧道影响范围内长约90m，最宽处宽约34m，最高处高约38m，溶洞形状不规则，与隧道位置关系复杂。治理时根据溶洞与隧道的位置关系、溶洞形状、溶洞规模划分为不同工况，分别制定处置方案，并进行比选论证，可为类似溶洞处治提供借鉴。

关键词：隧道施工;大型溶洞;处治方案比选;混凝土回填;护拱;托梁;支撑梁;

1 工程概况

六枝至安龙高速公路按照设计时速为80km/h的双向四车道高速公路标准进行设计，隧道建筑限界净宽为(0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75) m=10.25m，建筑限界净高5.0m[1]，隧道折合整幅长为864m。

2 地质概况

隧道区属中山构造溶蚀、剥蚀、峰丛地貌，地表植被主要为灌木杂草，局部基岩裸露，项目区属亚热带季风温暖湿润气候，降雨的年内分配也极不均匀，大部分集中在5～9月，其多年平均降雨量为1198.6mm，占全年年均降雨量的77.6%，一年中6月份最多317.7mm。降雨的年际变化也较大，最高达2341.7mm(1983年六枝站)。

区域地层为三叠系中统法郎组(T2f):岩性上部为灰、灰黄色中厚层砂质灰岩、砂质泥岩间夹细砂岩和页岩，厚177m;下部为深灰色，中厚层隐晶灰岩，时含泥质或呈泥灰岩夹层，灰岩中缝合线发育。三叠系中统关岭组第三组(T2g3)灰色，中厚层白云岩夹白云质灰岩，岩溶角砾岩较发育。

根据野外调查及钻探，隧道区出露地层为三叠系中统法郎组(T2f)灰岩，岩石产状为30°∠72°;三叠系中统关岭组第三组(T2g3)白云岩，岩石产状为40°∠73°;第四系坡积粉质黏土(Q4dl)。隧道围岩以中风化灰岩、中风化白云岩，地质条件较好。

3 溶洞发育状况

华竹山隧道从安龙端进洞，即从大桩号向小桩号单向施工。掌子面施工至YK19+103.5时，出现一处大型溶洞，经现场初步核查，该溶洞底有少量填充物，溶洞洞壁湿润，局部有滴水现象，原地面未发现裂隙及裂缝现象。

经现场专业测量，该溶洞平面长度约430m，沿隧道方向的长度最大值约90m(起讫桩号YK19+103.5～YK19+013.5);溶洞宽度最大值约34m，位于YK19+048.5附近;溶洞高度(顶板与底板的距离)最大值约38m，位于YK19+083.5附近;隧道底部距溶洞底部最大埋深约20m，位于YK19+058.5附近。该溶洞边缘与左洞最小距离约为13.6m，位于YK19+068.5附近，该溶洞对左洞基本无影响。

溶洞内存在较多破碎岩体，存在大量石笋、钟乳、石柱、石爆等沉积物，洞底分布大量落石，最高石柱超过15m。溶洞与隧道的平面、纵断位置关系如图1所示。

4 溶洞补充勘察结论

(1)岩溶区附近地层为三叠系中统关岭组第三段(T2g3)白云岩，灰白色，隐晶质结构，层状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，结构面较发育，结合一般，岩层产状为40°∠73°，因产状陡倾，在隧道开挖过程中容易产生局部掉块或塌落。

(2)该岩溶区水源主要为大气降水及基岩裂隙水，溶洞为季节性水洞，但水流量较少，在洞道内，泥沙堆积层较薄，不超过0.5m，推测为丰水期带入，随水位降低沉积而成，经调查无地下暗河连通，近期水位无变化，溶洞为早期海蚀情况下形成，不排除极端天气下(强降雨、持续降雨等)有涌水突泥影响。

图1 隧道溶洞位置关系示意图 下载原图

(3)溶洞发育方向近似岩层走向，周围存在溶洞、溶槽，已在隧道溶洞范围内补充勘探钻孔查明隧道范围内存在小型溶洞;拱顶上方不存在整体坍塌风险，开挖时容易产生落石。

(4)溶洞基本发育情况呈北西-南东向发育，基本走向与岩层走向相近;左侧层理走向与溶洞走向基本一致，且倾角较大(73°)，对溶洞的拱顶左侧及左侧拱肩位置存在不利影响，施工过程中易受爆破等扰动因素出现局部掉块或局部沿层理面滑塌现象。

5 溶洞特征分类

根据溶洞规模以及其与新建隧道的位置关系，结合溶洞补充勘察结论，拟定采用6种工况分别对溶洞采取不同的处理措施，各工况分类桩号详见表1、各工况示意图详见图2所示。

表1 华竹山隧道溶洞特征分类一览表 下载原图

图2 工况1～工况6典型断面图 下载原图

6 溶洞处治方案比选论证

针对该大型溶洞的特点，根据六种工况进行针对性的设计，主要对以下几个方案进行比选论证[2]:

6.1 改线方案

隧道右线进行改线，向左洞进行偏移，按照小净距隧道施工。虽然该方案能够避开大部分溶洞，但是受限于征地、临近构筑物施工进度的限制，可行性较差，且已经施工的隧道需要报废处理，报废工程量较大，成本高，经研究决定不采用本方案。

6.2 桥梁跨越方案

工况4(YK19+063.5～YK19+033.5段)，隧道下方存在较大悬空的大型溶洞。该段从隧道下方悬空深度看，可以考虑桥梁跨越方案，经论证比选桥梁方案存在以下不足:围岩开挖后产生的荷载叠加隧道结构的自重力难以准确计算，导致桥板厚度无法确定;桥梁施工要求较高，洞内模板搭设困难，周期较长导致过程安全风险加大。故不采用桥梁跨越方案。

6.3 回填方案

采用回填的方式跨越溶洞，便于施工，安全可行。工况1～工况3、工况5、工况6溶洞处理规模较小，不需要进行方案比选，但是工况4溶洞处理规模较大，需要进行方案比选。

6.4 工况4方案比选

方案(一):隧道底部溶洞采用C20片石混凝土进行分层回填，坡度采用1∶0.3;为确保隧道结构的稳定性，防止不均匀沉降，隧道底部设置2m厚钢筋混凝土基础;隧道衬砌类型加强。

方案(二):采用洞渣分层回填，同时，预埋钢管桩(Φ108×6钢花管，带劲性骨架，间距1.0m，梅花型布置);洞渣回填至距离隧道底部4m时，对预埋钢花管进行注浆;距离隧道底部4m至2m范围内回填C20片石混凝土;距离隧道底部2m至隧道墙角范围内设置C30钢筋混凝土板;隧道衬砌类型加强。

方案(一)、方案(二)的技术、经济性比选如表2所示:

表2 工况4方案(一)、方案(二)技术比选表 下载原图

综合以上两种方案的技术、经济性比选可知，方案(一)相比于方案(二)虽然造价有所增加，但是施工质量容易控制，运营阶段出现病害的概率较低。

因此，为确保隧道整体工程质量、保证隧道运营阶段的可靠性、安全性，选取方案(一)作为跨越YK19+063.5～YK19+033.5段溶洞的方案。

7 推荐溶洞处治方案

7.1 工况1(YK19+103.5～YK19+093.5)溶洞处治方案

采用“洞渣回填+梁板跨越”组合方案:对隧底溶洞回填洞渣至设计高度，之后施作C30钢筋混凝土板，隧道衬砌在混凝土板及洞渣的共同支撑下，跨越溶洞;衬砌类型加强。

7.2 工况2(YK19+093.5～YK19+078.5)溶洞处治方案

(1)隧道底部溶洞采用C20片石混凝土进行回填。

(2)隧道底部以上7m采用C20片石混凝土进行回填。

(3)取消原有衬砌的初期支护，增设80cm厚护拱，衬砌底部与护拱的间隙采用C25模注混凝土回填。

(4)二次衬砌加强。

(5)上方回填5m厚砂砾以及2m厚吹砂缓冲层。

(6)在YK19+073.5处的护拱衬砌上预留施工通道，便于YK19+093.5～YK19+063.5段护拱衬砌外片石混凝土、砂砾回填的施工。

溶洞工况2典型断面见图3。

图3 溶洞工况2典型断面图 下载原图

7.3 工况3(YK19+078.5～YK19+063.5)溶洞处治方案

该段落处理措施与工况2基本相同，仅在开挖围岩侧保留初期支护。

7.4 工况4(YK19+063.5～YK19+033.5)溶洞处治方案

(1)隧道底部溶洞采用C20片石混凝土进行分层回填，坡度采用1∶0.3。

(2)为确保隧道结构的稳定性，防止不均匀沉降，隧道底部设置钢筋混凝土基础。

(3)支护衬砌类型加强。

(4) YK19+033.5断面为溶洞回填段落施工的起点，施工应从该断面开始向洞外进行分层回填，由于采用片石混凝土进行回填，本身具有足够的自稳及成型能力，故不需要在边界位置设置挡墙。

7.5 工况5(YK19+033.5～YK19+023.5)溶洞处治方案

在隧道左侧边墙脚设置“桩基+托梁”，以此跨越溶洞;支护衬砌类型加强[3]。

溶洞工况5典型断面图见图4。

图4 溶洞工况5典型断面图 下载原图

7.6 工况6(YK19+023.5～YK19+013.5)溶洞处治方案

由于溶洞位于隧道侧面，故不对溶洞进行处理，仅将支护衬砌进行加强。

7.7 其他处理措施

(1)对底板揭示的小型溶洞采取注浆回填方案。

(2)为了确保隧道能够将极端降雨引起的涌水及时排走，将华竹山隧道右线中心排水沟的断面尺寸由60cm×65cm加宽至120cm×65cm;环向排水管加密至每道3m。

(3)对YK19+081.3～YK19+085.7段溶洞顶板距离地表较薄弱的地方，虽然经勘查认为溶洞顶板稳定，但为了后期运营的安全，在该段落沿隧道纵向布置3根C30钢筋混凝土柱，对厚度小于8m的溶洞顶板起到预支撑作用，嵌岩部分采用水磨钻成孔，混凝土柱直径1.2m，纵向中心间距2.2m，详见图5所示。

8 溶洞区施工危险源辨识及防控措施

8.1 极端降雨导致的涌水突泥防控措施

图5 溶洞顶板支撑梁设计图 下载原图

超前地质预报探测涌突水的可能性。根据地勘报告提供的可能发生涌突水、突泥的段落，超前50～80m，采用TSP对前方的地质情况进行初查，当预报前方有异常可能发生涌突水(泥)时，在隧道开挖接近怀疑地点15～30m，采用瞬变电磁仪法详查前方含水情况，开挖接近怀疑地点10～20m时，采用超前钻孔精查，钻孔5～6个，探明前方地质情况和涌水量的大小，以便采取相应处治措施。具体措施可依据不同情况采用:全断面深孔预注浆、深孔周边预注浆、开挖后周边注浆、排水施工等措施。

8.2 溶洞顶部掉块防控措施

经对YK19+073.5～YK19+088.5段岩体Kv、Jc值进行分析，溶洞顶部不存在整体塌落风险，仅存在局部掉块风险。因此，隧道施工应做好防掉块措施。具体措施如下:

(1)施工单位应在地表设立安全警示区防止无关人员进入。

(2)排除洞内危岩。

(3)采用C20喷混凝土进行封闭。

(4)设置防护棚架。

(5)施工现场须配备专职安全员，负责对溶洞壁进行实施监控，若发出异常情况，应及时撤出人员及设备，确保施工安全。

9 结语

(1)在后续的溶洞治理施工过程中，应加强隧道监控量测，制定永久、临时结合的监测方案，确保隧道施工及运营的安全。

(2)由于该溶洞规模大，溶洞顶距离地表部分段落岩层厚度小，在施工前施工单位应在地表设立安全警示区，预防地表塌陷或人员误入造成安全事故或财产损失。支撑柱未施工或强度没有达到设计强度时，严格控制地表荷载，避免对溶洞顶板施加外力，破坏顶板稳定性。

(3)施工期间应做好临时排水措施，做好涌突水预警措施，保证施工期的安全。

(4)经过对该大溶洞的治理，总结如下经验教训:

①在项目选线阶段，应重视地勘的作用，深入落实地勘选线和路线选线的理念，加强地勘工作，特别应加强物探工作，在设计阶段规避重大的不良地质灾害。

②设计阶段根据不同的围岩及不良地质信息，应做到积极响应，针对性设计。

③施工阶段遇到溶洞，应进一步补充勘查，做好水文地质调查，明确溶洞的顶底板稳定性、突泥涌水风险，给出定性结论，设计人员才能给出较为客观合理的处置措施。

④设计人员应对溶洞有全面的深入的了解，掌握现场动态，综合考虑安全、造价、工期、环保等因素，给出合理的设计方案。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部．公路隧道设计规范:第一册土建工程:JTG 3370. 1—2018[S]．北京:人民交通出版社，2018.

[2] 刘彦波，陈扬勇．八台山隧道穿越大型溶洞处治方案研究[J]．山西建筑，2014(23):215-217.

[3] 程文斌，杨利民．板桃隧道出口岩溶段桩基托梁施工:铁路长大隧道设计施工技术研讨会论文[C]．兰州:2004.

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