软弱黏土填充型隧道溶洞处治技术探讨

摘要：软弱黏土填充并延伸至隧道全断面且拱底下覆深厚软土地基的溶洞，是隧道工程施工较为罕见的问题之一。文章以贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）下排二号隧道溶洞为依托工程，探讨广西高速公路建设过程中隧道全断面软弱黏土填充型溶洞处治技术，为类似岩溶病害处治技术方案决策提供参考。

关键词：隧道工程；软弱黏土；溶洞处治

U457+.2A421314

0 引言

广西喀斯特地貌分布范围广且发育情况复杂，隧道岩溶处治已成为多数新建高速公路修建过程的难点问题之一。目前岩溶处治的相关研究有：梁玮玮［1］研究了新柳南高速公路吾排隧道溶洞塌方的处治措施，该措施主要以“大管棚+超前小导管注浆”方式提高溶洞段围岩稳定。严德添等［2］研究了三柳高速公路大塘隧道采用钢管桩方案处治隧道仰拱软弱下卧层。黎峰铭、黎昕［3］研究了大凭高速公路崇德隧道“洞渣回填+CD法+桩顶承台”的溶洞处治技术。杨楚兵、范国宇［4］研究了大凭高速公路某隧道采用“洞中洞”方案处治大型溶洞。赵少忠等［5］研究了齐岳山隧道的26处溶洞，分析了溶洞的规模、特性及地质成因等特点，并给出了隧道不同位置的溶洞处治建议。赵庚亮等［6］研究了南宁地铁4号线岩溶发育特点并认为采取注浆加固岩溶区轨道交通溶洞的处治建议是合理可行的。卫敏［7］研究了渝怀铁路某隧道采用“超前小导管+帷幕注浆”和“管棚+帷幕注浆”2种支护方式处治高压富水岩溶问题，结果表明超前管棚比超前小导管能更有效地维持围岩的稳定性。王建等［8］研究了“工字钢横跨+钢筋混凝土板”在贵州某高速公路隧道巨型溶洞回填处治的作用。姜晓博等［9］研究了预应力现浇箱梁跨越的方式在河百高速公路丘莫隧道大型溶洞处治过程的运用。陈禹成等［10］研究了隐伏溶洞位置变化对隧道围岩稳定性的影响规律，并提出了花果山隧道的溶洞的处治原则和方案。李杰科等［11］基于广西崇水高速公路隧道岩溶处治方案，研究了喀斯特地区岩溶形成机理，并相对应地提出了溶洞处治原则和措施。赵兴华等［12］研究了溶洞形成机理和其对施工的影响，并介绍了广西河百高速公路丘莫隧道和梁家领隧道的岩溶处治方法。李雄周等［13］研究了云南某高速公路隧道岩溶段，并提出了“洞内+地表”岩溶处治新方法。孙柏林等［14］针对尚家湾隧道溶洞提出了护拱法配合砂浆锚杆稳固塌腔岩面的处治技术。董志明等［15］研究了大直径自进式锚杆在京昆线古家山隧道岩溶处治过程中的运用，结果表明其具有快捷安全和技术经济合理的特点。

基于以上研究现状，本文以贺州至巴马高速公路（都安至巴马段）下排二号隧道大型溶洞为研究对象，探讨软弱黏土填充型全断面溶洞的处治方案，为类似隧道工程全断面岩溶处治方案的比选提供借鉴。

1 工程概况

下排二号隧道设计为分离式隧道，净空为11 m×5 m。右线总长为720 m，最大埋深为202 m；左线总长为714 m，最大埋深为188 m。隧址区位于岩溶峰丛地貌，山体连绵起伏，山峰陡峭，地形起伏大。主要地质概况为上覆第四系残积（Qel+dl）黏土，下伏石炭系上统（C3）灰岩。

2 溶洞概况

2.1 揭露过程

下排二号隧隧道出口端左洞上台阶施工至ZK373+044～ZK373+090段时，掌子面揭露为1处大型黏土填充溶洞，填充范围从左侧向右侧逐步扩大，直至充满整个掌子面，填充物为黏土夹杂块石，填充物主要为黑色黏土，局部夹杂黄色黏土，块石直径为50～150 cm，未发现明显渗水现象，扰动后土层松散，基本无粘结力，稳定性较差且遇水易软化，施工过程中发生坍塌，拱顶存在塌腔空洞。右洞施工至YK373+030～YK373+065段时，掌子面揭露1处大型黏土填充溶洞，填充范围从右侧向左侧逐步扩大，直至充满整个掌子面填充物范围，填充物同左洞，经初步判断与左洞的填充溶洞连通。病害发生过程如下：

2018-12-04施工至ZK373+044断面时，ZK373+070～ZK373+090段拱顶沉降速率增加，拱顶局部出现喷射混凝土开裂病害。

2018-12-09至2018-12-15停工期间，受连续降雨影响，ZK373+044～ZK373+090段初期支护快速下沉和收敛，出现环向开裂、喷射混凝土剥落、钢架扭曲变形等现象，右侧偏压明显，钢架出现局部变形，沉降、收敛严重，导致初期支护侵入二次衬砌范围。

2019-01-07，施工至YK373+030掌子面时，YK373+030～YK373+065段监控量测数据异常，沉降速率、拱脚收敛速率增加，掌子面及时停止开挖。

2019-01-07至2019-01-27停工期间，YK373+030～YK373+065段初期支护快速下沉和收敛，出现环向开裂、喷射混凝土剥落、扭曲变形等病害，沉降、收敛严重，初期支护侵入二衬范围。

2.2 发育情况

运用C6XP多功能地质钻在右洞YK373+065～YK37+038段及左洞ZK373+090～ZK373+058段共布置9个钻孔（右洞7个、左洞2个）探明了隧道溶洞发育情况。

钻探揭露该岩溶形态以填充型溶洞为主，溶洞填充物主要以红黏土夹石和黑黏土夹石为主。9个钻孔都遇到填充型溶洞，遇溶洞率为100%，线岩溶率为42.9%～100.0%，初步钻探隧道底板溶洞填充物的厚度gt;20 m，填填充物主要为可塑状红黏土混碎石和块石、板结黑黏土混碎石和块石等。溶洞发育情况详见表1。

钻探结果如图1、图2所示，在左洞掌子面正前方16 m范围的地质以黏土夹石为主，16～44 m为硬质灰岩；在右洞掌子面正前方8～14 m范围内的地质也以黏土夹石为主，范围以外为硬质灰岩；隧道底板岩溶强烈发育，并以填充型溶洞为主，填充物的厚度gt;20 m，填充物主要为软塑～可塑状红黏土混碎石和块石、板结黑黏土混碎石和块石等。钻孔揭露隧底填充型溶洞填充物最大厚度为25.0 m，填充物主要为板结硬塑状黑结土混碎石和块石。

3 变形特征

为确保隧道施工过程安全以及判断围岩稳定性和确定二衬支护时间，监测了拱顶下沉和周边位移2个项目，并采用累计变形量和变形速率2个指标研判隧道状况。拱顶下沉观测点布置在拱顶及其左、右水平间距为2 m的位置，周边收敛的观测点布置在隧道腰部水平测线，并与拱顶下沉观测点布置在同一断面。

由图3～4可知，左洞变形可分为3个阶段，分别为缓慢变形阶段（第1～8 d）、急剧变形阶段（第9～20 d）和变形基本稳定阶段（第21～31 d）。沉降变形发展阶段主要在监测第8 d，截止在第21 d，沉降速率最大发生在ZK373+070断面，当日最大沉降速率最大沉降值97 mm；其次是ZK373+085断面，最大沉降值74 mm；再次是ZK373+064断面，最大沉降值65 mm；最后是ZK373+076断面，最大沉降值41 mm。由图5～6可知，右洞沉降变形主要发生在YK373+047断面，其变形特征也分为3个阶段，其中缓慢变形阶段（第1～16 d）、急剧变形阶段（第17～26 d）和变形基本稳定阶段（第27～29 d），最大沉降值123 mm。YK373+058和YK373+064断面变形相对稳定，最大沉降量分别为19 mm和8 mm。

4 处治方案

经对比分析，下排二号隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞采用“应急处治+永久处治”相结合的处治方案，详细方案如下。

4.1 应急处治方案

4.1.1 掌子面

左洞ZK373+044掌子面至上台阶段立即进行反压回填，右洞YK373+038掌子面停止掘进并立即进行封闭处理。

4.1.2 初支

在初支侵限段，增设Ⅰ18工字钢，间距为1.0 m的复拱及临时仰拱，其中上台阶临时仰拱立于80 cm×50 cm的C25混凝土条形基础之上，并且在每榀护拱和临时仰拱之间增设2根Ⅰ18工字钢斜撑，侵限段应急处治完成且变形稳定后对初支背后空腔泵送C20混凝土回填密实。

4.1.3 效果

经应急处治后，下排二号隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段初支变形趋势得到有效控制，但受连续降雨、拱底软基和节假日停工等不利条件影响，初支变形仍未完全收敛。

4.2 永久处治方案

4.2.1 拱底软基加固措施

根据下排二号隧道ZK373+090～ZK373+044段、YK373+065～YK373+030段大型溶洞填充物性质、范围和洞内施工情况，综合考虑加固机理、效果、经济性和运营期的安全风险，最终选定“树根桩+钢管桩+仰拱承台”方案（如图7所示）处治拱底软基。

4.2.1.1 树根桩+钢管桩

隧道横向布置6根树根桩+6根钢管桩+6根树根桩，间距分别为70 cm、100 cm和70 cm，树根桩、钢管桩纵向间距均为70 cm。树根桩桩长≥28 m或嵌入基岩≥1 m，由内到外竖直方向夹角分别为0°、3°、6°、9°、12°和15°，且桩径≥20 cm。桩内通长布置由4根C16主筋和A8箍筋组成的外径10 cm钢筋笼，灌注强度不低于C35的细石混凝土。钢管桩桩长≥15 m或嵌入基岩≥1 m，垂直布置，且桩径≥15 cm。桩内布置A42×4钢花管，钢花管内灌注M30砂浆，钢花管外灌注强度不低于C35的细石混凝土。

4.2.1.2 仰拱承台

仰拱承台由“30 cm级配碎石垫层+C30混凝土垫台”构成，其中混凝土垫台内布设2层20 cm×20 cm的C16钢筋网，并且保证混凝土垫台的最小厚度≥50 cm。施工顺序为待树根桩和钢管桩施工完成形成强度并破除桩顶50 cm和清除仰拱标高下80 cm厚洞渣后，再施工级配碎石垫层和混凝土垫台。

4.2.2 加强型衬砌支护

为了提高该段围岩的稳定能力，采用A42×4 mm、纵向间距1.0 m的双层小导管注浆加固围岩，完成后对侵限段初支逐榀换拱。换拱段钢支撑采用Ⅰ25工字钢，纵向间距为50 cm，上、中、下台阶拱脚位置各增设2根斜向下45°的A108锁脚钢管加强支护，打入基岩深度≥3 m，并在中、下台阶拱脚位置增加Ⅰ18工字钢纵梁，同时为了预留足够初支变形空间，预留变形量提高至30 cm，二衬混凝土强度提高为C40，厚度加强为70 cm，环向主筋加强成双层C25，纵向间距为10 cm。

4.3 处治效果

下排二号隧道ZK373+090～ZK373+044段和YK373+065～YK373+030段溶洞经过“应急处治+永久处治”相结合的方案处治完成且经过通车运营两年后，未发生路面沉降或二衬开裂病害，表明该处治方案是合理有效，可为类似溶洞处治方案比选时提供参考。

5 结语

（1）隧道掘进过程应采取多种方式验证地质状况并根据超前地质预报情况谨慎施工。开挖遇到溶洞时先探明溶洞规模、特征，为确定处治方案积累技术资料。处治过程应合理组织连续施工并结合监控量测情况因地制宜及时调整技术方案。

（2）溶洞处治采取“应急处治+永久处治”方式既可以在突发情况下保障施工人员设备的安全，也可以保障通车运营后的行车安全。

（3）软弱黏土填充型溶洞范围内的超前支护、初期支护和二次衬砌应采取加强措施，且初期支护应预留足够变形量，可以有效避免二次侵限和换拱。采用“树根桩+钢管桩+承台”方式处治深厚拱底软弱地基具有较好的效果。

参考文献：

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