巖溶隧道施工中溶洞跨越技術(shù)方案研究

陳琳 胡文學(xué)

喀斯特地貌在我國(guó)西南地區(qū)較為常見。當(dāng)隧址處于喀斯特地貌較發(fā)育地區(qū)時(shí)，隧道施工難度大，且安全性也難以得到保障。文章介紹了溶洞的基本知識(shí)和溶洞隧道處理的原則、方法和依據(jù)，并依托崇左至水口高速公路上金隧道（左幅）穿越溶洞施工項(xiàng)目，對(duì)比研究了不同的隧道穿越溶洞方案，得出隧道跨越溶洞的最佳選擇，同時(shí)對(duì)方案進(jìn)行分析和計(jì)算，驗(yàn)證了其安全性，可為類似工程提供參考和指導(dǎo)。

喀斯特地貌;溶洞處治;隧道施工;梁板跨越

0?引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與交通發(fā)展始終是相輔相成的。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)保持中高速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)也在不斷發(fā)展。我國(guó)地域廣闊，人口分布很廣，山區(qū)較多，這對(duì)交通基建事業(yè)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。在山地較多的區(qū)域修建公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，隧道和橋梁成為必不可少的工程建筑物。在我國(guó)的西南和中南地區(qū)，喀斯特地貌比較典型，又稱巖溶地貌，這種地貌的地質(zhì)主要為石灰?guī)r質(zhì)。在巖溶地貌中修建隧道，時(shí)不時(shí)會(huì)遇到溶洞。隧道穿越溶洞施工時(shí)，處理不好往往容易造成安全事故或經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)，而且還不能保證后期運(yùn)營(yíng)的安全。巖溶地貌的地質(zhì)情況較復(fù)雜，不僅有溶洞，還時(shí)常伴有溝槽、較發(fā)育的裂隙等。溶洞內(nèi)有時(shí)會(huì)存在承載力較弱的填充物，有些溶洞存儲(chǔ)著水資源，在隧道施工時(shí)容易造成垮塌、涌水等事故[1]。隧道穿越溶洞時(shí)，處理的方式大體上可分為回填和跨越兩種[2]。回填的方式一般用于處理規(guī)模較小、不作為地下水通道的干溶洞;而地處地下水含量豐富區(qū)域、較大較深的溶洞，往往采用跨越的方式處理[3]。

溶洞隧道施工中，若處理不當(dāng)，會(huì)留下很大的安全隱患，運(yùn)營(yíng)期可能會(huì)出現(xiàn)隧道二襯滲水、路面塌陷破壞、路面開裂、襯砌開裂等病害。隧道一旦建成，后續(xù)出現(xiàn)問題已很難修復(fù)，而且會(huì)產(chǎn)生較大的社會(huì)影響和間接經(jīng)濟(jì)損失[4]。鑒于溶洞的處理在隧道施工中至關(guān)重要，關(guān)系著隧道施工的成敗，本文在參考借鑒隧道施工穿越溶洞相關(guān)研究的基礎(chǔ)上展開研究，依托崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項(xiàng)目，對(duì)比分析了隧道穿越溶洞的方案，得出最佳選擇，可為類似工程提供參考和指導(dǎo)。

1?溶洞處理的原則

溶洞主要是由于地下水對(duì)石灰?guī)r的侵蝕作用，使得不均勻的石灰?guī)r被侵蝕得更不均勻，因此出現(xiàn)孔、洞等自然景觀。這種侵蝕作用是緩慢而且長(zhǎng)期的，所以在工程建筑物的壽命之內(nèi)，溶洞是可以處理的，但又是不斷發(fā)育的。溶洞的出現(xiàn)千差萬(wàn)別，不同的溶洞處理也不盡相同，因此隧道施工中遇到溶洞時(shí)，處理方案不可照抄照搬，應(yīng)基于較為準(zhǔn)確的勘探資料和施工的可行性，量身定做，確定實(shí)施方案[5]。方案要遵循以下原則：

（1）安全性原則。安全性原則是貫穿整個(gè)工程項(xiàng)目最重要的原則，其他所有條件都是在安全性的基礎(chǔ)上討論的，所以安全性原則也是最基本的條件。一個(gè)方案如果不能保證安全性，則該方案是不可實(shí)施的。因?yàn)橐坏?shí)施，就有可能會(huì)造成生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。安全性原則包括兩方面的內(nèi)容，施工的安全性和后期運(yùn)營(yíng)的安全可靠性，兩者缺一不可，均應(yīng)引起足夠重視。安全性在很大程度上取決于工程技術(shù)人員的專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)水平。

（2）可行性原則。遵循可行性原則，就是在保證滿足安全性的基礎(chǔ)上，充分考慮施工條件和施工場(chǎng)地，制定出可以付諸實(shí)施的方案。只有可行性得到滿足，施工方案才是真實(shí)有效的方案。可行性原則一方面取決于施工隊(duì)伍素質(zhì)的高低和所配備機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)性;另一方面也取決于實(shí)際工程的施工場(chǎng)地限制。由此可見，專業(yè)知識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、作業(yè)隊(duì)伍施工水平等方面，是保證方案可行性的必要條件。

（3）經(jīng)濟(jì)性原則。經(jīng)濟(jì)性得到保障，工作人員的積極性就有可能提高，方案才可以比較好地得以貫徹落實(shí)。經(jīng)濟(jì)性原則更體現(xiàn)了綠色交通和可持續(xù)發(fā)展的理念。滿足經(jīng)濟(jì)性原則，往往需要統(tǒng)籌兼顧，放眼全局，保證連續(xù)性和可靠性，避免后期的返工。

隧道施工中遇到揭露較大的溶洞時(shí)，對(duì)于隧道拱頂上部的空腔，需進(jìn)行網(wǎng)噴支護(hù)或噴錨支護(hù);側(cè)邊的空腔視大小而決定采取反壓回填或者加厚襯砌邊墻等措施。溶洞的處理不可走經(jīng)驗(yàn)主義道路，需要專業(yè)人員進(jìn)行詳細(xì)勘察后，準(zhǔn)確得出溶洞的水文地質(zhì)特點(diǎn)、溶洞與隧道的位置關(guān)系，再由專業(yè)人員制定實(shí)施方案。方案的安全性、可行性和經(jīng)濟(jì)性實(shí)際上是相輔相成、互相影響的，不可孤立進(jìn)行考慮。

2?溶洞的處理方法

本文以崇水高速（崇左至水口高速公路）上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)隧道穿越溶洞的方法做對(duì)比分析，最后得出適合的施工方案。

2.1?隧道和溶洞的基本概況

上金隧道采用分離式設(shè)計(jì)：右線（KA線）進(jìn)口樁號(hào)為KA24+274，進(jìn)口路面設(shè)計(jì)高程約127.031 m，出口樁號(hào)為KA27+280，出口路面設(shè)計(jì)高程130.829 m，隧道全長(zhǎng)3 006 m，最大埋深約257 m;左線（KB線）進(jìn)口樁號(hào)為KBK24+279，進(jìn)口路面設(shè)計(jì)高程約127.121 m，出口樁號(hào)為KB27+294，出口路面設(shè)計(jì)高程約130.669 m，隧道全長(zhǎng)3 015 m，最大埋深約260 m。該區(qū)域地表為巖溶洼地，地表高程處于第三階梯，為推測(cè)斷層破碎帶，巖體破碎，以碎裂巖為主。拱頂穩(wěn)定性差，可能出現(xiàn)掉塊、崩塌的現(xiàn)象。地表、地下巖溶均十分發(fā)育，隧道中遇到較大溶洞或縱深裂隙可能性大。涌水災(zāi)害等級(jí)為嚴(yán)重，雨季極易發(fā)生突水、突泥等不良事故，尤其要重視隧道排水。

溶洞位于上金隧道左幅KB25+215～KB25+233段仰拱底部，沿龍州方向左側(cè)發(fā)育，且溶洞的左下方和右上方存在5處支洞，支洞走向基本與推測(cè)斷層走向一致（見圖1）。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查左江大橋段最高水位是120.168 m，進(jìn)口最高水位是116.467 m，溶洞底標(biāo)高為122.15 m。該溶洞無(wú)常年地表水徑流，溶洞與左江距離約370 m。隧道范圍內(nèi)溶洞底部縱向長(zhǎng)度約22.13 m，橫向長(zhǎng)度約8.57 m，溶洞底部至仰拱底距離約13.83 m（見下頁(yè)圖2），垂直于主線方向向下發(fā)展，貫穿左側(cè)仰拱底板向左側(cè)發(fā)展，左側(cè)發(fā)育深度初步探測(cè)≥150 m。溶腔右側(cè)底部有大量填充物（黏土），溶洞大樁號(hào)側(cè)底部有積水（見下頁(yè)圖3）。根據(jù)隧道地勘報(bào)告，該溶洞位于次級(jí)斷裂影響范圍處，該次級(jí)斷裂與隧道斜交，從左往右發(fā)育，結(jié)合斷裂發(fā)育情況，推測(cè)該巖溶與左江相通的可能性較大。

2.2?方案的比較

經(jīng)初步分析，考慮了4種處理方案：

（1）方案一：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設(shè)置一道跨越溶洞的板，縱向設(shè)置支撐墻為板提供支撐，在板內(nèi)布置橫向受力筋。縱向支撐墻預(yù)留3處過水通道，避免破壞原有排水通道。該方法的特點(diǎn)是需要處理支撐墻的基底。主要工程量為：梁板C40混凝土約373 m3;支撐墻C30混凝土約405 m3;鋼筋約90 000 kg;鋼管860 m。造價(jià)約66.7萬(wàn)元。

（2）方案二：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設(shè)置一道跨越溶洞的板，板底下沿行車方向設(shè)置一縱梁于板的邊沿，橫向設(shè)置支撐墻為梁板提供基礎(chǔ)，減小縱向跨徑，布置縱橫向受力鋼筋。其特點(diǎn)是原有排水通道基本不受影響，需處理支撐墻基底及清理掉落的洞渣。主要工程量為：梁板C40混凝土約467 m3;支撐墻C30混凝土約311 m3;鋼筋約90 000 kg;鋼管714 m。造價(jià)約70萬(wàn)元。

（3）方案三：跨越溶洞。在隧道仰拱底部設(shè)置一道跨越溶洞的板，板底下沿行車方向設(shè)置縱梁于板的邊沿。特點(diǎn)是不對(duì)溶洞原有的排水通道造成任何破壞，且施工難度較低，不需要進(jìn)行基底處理，但需要精確計(jì)算梁板的受力情況，并確保其安全性。主要工程量為：梁板C40混凝土約435 m3;鋼筋約90 000 kg。造價(jià)約56.3萬(wàn)元。

（4）方案四：回填通過。整體回填會(huì)造成原有排水通道破壞，不利于排水。片石混凝土施工工藝簡(jiǎn)單，但質(zhì)量難以保證，且后期運(yùn)營(yíng)中透水層、泄水口均易堵塞，容易造成后期安全隱患。主要工程量為：C15片石混凝土約1 562 m3;C30混凝土約450 m3。造價(jià)約68.2萬(wàn)元。

以上四種方案均具備可行性。綜合各方面因素考慮，為減少后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，溶洞水宜疏不宜堵，溶洞內(nèi)水系應(yīng)保持暢通，宜采用梁板跨越方案處理，但方案三屬于相對(duì)冒險(xiǎn)的方案，論證后不予采用。方案一雖然預(yù)留有過水通道，但施工過程中易造成堵塞。結(jié)合溶腔內(nèi)有大量填充物（黏土）這一調(diào)查實(shí)情，預(yù)測(cè)預(yù)留過水通道效果不能得到永久保證，最終采用方案二對(duì)該溶洞進(jìn)行處治。

2.3?方案的分析

方案實(shí)施示意圖見圖4～6。

該方案充分考慮襯砌傳到梁板的荷載，并進(jìn)行內(nèi)力分析和配筋計(jì)算。板的計(jì)算按照單向板進(jìn)行，配置橫向受力鋼筋。地基梁按連續(xù)梁進(jìn)行分析，考慮中間支點(diǎn)處的負(fù)彎矩和跨中正彎矩，配置縱向受力鋼筋和抗主拉的斜筋，同時(shí)驗(yàn)算梁的裂縫。方案中的板和梁均為C40混凝土，采用HRB400鋼筋。方案中設(shè)計(jì)板厚1.2 m，計(jì)算得單位板寬跨中彎矩和支點(diǎn)剪力分別為631 kN·m和428 kN，所需配筋面積為2 260 mm2，選取1622 mm（外徑25.1 mm，間距12.5 cm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=6 080 mm2，受拉鋼筋按2排布置，同時(shí)對(duì)稱配置1排受壓鋼筋。經(jīng)驗(yàn)算，斜截面剪切強(qiáng)度、截面最大裂縫、正截面抗彎承載力等均滿足規(guī)范要求。梁的設(shè)計(jì)尺寸為2.5 m×2.5 m，梁跨最大正彎矩為13 275 kN·m，支點(diǎn)處負(fù)彎矩為23 312 kN·m，支撐墻處剪力為10 497 kN，基巖處剪力為6 258 kN。經(jīng)計(jì)算，梁的負(fù)彎矩處選取7228 mm（外徑31.6 mm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=44 352 mm2，鋼筋按3排布置即可滿足規(guī)范要求;正彎矩處選取4828 mm（外徑31.6 mm）鋼筋，提供的鋼筋截面面積As=29 568 mm2，鋼筋按2排布置即可滿足規(guī)范要求。

3?結(jié)語(yǔ)

溶洞的處治一直是隧道施工的關(guān)鍵點(diǎn)之一。本文分析了溶洞隧道的施工難點(diǎn)和確保施工順利完成的重要性。結(jié)合溶洞的特殊性，介紹了處理溶洞隧道的原則，即安全性原則、可行性原則和經(jīng)濟(jì)性原則。并以崇水高速上金隧道（左幅）穿越溶洞的施工項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)多個(gè)隧道穿越溶洞的方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出適合的施工方案，而且對(duì)施工方案做了進(jìn)一步分析和計(jì)算，從理論上保證了安全性。本文提出的處理溶洞隧道的思路和解決方案，可為類似工程提供參考和借鑒，具有現(xiàn)實(shí)意義。

[1]楊永勝.談鐵路隧道溶洞處理技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（9）：145-146，151.

[2]TZ 214-2005，客運(yùn)專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

[3]劉招偉，張民慶，王樹仁.巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測(cè)與處治技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[4]趙興華，上官洲境，陳建光.巖溶發(fā)育地區(qū)隧道溶洞處治方法[J].西部交通科技，2018（5）：135-139.

[5]毛忠海.淺談隧道施工溶洞及塌方處理[J].門窗，2017（10）：221.