薛 成，高亞軍

(中交二公局華盟公司，陜西 西安 710065)

0 引言

山區(qū)高速公路隧道施工中會(huì)面臨很多的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)病害，特別是在隧道開挖施工中出現(xiàn)特大溶洞時(shí)，由于受到地質(zhì)、地貌等復(fù)雜情況和處理空間有限等因素的干擾，處理技術(shù)難度會(huì)更大，會(huì)對工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全等產(chǎn)生不利影響。目前，國內(nèi)關(guān)于山區(qū)高速公路特大溶洞處理技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)比較少，而關(guān)于一般溶洞處理技術(shù)的文獻(xiàn)較多。文獻(xiàn)［1］對百色至靖西高速公路隴內(nèi)隧道特大溶洞處理技術(shù)和方法進(jìn)行了介紹，但手段相對簡單;文獻(xiàn)［2］對于特殊不良地質(zhì)狀況下的溶洞處理技術(shù)進(jìn)行了介紹，對3種溶洞處理的方案進(jìn)行了對比分析，評價(jià)了溶洞整體的穩(wěn)定性，其中采用的“樁基托架跨越”與本文隧道基底下部處理有類似之處;文獻(xiàn)［3］主要分析了宜萬鐵路巖溶隧道災(zāi)害及防治對策。本文主要針對山區(qū)高速公路，當(dāng)隧道跨越特大溶洞時(shí)，在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下采取的不同技術(shù)處理措施。

1 工程概況

清連高速B4標(biāo)白須公1#隧道位于清遠(yuǎn)市陽山縣南部“粵北山字型”構(gòu)造，設(shè)計(jì)里程K2178+015～+425，長410 m。開挖到K2178+074時(shí)，在隧道上半斷面發(fā)現(xiàn)特大型溶洞。經(jīng)實(shí)地踏勘，該溶洞洞內(nèi)表面溶蝕發(fā)育，隨處可見鐘乳石、石筍、石柱，表面有裂隙水，并伴有流水，溶洞最寬處近百米，距地表最小垂直深度約50余米，最深的側(cè)洞達(dá)數(shù)百米，實(shí)測隧道穿越區(qū)域溶洞空腔最高110 m、寬約70 m、長約101 m;沿洞壁向溶洞左側(cè)行走至600 m可外延溶洞出口，洞底有水流。在溶洞內(nèi)樁號K2178+136.5隧道中心線右側(cè)，有一橫向溶洞，最高處約15 m，最寬處約25 m，深度約15 m;溶洞前38m(K2178+074～+112)需在溶洞中部右側(cè)擴(kuò)挖12.4 m隧道，后28 m(K2178+112～+140)段隧道要橫穿溶洞。

2 溶洞施工處理技術(shù)難點(diǎn)

該溶洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于溶蝕侵蝕高丘微山地區(qū)，其地貌單元有斜坡、溶溝、石芽、峰林等地形，隧址區(qū)進(jìn)出口端及山坡表層分布有第四系全新統(tǒng)坡殘積物，以紅黏土為主，夾有灰?guī)r碎石。其他地段大部分基巖裸露，巖性為石炭系下統(tǒng)灰?guī)r，按風(fēng)化程度和巖溶發(fā)育程度劃分為巖溶強(qiáng)發(fā)育灰?guī)r(巖體基本質(zhì)量為V級)、巖溶弱發(fā)育灰?guī)r(巖體基本質(zhì)量為III級至IV級)。該隧道處于復(fù)雜構(gòu)造帶上，其構(gòu)造屬華南褶皺系南嶺緯向，褶皺斷裂發(fā)育，出露地層巖性主要為石炭系、二疊系、白云巖等碳酸鹽巖，分布范圍廣，沉積厚度大，區(qū)內(nèi)氣候濕熱，雨水充沛，在地表、地下水強(qiáng)烈的淋濾、溶蝕作用下，形成了落水洞及巖溶洼地的巖溶地貌，間有漏斗(見圖1)，溶洞兼有風(fēng)化層和軟弱層。若采取對樁基處理、溶洞設(shè)置簡易橋、一側(cè)溶洞巖體支撐擋墻處理等措施，以及合理有效地增設(shè)排水系統(tǒng)，都會(huì)產(chǎn)生很多技術(shù)難題。由于方案無法確定，隧道停工半年多，且隧道另一洞口處于懸崖處，造成無法開展另一側(cè)的隧道施工，故采取有效合理的施工技術(shù)方案是必不可少的。

圖1 白須公溶洞概貌Fig.1 General picture of Baixugong karst cave

3 溶洞處理總體設(shè)計(jì)思路

本隧道采取增設(shè)導(dǎo)洞，由導(dǎo)洞進(jìn)入主洞先避開溶洞掘進(jìn)，然后對溶洞進(jìn)行技術(shù)處理，結(jié)合以往對溶洞處理的方式，經(jīng)過反復(fù)勘測分析論證，會(huì)同專家研究，確定出溶洞處理的總體設(shè)計(jì)思路。

1)對溶洞靠隧道的側(cè)壁及頂部圍巖采用清理和噴錨加固處理。

2)在底部采用樁基處理，并在基礎(chǔ)上構(gòu)建承臺(tái)及支撐墻，溶洞底與隧道結(jié)合處采用橫向聯(lián)系梁連接。

3)采用超前管棚、鋼拱架、錨噴、仰拱等綜合支護(hù)措施進(jìn)行處理。

4)對巖溶水按照“宜疏不宜堵”處理原則，在承臺(tái)下邊設(shè)排水溝，增設(shè)管涵，將巖溶水引入溶洞底的天然溝谷。

4 溶洞處理具體方案

4.1 小溶洞和裂隙處理方案

在隧道穿越的主溶洞側(cè)旁分布有許多小溶洞和裂隙，對巖層發(fā)育穩(wěn)定、跨度較小且無水的溶洞，根據(jù)其與隧道相交的位置采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封堵。拱部以上空溶洞，可視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護(hù)加固或加設(shè)護(hù)拱及拱頂回填的辦法處理;破碎程度較嚴(yán)重的，采用注漿固結(jié)或長大管棚支護(hù)。

4.2 特大溶洞處理方案

根據(jù)溶洞所處的實(shí)際情況，對于特大溶洞其空間大、側(cè)向延伸深度廣，有層間水和山體裂隙滲水，地質(zhì)軟弱帶結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，具體處理方案如下:

1)對溶洞下部采取樁基礎(chǔ)進(jìn)行處理，其上設(shè)置整體承臺(tái)，加設(shè)支撐墻并嵌入溶洞頂部，以承擔(dān)上部巖體荷載［4］。

2)隧道穿越特大溶洞與支洞聯(lián)結(jié)處，支洞一側(cè)采用邊墻鋼筋混凝土基礎(chǔ)加固處理，主洞一側(cè)按方案1)處理。

3)溶洞段隧道底部處設(shè)置橫系梁代替仰拱，實(shí)現(xiàn)隧道環(huán)向受力。

4)采取疏導(dǎo)措施處理巖溶水、裂隙水，在承臺(tái)內(nèi)設(shè)排水系統(tǒng)引排巖溶水;在其下邊設(shè)排水溝，增設(shè)涵洞，將裂隙水引入溶洞底的天然溝谷。

5)對于隧道上方的溶洞含有充填物、不穩(wěn)定層的部位，將充填物及不穩(wěn)定層清除，采取增設(shè)錨桿、襯砌加固等措施予以處理。

6)對于局部較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行重新設(shè)計(jì)論證和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。

5 溶洞處理技術(shù)

5.1 基底處理

經(jīng)補(bǔ)充勘察，從溶洞原始地表起算，軟塑性至可塑性黏土夾溶洞小型塌方塊石的充填物，厚度達(dá)20余米，地基承載力不能滿足原設(shè)計(jì)的片石混凝土基礎(chǔ)要求。經(jīng)研究，確定采用樁基礎(chǔ)承臺(tái)支撐墻結(jié)構(gòu)。溶洞底部處理方式為:隧道左側(cè)采用雙排(每排9根)樁徑1.6 m樁基;中部及右側(cè)采用單排(每排4根)樁徑2 m樁基，樁底嵌入堅(jiān)硬持力層不少于3 m。為避免擾動(dòng)和破壞巖層，還考慮空間溶洞的特殊性，機(jī)械施工難度大，全部采用人工挖孔進(jìn)行處理。

5.2 溶洞頂部及側(cè)壁處理

在實(shí)際施工過程中，溶洞洞壁圍巖基本為Ⅲ級圍巖，勘測分析確定為穩(wěn)定巖體，采取噴錨技術(shù)加以處理。經(jīng)對初期施工方案分析評審，取消超前管棚，變更為采用超前錨桿結(jié)構(gòu)，并取消仰拱［5］。

1)施工前清理掉洞內(nèi)危石，對碎落帶進(jìn)行清理，防止塌落或垮塌，再進(jìn)行錨支護(hù)。

2)溶洞拱部及側(cè)壁圍巖的支護(hù)采用φ22 mm藥卷錨桿(拱部錨桿長2 m或6 m;側(cè)壁錨桿長2.5 m或4 m)，呈梅花形布置，間距150 cm×150 cm，掛φ6 mm鋼筋網(wǎng)，間距15 cm×15 cm，并噴射15 cm厚C25早強(qiáng)混凝土。

5.3 溶洞入口段隧道洞身處理

在K2178+074～+083段原施工過程中，按照Ⅲ級圍巖已開挖并噴錨支護(hù)完畢，但需擴(kuò)大開挖斷面，其施工難度較大，且會(huì)對巖層造成再次擾動(dòng)。考慮圍巖穩(wěn)定性好，為加強(qiáng)溶洞入口段隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)開挖斷面形狀，對已開挖段落突出部位進(jìn)行局部鑿除后，在滿足二次襯砌35 cm的情況下進(jìn)行加強(qiáng)錨噴。采用5 m φ22 mm藥卷錨桿，間距140 cm×120 cm，環(huán)向11根，與原有錨桿交錯(cuò)布置，并盡快噴射混凝土及掛φ6 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm，以保證隧道進(jìn)入溶洞處洞身能達(dá)到穩(wěn)定和承壓的目的。

5.4 溶洞內(nèi)承臺(tái)及支撐墻等混凝土結(jié)構(gòu)施工

針對該溶洞洞徑巨大、洞內(nèi)主要為無充填溶洞，采用承臺(tái)及鋼筋混凝土支撐墻進(jìn)行加固(見圖2)。承臺(tái)分為3段，厚2 m。第1段承臺(tái)起訖樁號為K2178+083.7～+097.5，位于隧道左側(cè);第2段承臺(tái)起訖樁號為 K2178+097.5 ～ +112.5，位于隧道左側(cè);第3 段承臺(tái)起訖樁號為 K2178+112.5～ +136.5，橫穿隧道。隧道左側(cè)承臺(tái)寬6.7 m，右側(cè)承臺(tái)寬2.23 m，隧道左側(cè)支撐墻底部寬5.7 m，外側(cè)坡比為1∶0.2，內(nèi)側(cè)緊貼巖壁;右側(cè)支撐墻底部寬1.93 m，外側(cè)坡比為1∶0.1，內(nèi)側(cè)緊貼巖壁。在各段承臺(tái)之間設(shè)置了1 cm的變形縫，用泡沫板隔開。為加強(qiáng)承臺(tái)支撐墻與隧道及溶洞洞壁的緊密結(jié)合，在承臺(tái)及支撐墻靠隧道一側(cè)設(shè)置藥卷錨桿。承臺(tái)側(cè)錨桿伸入圍巖5 m，間距0.6 m×0.6 m，梅花形布置，并在承臺(tái)側(cè)加設(shè)通長橫向聯(lián)系梁，聯(lián)系梁鋼筋與隧道二次襯砌鋼筋連接。支撐墻側(cè)錨桿長3.5 m，伸入圍巖2.5 m;支撐墻頂部錨桿長4 m，伸入圍巖3 m。支撐墻頂部約1 m范圍內(nèi)采用C25早強(qiáng)噴射混凝土充填，并在混凝土內(nèi)設(shè)置3 m長φ50 mm(壁厚4 mm)注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管間距為1.5 m。

圖2 隧道承臺(tái)及樁基平面布置圖Fig.2 Layout of caps and pile foundations in tunnel

5.5 支撐墻外反壓回填處理

考慮到K2178+140處隧道開挖會(huì)對溶洞洞壁擾動(dòng)引起塌方，在隧道右側(cè)緊貼溶洞洞壁構(gòu)建一道巖壁擋土墻。C25水泥混凝土墻身長10 m，厚2 m，高度至溶洞頂部，并嵌入巖體。為防止隧道貫通后支撐墻將承受來自溶洞頂圍巖的巨大壓力，在左側(cè)支撐墻外側(cè)采用了反壓回填，回填高度為9 m，以確保支撐墻受力均衡。

6 溶洞施工質(zhì)量監(jiān)測

監(jiān)測目的以隧道施工期檢測為重點(diǎn)，以圍巖變形、錨索支護(hù)應(yīng)力檢測為主，監(jiān)控的項(xiàng)目包括爆破震動(dòng)監(jiān)測、隧道拱頂沉降、錨桿軸力量測、圍巖壓力量測、溶洞頂板變形檢測，重點(diǎn)對支撐墻變形加以監(jiān)控。由于溶洞結(jié)構(gòu)沿主洞長度方向上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2個(gè)空間方向上的幾何尺寸，且結(jié)構(gòu)上所承受的荷載沿長度方向均勻分布平行于橫截面，符合彈性力學(xué)平面應(yīng)變理論，將隧道假定為近似平面應(yīng)變問題來解決［6］。采取數(shù)值監(jiān)控評價(jià)體系，分析確定出處治結(jié)構(gòu)與隧道及溶洞的安全性和可靠性。

6.1 監(jiān)控驗(yàn)算方法

監(jiān)測的應(yīng)力所采用的數(shù)值分析方法為有限單元數(shù)值法，分析程序?yàn)锳NSYS有限元通用計(jì)算機(jī)軟件，利用施加虛擬支撐力逐步釋放法對隧道控制過程模擬為連續(xù)施工，使數(shù)據(jù)分析過程更為簡單，也更符合施工實(shí)際，不需要應(yīng)力和位移的疊加。巖土三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，白須公1號隧道受力特征相當(dāng)于中等圍壓狀況，按力學(xué)結(jié)構(gòu)理論假定其為理想的彈塑材料，在此條件下巖土結(jié)構(gòu)體接近理想彈塑性，故將監(jiān)測體作為理想的彈塑性介質(zhì)加以研究。巖土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 巖土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of rock mass

由圖3可知，巖體的強(qiáng)度比土體的強(qiáng)度大得多。巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線—般為Ⅰ線，其中Ⅰa段稍微向上彎曲，Ⅰb段接近于直線，Ⅰc段呈現(xiàn)向下的彎曲。因應(yīng)力應(yīng)變曲線的幾段較為接近線彈性關(guān)系(約占Ⅰ線范圍的2/3)，故對大多數(shù)巖體，當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)可近似按線彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行分析;土體的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槌尸F(xiàn)向下彎曲曲線Ⅱ，僅當(dāng)應(yīng)力水平很低時(shí)才接近直線;Ⅲ為巖土材料塑性變形發(fā)展后的主要應(yīng)變形態(tài);Ⅳ為巖石呈現(xiàn)脆性形態(tài)［7］。在監(jiān)控過程中，將隧道巖體作為理想的線彈性結(jié)構(gòu)體，實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)測分析。

6.2 應(yīng)力分析

通過對K2178+010斷面初期支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測值分析可知:1)初期支護(hù)主應(yīng)力終值為2.7 MPa，最大值為4.2 MPa(小于初期支護(hù)抗拉強(qiáng)度值4.4 MPa，考慮鋼拱架作用)。最大值出現(xiàn)在初期支護(hù)上下臺(tái)階分界處，是由施工過程中應(yīng)力集中所致。2)初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值為10.0 MPa(小于噴射混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值13.5 MPa)，出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)拱腳處，也是由應(yīng)力集中所致。K2178+010斷面初期支護(hù)主應(yīng)力隨施工變化見圖4和圖5。K2178+010斷面數(shù)值分析共分11個(gè)荷載步，分別對應(yīng)的施工步為:荷載步7—上臺(tái)階支護(hù);荷載步8—下臺(tái)階開挖;荷載步9—下臺(tái)階支護(hù);荷載步10—施作橫向聯(lián)系梁;荷載步11—施作二次襯砌。

在應(yīng)力集中處其所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)要求，符合檢測指標(biāo)，表明支護(hù)整體穩(wěn)定可靠。

6.3 圍巖位移分析

1)通過對K2178+010斷面豎向沉降監(jiān)測值分析可知:①圍巖最大沉降出現(xiàn)在施工結(jié)束后，最大沉降量出現(xiàn)在隧道拱頂附近，為5.3 mm;②仰拱和聯(lián)系梁相接處上拱最大值為0.46 mm;③圍巖穩(wěn)定，滿足沉降要求。圍巖斷面豎向最大沉降量的變化情況見圖6。

2)通過數(shù)值檢測分析，可以看出圍巖最大沉降出現(xiàn)在上部圍巖開挖時(shí)。對K2178+125斷面進(jìn)行檢測可知:①最大豎向沉降量為1.93 mm，最終豎向沉降量為1.90 mm;②拱頂及溶洞底側(cè)沉降量相對較小，符合技術(shù)要求。圍巖最大沉降量隨施工工序變化見圖7。K2178+125斷面數(shù)值分析共分8個(gè)荷載步，分別對應(yīng)的施工步為:荷載步1—圍巖初始地應(yīng)力;荷載步2—施作橋墩;荷載步3—施作承臺(tái);荷載步4—施作擋墻;荷載步5—反壓回填;荷載步6—隧道開挖;荷載步7—隧道支護(hù);荷載步8—施作二次襯砌。

6.4 橋墩軸力及位移分析

1)通過對K2178+125斷面橋墩壓應(yīng)力監(jiān)測值分析可知，橋墩軸向壓應(yīng)力隨施工過程增大，最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在施工結(jié)束時(shí)，為1.7 MPa，地點(diǎn)在橋墩露出地面處，監(jiān)測值在允許范圍內(nèi)。壓應(yīng)力最大值隨施工變化圖見圖8。

2)通過對K2178+125斷面橋墩豎向位移監(jiān)測值分析可知，施工前4個(gè)步驟橋墩豎向位移隨施工過程逐漸增大，后面步驟豎向位移變化不大，最大沉降出現(xiàn)在外側(cè)橋墩與承臺(tái)相接處，沉降量為2.34 mm，最終沉降量為2.3 mm，沉降量符合要求。橋墩豎向位移分布見圖9。

圖9 K2178+125斷面橋墩最大豎向位移變化圖Fig.9 Variation of maximum vertical displacement of piers of tunnel cross-section at K2178+125

6.5 錨桿軸力分析

通過對K2178+125斷面監(jiān)測值分析可知，錨桿拉應(yīng)力隨施工過程增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在施工結(jié)束時(shí)，其值為2.0 MPa，錨桿拉應(yīng)力隨施工步變化呈斜向上的直線型式，側(cè)墻附近錨桿拉應(yīng)力較大。

7 結(jié)論與討論

1)由于溶洞內(nèi)結(jié)構(gòu)空間受限，隧道穿越溶洞處下部采取橋梁下部結(jié)構(gòu)(樁基礎(chǔ)+承臺(tái))形式處理，樁基只能采用人工挖孔，在樁基礎(chǔ)上整體澆筑鋼筋混凝土承臺(tái)，從而加固了隧道下部的不良地質(zhì)構(gòu)造，使隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固［8］。

2)采用開挖平行導(dǎo)洞，可避開溶洞開挖導(dǎo)洞至主線位置，進(jìn)入主線后再實(shí)施開挖施工，同時(shí)對溶洞兩側(cè)進(jìn)行處理，既節(jié)省工期，也有利于隧道內(nèi)交叉作業(yè)與通風(fēng)。平行導(dǎo)洞的設(shè)計(jì)是在不影響溶洞穩(wěn)定的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，其與溶洞壁最小距離約為7 m。

3)在溶洞處理方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到采用新奧法原理施工的同時(shí)充分發(fā)揮支撐墻作用，故一方面，處于溶洞一側(cè)將支撐墻全部嵌入上部巖體中，在支撐墻施工過程中，預(yù)埋隧道初期支護(hù)的鋼拱架使支撐墻與隧道初期支護(hù)形成一個(gè)整體的支承結(jié)構(gòu);另一方面，隧道輪廓以上部分，在溶洞壁施工錨桿，并預(yù)留1 m與支撐墻連成整體，有利于隧道開挖后，應(yīng)力向支撐墻底部的承臺(tái)及樁基擴(kuò)散，消解應(yīng)力集中現(xiàn)象。支撐墻施工結(jié)束，在強(qiáng)度滿足要求后，左側(cè)墻體外采取反壓回填，以消除自拱頂?shù)木薮髩毫Α?/p>

4)溶洞段隧道底部采取橫向聯(lián)系梁連接取代仰拱，確保隧道整體穩(wěn)定。

5)在承臺(tái)側(cè)邊設(shè)置排水溝，加設(shè)涵洞，從而使溶洞周圍巖體中的裂隙水引入溶洞底的天然溝谷，以防止?jié)B水對溶洞產(chǎn)生局部破壞。

6)在處理類似溶洞前，應(yīng)對隧道地質(zhì)狀況和技術(shù)方案作全面評估，對施工措施的可靠性和安全性預(yù)作專項(xiàng)評價(jià)，從而確保工程施工安全、質(zhì)量可靠。

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