占小明
（中铁五局贵州公司）
【摘 要】高速公路建设正由东部平原地区过渡到中西部重山区,所面临的地质环境问题将更为复杂。特别是贵州地区高速公路建设迅猛发展，正在成为西南陆路交通枢纽，该地区主要地貌为喀斯特地貌，隧道工程建设呈多溶洞特点，文章结合贵州省仁怀至赤水高速公路洞湾隧道大型溶洞处理方案，详细论述了隧道仰拱底大型溶洞处理方案的比选及采用回填施工的技术研究，对类似工程具有重要的借鉴意义。
【关键词】公路隧道；大型溶洞；方案比选；回填施工
一、洞湾隧道大型溶洞情况简述
由中铁五局贵州公司承建的仁怀至赤水高速公路洞湾隧道位于贵州省习水县东南方11km，隧道左洞长2126m，右洞长2090m。隧道最大埋深310m，洞身穿越泥岩、泥岩夹灰岩、灰岩地层。隧道在施工过程中多次遇到溶洞，其中线路右线开挖至YK66+488时揭露出一处大型溶洞。该溶洞位于隧道底板以下，溶洞长轴与线路大致垂直，溶洞底部轴长265m、顺线路宽度57m，溶腔最大高度44m，溶洞顶板与隧道底板之间厚度为3-29m，内有一处落水洞发育。
溶洞围岩地质特征：
①溶腔边壁形态折转变化与结构面（断层节理面）、岩层层面基本一致，说明溶洞—溶蚀作用受结构面和岩层层面控制。
②溶洞顶部及边壁陡悬处，石钟发育，相对应的底部石笋发育，说明地下渗流水、滴水丰富，溶蚀作用强。
③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。
④溶腔底部主要为淤泥和块石堆积，块石堆积之下有流水，可听到流水声。
二、处理方案的比选
隧道穿越岩溶地段时，治理比较复杂，应根据溶洞的实际情况和隧道在其中所处的位置灵活确定。一般情况下，可按岩溶对隧道影响情况及施工条件，采取跨越、加固洞穴、引排截堵岩溶水、清除充填物或注浆对软弱地基加固，回填夯实，封闭地表塌陷、疏排地表水等工程综合治理设计方案。根据广东核力工程勘察院的《洞湾隧道进口端岩溶探测 工程物探勘察报告》和现场调查的情况，本着“安全、彻底、生态、经济、快速”的原则，对该溶洞初步提出了2个处理方案：“跨越处理方案”、“回填处理方案”。
1、方案一：板梁+柱支撑跨越方案
为不改变溶洞排水系，对洞底溶洞采用板梁跨越处理。同时在隧道底板下的溶腔内用钢筋混凝土柱子对板梁下的隧道底板进行支撑。具体方案如下：
1.1 溶洞洞腔防护：
洞腔进行清危后喷锚防护，喷射混凝土厚10cm；锚杆采用φ22 药卷锚杆,间距为1.5m×1.5m,长4m；钢筋网采用φ6.5,网格间距为25cm×25cm。
1.2 桥梁结构：
初步拟定采用桥梁跨越，上构结构型式为2×20m 整体现浇连续肋梁，两侧桥台支撑在岩体，桥墩墩采用双圆柱式墩，直径2.0m，扩大基础。仁怀侧桥台处岩层底板厚度扣除现浇梁高后最薄处约为9m，溶腔的深度20m，为了确保0 号台处岩体的稳定与安全，在0 号台岩层底板下方的溶腔内设置15 根直径1.6m 的圆柱进行支撑，圆柱的间距4m，具体布置详见桥型布置图。支撑圆柱底采用扩大基础形式，顶部采用植筋的方式与上岩体锚固，由于桥上要增加护拱及二衬，桥梁宽度采用14.4m。
1.3 隧道结构：
隧道边墙及拱部均为空洞段，采用45cm 厚钢筋混凝土明洞型衬砌（配合桥面设计不设仰拱）+外设80cm 厚钢拱架护拱（内设I18 工字钢骨架，间距为60cm）进行支护。
2、方案二：回填处理方案
采用洞渣回填，因不能保证回填的压实度及与隧底地板岩体的密贴，回填土无法起到对隧道底板的支撑作用，不能保证隧道结构在运营中的使用安全，方案在技术上不可行,给予舍弃。回填方案回填材料采用浆砌片石，具体方案如下：
2.1 溶洞洞腔防护：
洞腔进行清危后喷锚防护，喷射混凝土厚10cm；锚杆采用φ22 药卷锚杆,间距为1.5m×1.5m,长4m；钢筋网采用φ6.5,网格间距为25cm×25cm。
2.2 洞腔回填：
对隧底顶板厚度极薄处的危岩进行揭露清理后，以此为进入隧底处的工作面，搭设施工平台，对隧底处洞腔采用M7.5 浆砌片石进行回填。回填宽度为隧道衬砌中线两侧各7.5m，总宽15m，回填坡率为1:0.3。回填前应先对回填范围内基础进行清淤、清渣（原溶洞内垮塌的石渣），并要求基底地基承载力大于1.0MPa。存在隧道岩石底板部位的浆砌片石为保证回填密实，应预留注浆管于接触面采用间歇式注浆方式灌注水泥砂浆；隧道底板为空的部位，应在浆砌片石表面采用C20 水泥混凝土进行找平，找平层厚10cm。回填前根据原洞腔地下水流水方向预埋Ф100cm 的HDPE 管涵，确保溶洞内水路畅通。
2.3 隧道结构：
2.3.1 隧道边墙及拱部无溶洞段，隧道已开挖，初期支护已施做完毕，二次衬砌采用45cm 厚钢筋混凝土，不设仰拱。
2.3.2 隧道边墙及拱部均为空洞段，采用45cm 厚钢筋混凝土明洞型衬砌（不设仰拱）+外设80cm 厚钢拱架护拱（内设I18 工字钢骨架，间距为60cm）进行支护。
3、方案比选：
3.1 技术比较
采用浆砌片石回填方案，施工难度小，只需确保施工过程中回填的质量。质量控制的要点为：⑴溶洞底部淤泥和掉块应清除干净，基底承载力大于1.0MPa；⑵回填浆砌片石顶部采用注浆，确保溶洞顶部无空隙；⑶隧底预埋管涵，确保溶洞内水路畅通。
采用桥梁板梁+柱支撑跨越方案，施工难度大。桥梁基础开挖爆破影响溶洞围岩的稳定，安全风险极大。质量控制的要点为：⑴墩台处松动岩石清理干净；⑵保证墩台基础基底承载力；⑶准确控制溶洞顶板支撑柱的高度，墩柱高度与设计不符应变更处理。
3.2 经济比较
采用M7.5浆砌片石回填方案，回填M7.5浆砌片石27820m?，工程数量大，但可充分利用隧道弃渣施工，施工成本低；采用桥梁板梁+柱支撑跨越方案，主要工程数量：现浇梁C50混凝土740.4m?、墩台混凝土1026.8m?、钢绞线35.7t、钢筋285.6t，砼、钢材价格昂贵。
通过方案的技术、经济比较，从施工的难易程度、安全风险、施工成本等方面综合考虑，最终促成贵州省公路局经方案评审后采用回填浆砌片石方案。
三、回填施工研究
目前国内的隧道工程采用回填方案穿越大型溶洞的研究已较多，一般采用土石方进行回填，为避免沉降过大或不均匀沉降对上部结构物产生不利影响，再对回填路基进行注浆加固或夯锤夯实补强。透水性材料注浆加固往往由于注浆不均匀效果不是很理想，不透水材料采用夯锤夯实补强也存在作业空间小、填层厚度大夯实效果不好等情况。根据贵州省习水县地质特点，洞湾隧道采用回填浆砌片石穿越大型溶洞。因回填浆砌片石方案与众不同，且实施的效果如何，值得我们研究。
针对仁赤高速公路洞湾隧道大型溶洞采用回填浆片石方案，需要研究溶洞底部基底承载力是否满足设计要求的技术难题，需要研究如何保证地下水泄洪通道的问题。同时对回填浆砌片石的沉降情况进行研究，为今后类似地质及类似条件的隧道溶洞回填施工积累经验。
1、基底承载力研究
1.1 采用地质雷达对溶洞底部地质进行物探，以探明溶洞底以下有无空洞及水体。仪器采用美国生产的R24型浅层地震仪，国产CDJ-Z100型检波器。
浅层地震是利用人工激发地震波在岩土介质中的传播规律，探测浅部地质构造或测定岩土物理力学参数、进行物性分层、寻找构造破碎带的一种较成熟的地球物理勘察方法。根据波动理论，当人工激发产生的地震波在向地下介质中传播时，由于不同的岩土层具有差异，当地震波经过具有不同波阻抗差异的界面时，产生反射现象，应用专门的仪器记录各种波的传播时间和特征，经数据处理后，便可获取岩土层、构造断裂带的反射信息
本次浅层地震使用参数为：纵线采用单次触发，震源采用18磅大锺锺击，2道检波器，道间距1m，偏移距5-8m，炮点距1m，记录长度512ms，采样率125ns。
物探结果：根据YK66+440-YK66+630左10mEH-4大地电磁测深成果图分析可知，右洞左10m测线上共发现一处断层或岩性分界线，里程为YK66+490，由小里程向大里程方向倾斜。隧道洞身附近发现一处异常，电阻率等值线凌乱，电阻率偏低，推测为岩溶，岩石破碎、含水，里程位置为YK66+460-YK66+530。
根据物探结果分析，并结合现场溶洞底部挖机挖探情况，YK66+460-YK66+530大溶洞基底覆盖乱石并富含一定地下水，但溶洞底部以下无大空洞和水体分布，能够满足在底部以上设置大型构筑物的条件。
1.2 采用地质钻机对溶洞底部进行钻探，根据芯样抗压强度判断地基承载能力。
在溶洞范围内共布置8个地质钻探孔，每孔钻孔深度40延米左右。取岩样8组，试验结果为：天然密度2.74～2.80g/cm3，平均2.76g/cm3；饱和抗压强度19.7～68.5MPa，平均40.92MPa；天然弹性模量E50=3.11～10.40×104MPa，平均6.76×104MPa；天然泊松比μ=0.11～0.26，平均0.19；天然抗拉强度8.52～11.6MPa，平均10.06MPa。岩块波速VP=4028～6756m/s，平均5574m/s。岩体完整性系数KV=0.04-0.73，为破碎-较完整的岩体。围岩级别为Ⅲ-Ⅴ级。地基承载力基本容许值［fao］=2000kPa，能够满足在底部以上设置大型构筑物的条件。
1.3 在保证基底承载力的同时，为保证回填浆砌片石的稳定性，溶洞底部横向或纵向坡度过陡处设置抗滑台阶，台阶宽度不小于2米。因溶洞回填M7.5浆砌片石数量巨大，达到2.7万立方米。施工从溶洞顶部破口进入挖掘机配合施工。基底台阶采用挖掘机配合人工施工。
2、溶洞的排水处理研究
排水处理研究的目的是判明地下水类型、补给排条件、隧道洞身涌水量和地下水侵蚀性。
2.1 地下水类型、补给排条件调查。经地质调绘及对溶洞地形的实测，岩溶形态主要表现为落水洞、溶洞及地表溶蚀洼地、地表塌陷等。地下水的补给来源主要是大气降水入渗补给。部分落水洞为枯水洞，洞与地下深层溶洞有水力联系，雨季时向下汇水。
大型溶洞RD1中2#溶槽开始，经过1#、2#、3#至4#洞腔后存在下渗通道，此通道水流通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集，流通过程中接纳中途汇集水流后逐渐形成较大水流，成为形成巨型溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。
2.2 隧道洞身涌水量调查。大型溶洞RD1流水洞S4至下部岩溶裂隙通道，S4为流水洞，水量4.5L/s。S4处流水洞面积约0.5×0.6m2，下方15m深度范围内为受此流水洞冲刷、溶蚀形成的竖井，呈圆形截面，直径约8m，深度较大，且同1#溶槽联通。同时根据流水通道漂浮杂物痕迹对历史最高水位进行了测量。
2.3 地下水侵蚀性调查。地下水腐蚀性测试水质取样2组，测试结果为地下水无腐蚀性。
根据地下水的综合调查，确定地下水来源主要为大气降水，溶洞区底部存在一处过水通道。根据地下水流量测试结果和历史水位测量结果，在原洞腔地下水流水方向预埋3根Ф100cm的HDPE管涵，确保溶洞内水路畅通。因地下水无腐蚀性采用水泥砂浆不作防腐处理。
3、浆砌片石沉降情况研究
3.1 沉降观测方法。
沉降观测按照路基沉降观测方法进行。观测点位置见下图：
浆砌片石施工期间，设置沉降观测中桩、下沉降观测边桩。施工完成后增加上沉降观测边桩。大溶洞沿线路共设置4个观测断面。沉降观测采用S1型水准仪和因瓦水准尺。
3.2 观测频率
施工期间每砌筑高度1.0米进行一次观测，如两次砌筑间隔较长时，每3天观测一次。砌筑完工后，在前2～3个月内，每5天观测一次，3个月后15天观测一次。
3.3 内业计算与成果整理
每次观测结束后，检查记录计算是否正确，精度是否合格，并进行误差分配。然后将观测值列入观测成果表中，计算出累计沉降量和位移量。并注明观测日期、气象情况和荷重变化情况。
3.4 观测结果分析
沉降观测成果汇总表见下表：
从各断面累计沉降值来看，总体下沉量都不大，且无明显沉降异常点。由于YK66+470回填高度相对较大，其累计沉降值较大。从各断面沉降速率来看，在浆砌片石砌筑高度较小时沉降值很小，砌筑高度到达一定高度后，在一段时间内沉降值变化变大，随着砌筑高度继续加大，沉降值变化变小。
四、结束语
隧道施工中遇到的溶洞形式多种多样，相似溶洞的处理方法大致相同，主要是根据溶洞和隧道主线相交的位置、溶洞规模大小等，通过方案的技术、经济比较，从施工的难易程度、安全风险、施工成本等方面综合考虑，拟定合理的处理方案。仁赤高速公路洞湾隧道大型溶洞采用回填浆砌片石方案，在施工过程中研究解决了溶洞底部基底承载力是否满足设计要求的技术难题，经过详细调查保证了地下水泄洪通道的问题，提出回填浆砌片石的沉降观测方法和日沉降控制标准，保证了构筑物在施工过程中和运营使用后的安全。同时也为在类似地质条件下的大型溶洞处理积累了经验。
总之，隧道大型溶洞处理的过程，在保证工程质量和安全的前提下，如何把溶洞对工期和成本造成的影响减到最小，是我们工程技术人员必须不断思考、不断实践和不断总结的过程。
参考文献：
[1]JTG D70-2004，公路隧道设计规范【S】，人民交通出版社，2004。
[2]支卫清，公路隧道穿越大型溶洞处理方案的确定【C】，现代隧道技术，2006年
作者简介：
占小明，性别：男，出生年月：1982.4，技术职称：工程师，工作单位：中铁五局贵州公司，通信地址：贵州省贵阳市枣山路23#中铁五局贵州公司工程部。
论文作者:占小明
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/14
标签：溶洞论文; 隧道论文; 方案论文; 地下水论文; 底板论文; 基底论文; 岩溶论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;