宋照尚，邱中原，單勤

（中交一航局第四工程有限公司，天津300456）

喀斯特地貌隧道串珠狀環(huán)向連續(xù)溶洞處理技術(shù)

宋照尚，邱中原，單勤*

（中交一航局第四工程有限公司，天津300456）

喀斯特地貌是具有溶蝕力的水對(duì)可溶性巖石（大多為石灰?guī)r）進(jìn)行溶蝕作用等所形成的地表和地下形態(tài)的總稱，又稱巖溶地貌。喀斯特地貌中隧道工程施工，常會(huì)遇到不同的溶洞，其中串珠狀溶洞相對(duì)于其他形式的溶洞更加危險(xiǎn)和復(fù)雜，尤其是同一里程斷面內(nèi)出現(xiàn)的環(huán)向連續(xù)溶洞。由于施工期間無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)探明圍巖發(fā)育情況，現(xiàn)有溶洞極有可能出現(xiàn)二次發(fā)育，對(duì)工程產(chǎn)生較大的危害。通過(guò)對(duì)隧道斷面不同部位的溶洞處理技術(shù)，闡明了如何安全可靠、科學(xué)可行、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理、工期緊湊地解決串珠狀溶洞施工，為今后類似的溶洞處理提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞：隧道；串珠狀；連續(xù)；溶洞

0 引言

伴隨著“一帶一路”規(guī)劃的實(shí)施，西南地區(qū)高速公路進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，該區(qū)巖土多是典型的喀斯特地貌，巖溶地貌的整體性差，多溶洞或含泥、含沙溶腔，裂隙發(fā)育，夾層較多，僅靠巖石之間的摩擦力固定，極易出現(xiàn)松動(dòng)掉塊、冒頂塌方等危險(xiǎn)。在施工隧道工程時(shí)，常會(huì)遇到不同類型的溶洞，對(duì)工程產(chǎn)生較大危害。

1 工程概況

云南省蒙自至文山至硯山高速公路第2合同段施工范圍內(nèi)東山隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，左幅起訖樁號(hào)ZK07+030—ZK09+725，左幅全長(zhǎng)2 695 m，最大埋深約170 m；右幅起訖樁號(hào)K07+090—K09+755，右幅全長(zhǎng)2 665 m，最大埋深約190 m。隧道處于構(gòu)造溶蝕侵蝕低中山地貌區(qū)，地表植被發(fā)育一般。隧道區(qū)高程介于1 451.67～1 669.58 m之間，相對(duì)高差217.91 m，地形較為陡峻、起伏較大。隧道所處地極為干旱，隧道內(nèi)未見(jiàn)裂隙水發(fā)育[1]。

東山隧道出口在開(kāi)挖至K09+710段發(fā)現(xiàn)串珠狀的3處溶洞（如圖1），延伸里程為K09+710-706.4。

圖1 溶洞位置示意圖Fig.1Location of karst cave

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道拱頂處溶洞（如圖2（a）），長(zhǎng)寬高分別為3.6 m×9.6 m×3 m，有少量的填充物，多為淤泥、砂和黏土。構(gòu)造整體性差，斷裂巖石無(wú)嵌固，開(kāi)挖過(guò)程中極易出現(xiàn)松動(dòng)掉塊，存在冒頂塌方的危險(xiǎn)。

隧道右側(cè)拱腳處溶洞（如圖2（b）），長(zhǎng)寬高分別為3.6 m×6.4 m×7.2 m，溶洞中可見(jiàn)積水痕跡及少量積水，顯示溶洞內(nèi)有季節(jié)性巖溶水。溶洞位置為受力集中點(diǎn)，若填充不當(dāng)，將留下隱患。

隧道左側(cè)拱腰處溶洞（如圖2（c）），長(zhǎng)寬高分別為3.6 m×6.5 m×4.3 m，洞底堆積大量松散崩塌塊石，無(wú)水，但有積水痕跡，顯示溶洞內(nèi)有季節(jié)性巖溶水。溶腔頂部及邊壁陡懸處圍巖穩(wěn)定較差，易掉塊，局部不利結(jié)構(gòu)面組合處易坍塌。

圖2 溶洞照片F(xiàn)ig.2Photo of karst cave

3 溶洞處理基本原理

對(duì)需要處理的溶洞，按充填情況可分為全充填、半充填及無(wú)充填三種類型[2]。溶洞處理之前，要對(duì)該區(qū)域進(jìn)一步詳細(xì)勘查，確定溶洞的埋深、與隧道的相對(duì)位置和類型。當(dāng)大于2 m以上的無(wú)充填溶洞和半充填溶洞，先采用填砂處理，后采用注漿加固的方法。小于2 m的無(wú)充填溶洞和半充填溶洞，可直接采用注漿填充。本工程該段處理為無(wú)充填溶洞，采用先支護(hù)、再充填、后注漿的順序進(jìn)行處理。

4 處理技術(shù)

4.1 處理措施

4.1.1 嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺

串珠狀溶洞的地質(zhì)情況極其復(fù)雜，無(wú)法有效探明前方巖石的整體性和強(qiáng)度以及裂隙發(fā)育情況。為了保證安全必須嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，按照每次一榀鋼拱架間距開(kāi)挖。

4.1.2 精確的超前預(yù)報(bào)

出現(xiàn)串珠狀溶洞，為了有效探明巖溶的發(fā)育現(xiàn)狀，盡可能的把握地質(zhì)情況，最有效的超前預(yù)報(bào)形式就是在串珠狀溶洞發(fā)育區(qū)進(jìn)行超前鉆孔確認(rèn)，在表面無(wú)巖溶段進(jìn)行取樣鉆孔，探明后續(xù)是否還有較大的溶洞，溶洞內(nèi)有無(wú)積水，做好溶洞巖石的強(qiáng)度和溶洞規(guī)模的初步預(yù)估，以及有水條件下的卸壓以及空氣適應(yīng)性處理。

4.1.3 防風(fēng)化以及二次發(fā)育處理

該處串珠狀溶洞之間有貫通，巖石脆裂，鐘乳石是方解石，完全解理無(wú)斷口，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的空氣適應(yīng)性處理和爆破作業(yè)的二次擾動(dòng)后，溶巖出現(xiàn)風(fēng)化以及二次發(fā)育，主要表現(xiàn)為解理、裂隙發(fā)育，巖石強(qiáng)度降低，裂開(kāi)成薄片，解理面大且完整，平滑光亮，強(qiáng)度低，脆性大，很容易碎裂下墜；附著在原巖表面的沉淀層情況類似，很容易出現(xiàn)脫層滑落，非常危險(xiǎn)，所以必須進(jìn)行排險(xiǎn)處理。

串珠狀溶洞排險(xiǎn)主要分為兩個(gè)部分：

1）使用挖掘機(jī)將較大的危石及時(shí)處理，對(duì)已經(jīng)裸露的溶腔壁進(jìn)行細(xì)致的定點(diǎn)清除。所有的黃色附著層和凸起的鐘乳石盡可能的在這次排險(xiǎn)過(guò)程中清除掉。

2）使用檢測(cè)臺(tái)架人工處理。在第一步確認(rèn)完成的情況下，對(duì)未清除的溶腔壁上松動(dòng)、但未掉落的黃色附著層和凸起的鐘乳石進(jìn)行二次處理。

排險(xiǎn)結(jié)束后，必須在溶腔內(nèi)部進(jìn)行全方位的噴漿作業(yè)，尤其是不能忽略下部和底部的噴漿封閉。噴漿作業(yè)封閉的目的主要有：

1）溶洞內(nèi)的圍巖因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的處于密閉環(huán)境，一旦打開(kāi)，極易出現(xiàn)溶洞落頂。排險(xiǎn)后噴漿作業(yè)是對(duì)圍巖的及時(shí)封閉，防止圍巖不封閉而出現(xiàn)掉塊、冒頂。

2）噴漿作業(yè)的好壞還關(guān)系著后續(xù)溶洞注漿效果，如果前期噴漿作業(yè)忽略了下部和底部的溶腔空隙，在后續(xù)的溶洞注漿處理中可能會(huì)耗費(fèi)大量的漿液，以至于不得不用特種漿液代替低價(jià)的水泥漿液進(jìn)行注漿堵孔。

4.2 初期支護(hù)處理

4.2.1 拱頂溶洞

拱頂出現(xiàn)溶洞，但是又要進(jìn)行前期封閉，所以拱頂溶洞處理的原則是本著安全第一，盡可能地早封閉，初期支護(hù)要輕巧，強(qiáng)度要高[3]。后期進(jìn)行補(bǔ)漿或者沖砂處理。拱頂溶洞的處理原則早封閉、輕巧、高強(qiáng)、便于施工，以往設(shè)計(jì)全部填充完成，或者用混凝土進(jìn)行立模打護(hù)拱的方式，費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，效果差，不易施工。在處理此次溶洞的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套省時(shí)、省力、便于施工的拱頂溶洞處理方法。

1）置入鋼筋籠（如圖3所示），規(guī)格為φ22的HRB400鋼筋，籠高40 cm，鋼筋間距為25 cm× 25 cm。雙層設(shè)置，鋼筋籠上方φ22的HRB400鋼筋上綁扎單層φ8的規(guī)格為10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)片。鋼筋籠的高度在不同的溶洞條件下，要分別設(shè)計(jì)。

圖3 拱頂鋼筋系統(tǒng)示意圖Fig.3Schematic diagram of bar system on vault

首先，鋼筋籠的平面形狀要根據(jù)溶洞的情況設(shè)定，盡可能做到全面覆蓋溶洞面。

第二，鋼筋籠的高度要滿足放置鋼筋籠之后，鋼筋籠底面不能超出開(kāi)挖線。

后續(xù)步驟需要進(jìn)行超前小導(dǎo)管的打設(shè)，所以鋼筋籠要事先進(jìn)入，在溶洞的左右兩側(cè)斜向打入錨桿，錨桿的斜向角度可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，縱向間距此次處理的間距為1 m，此時(shí)打入錨桿的目的為通過(guò)錨桿讓鋼筋籠與圍巖形成有效的連接，并起到暫時(shí)支撐鋼筋籠的目的。

2）加設(shè)單榀鋼拱架，在拱架上方進(jìn)行上層小導(dǎo)管的打設(shè)，沿溶洞發(fā)育段，φ42的超前小導(dǎo)管的間距為300 mm，長(zhǎng)度為5 m，打入角度控制在15°。打入超前小導(dǎo)管的目的是便于后續(xù)操作中將鋼筋籠與之連接為一個(gè)整體，并且小導(dǎo)管架設(shè)在拱架和未開(kāi)挖的圍巖上，形成一個(gè)簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，有一定的承載力，可以承受該段的噴射混凝土的重量，在噴漿作業(yè)時(shí)還有一定的保護(hù)作用。

3）在超前小導(dǎo)管上焊接4根φ80鋼管，鋼管長(zhǎng)度為60 cm，梅花形布置，主要目的后期沖砂。

4）在小導(dǎo)管上鋪設(shè)φ8的規(guī)格為25 cm×25 cm的鋼筋網(wǎng)片，綁扎在超前小導(dǎo)管上。在小導(dǎo)管上方（鋼筋籠的下方）設(shè)置此項(xiàng)鋼筋網(wǎng)片的目的是便于進(jìn)行噴射混凝土的操作，并且將鋼筋籠與超前小導(dǎo)管連接為一體。

5）將小導(dǎo)管上方（鋼筋籠的下方）鋼筋網(wǎng)片與鋼筋籠綁扎，與鋼筋籠上方的網(wǎng)片一起作用，可控制噴射混凝土的量，減輕結(jié)構(gòu)自重。

6）焊接埋深0.5 m的φ42鋼花管，按照間距0.5 m進(jìn)行梅花形布置，外漏0.2 m主要目的是為以后的注漿提供管道。

7）溶洞的形成離不開(kāi)水，施工此段圍巖時(shí)在旱季，但是溶洞內(nèi)潮濕有白色流漿，說(shuō)明溶洞內(nèi)雨季時(shí)有過(guò)水，自溶洞邊緣預(yù)埋帶孔波紋管，波紋管用土工布包裹，自溶洞邊底引出和洞內(nèi)排水系統(tǒng)對(duì)接。以上完成后報(bào)檢合格方可進(jìn)行噴射C25混凝土作業(yè)。

噴射混凝土作業(yè)時(shí)控制角度在30°~40°之間，由內(nèi)層向外層噴射，控制噴層厚度為50 cm，內(nèi)層嚴(yán)禁使用土工布和石棉網(wǎng)當(dāng)擋噴層，便于少量的向巖層輻射進(jìn)行二次補(bǔ)噴，并方便沖填沙子。

4.2.2 拱腳溶洞

1）拱腳1 m以下，立模板打滿C10素混凝土回填，預(yù)埋φ22的HRB400鋼筋便于鋼筋籠固定。

2）拱腳1 m以上位置設(shè)置φ22的HRB400鋼筋籠，籠高40 cm，鋼筋間距為25 cm×25 cm。雙層設(shè)置，鋼筋籠內(nèi)層φ22的HRB400鋼筋上綁扎單層φ8的規(guī)格為10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)片，整個(gè)鋼筋籠固定在預(yù)埋鋼筋上。

3）焊接埋深0.5 m的φ42鋼花管按照間距0.5 m進(jìn)行梅花形布置，外漏0.2 m主要目的是為以后的注漿提供管道。

4）自溶洞邊緣預(yù)埋帶孔波紋管，波紋管用土工布包裹，自溶洞邊底引出和洞內(nèi)的排水系統(tǒng)對(duì)接。以上完成后報(bào)檢合格方可進(jìn)行噴射C25混凝土作業(yè)。

4.2.3 拱腰溶洞

1）掛設(shè)φ22的HRB400鋼筋，籠高40 cm，鋼筋間距為25 cm×25 cm。雙層設(shè)置，鋼筋籠內(nèi)層φ22的HRB400鋼筋上綁扎單層φ8的規(guī)格為10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)片。

2）焊接埋深0.5 m的φ42鋼花管按照間距0.5 m進(jìn)行梅花形布置，外露0.2 m主要目的是為以后的注漿提供管道。

3）自溶洞邊緣預(yù)埋帶孔波紋管，波紋管用土工布包裹，自溶洞邊底引出和洞內(nèi)的排水系統(tǒng)對(duì)接。以上完成后報(bào)檢合格方可進(jìn)行噴射C25混凝土作業(yè)。

4.2.4 其他事項(xiàng)

1）溶洞內(nèi)環(huán)境由密閉變換到開(kāi)放，及受爆破振動(dòng)和空氣適應(yīng)性作用的影響，容易造成溶洞頂部的冒頂和掉塊，極為危險(xiǎn)[4]。溶洞出現(xiàn)將停止隧道掌子面的一切作業(yè)，優(yōu)先進(jìn)行超前探孔[5]。在未經(jīng)檢測(cè)的情況下嚴(yán)禁私人進(jìn)入溶洞。嚴(yán)禁進(jìn)入溶洞內(nèi)采摘鐘乳石等巖石。杜絕冒險(xiǎn)作業(yè)，設(shè)立警戒，專職人員盯控[6]。

2）加強(qiáng)過(guò)程控制和報(bào)檢工作，控制好關(guān)鍵環(huán)節(jié)，防止出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

5 處理效果

隧道K09+710-706.4段進(jìn)行周邊位移、拱頂下沉及圍巖收斂量測(cè)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，周邊位移收斂累計(jì)值0.23 mm，拱頂累計(jì)下沉量2.6 mm，都非常小且在正常范圍之內(nèi)，支護(hù)變形量已穩(wěn)定。

注漿加固完成后，對(duì)處理效果進(jìn)行了鉆心取樣檢測(cè)，過(guò)程中未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，加固效果良好。

該溶洞段二襯完成后至今未出現(xiàn)開(kāi)裂、滲水等現(xiàn)象，此次串珠狀的3個(gè)溶洞處理技術(shù)措施取得了良好效果。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于巖溶地質(zhì)，必須重視前期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，加強(qiáng)過(guò)程控制，做好影像留存，確保安全施工。巖溶地區(qū)的溶洞段施工關(guān)系隧道施工的安全、進(jìn)度和效益，及時(shí)溝通，編制高效可行的施工方案，是確保巖溶地區(qū)的及時(shí)閉合、順利通過(guò)的重要手段。

1）溶洞處理必須事實(shí)就是，不能照搬圖紙和以往的處理經(jīng)驗(yàn)，要綜合考慮溶洞的大小、富水情況、巖性、成洞程度和具體的位置。

2）溶洞處理尤其是拱頂溶洞的處理必須遵循早封閉、輕巧、高強(qiáng)、便于施工的原則。拱頂溶洞進(jìn)行吹沙處理，在滿足強(qiáng)度要求下，要通過(guò)噴射混凝土進(jìn)行護(hù)拱施工，一是再次進(jìn)行面層掃噴，二是控制護(hù)拱厚度，降低施工難度。

3）串珠狀溶洞所有的溶洞處理必須同步處理，不能等待，溶洞風(fēng)化后的結(jié)果是不可知，并且往往是嚴(yán)峻的。

4）溶洞處理要做好預(yù)埋件的設(shè)置，尤其是排水管和注漿管，以防二次處理。

[1]王國(guó)峰.國(guó)家高速公路網(wǎng)G5615、G8013高速公路云南省蒙自至文山至硯山段高速公路兩階段施工設(shè)計(jì)圖[R].北京：中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，2015. WANG Guo-feng.Design drawings for the construction of two stages of National Expressway Network G5615 and G8013 expressways from Mengzi to Wenshan then to Yanshan of Yunnan Province [R].Beijing:China Highway Engineering Consulting Corporation, 2015.

[2]JTG F80/1—2004，公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S]. JTG F80/1—2004,Quality inspection and evaluation standards for highway engineering[S].

[3]JTG F60—2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]. JTG F60—2009,Technical specification for construction of highway tunnels[S].

[4]JTG C20—2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]. JTG C20—2011,Code for highway engineering geological investigation[S].

[5]JTG/T F60—2009，公路隧道施工技術(shù)細(xì)則[S]. JTG/T F60—2009,Technical guidelines for construction of highway tunnel[S].

[6]JTG F90—2015，公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范[S]. JTG F90—2015,Safety technical specifications for highway engineering construction[S].

Processing technology of tunnel beads-like circumferential continuous cave in karst landform

SONG Zhao-shang,QIU Zhong-yuan,SHAN Qin*
（No.4 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

Karst landform is a generic term for the surface and underground forms shaped by the dissolution of soluble rock (mostly limestone)by the water with corrosion force,also known as carbonate landform.Tunnel engineering construction in karst landform often encounter different caves,of which the beaded cave is relatively more dangerous and complex compared to other kinds,especially the continuous circumferential cave in the same mileage section.During the construction,due to the development of the surrounding rock,it cannot be verified in a short period of time,so the karst existing cave is likely to experience the second development,which will cause significant harm to the project.Based on the processing technology targeted to different parts of the karst tunnel section,we expounded how to solve the beaded cave construction in the way of safe and reliable,scientific and feasible,convenient construction,economical and reasonable,and tight schedule,as well as providing reference and suggestions for the treatment of similar karst caves.

tunnel;beads-like;continuous;cave

U455.49

B

2095-7874（2017）07-0090-04

10.7640/zggwjs201707021

2016-11-04

2017-01-19

宋照尚（1975—），男，山東單縣人，高級(jí)工程師，總工程師，建筑工程專業(yè)。*通訊作者：?jiǎn)吻冢珽-mail：13820023172@139.com