西南地区高速公路隧道溶洞稳定性分析与治理实例

李伟鹏

（珠海大横琴股份有限公司，广东 珠海 519000）

随着西部大开发建设的发展和深入，西南山区高速公路正进入快速发展时期，工程建设难度也进一步加大，特别是隧道建设［1-3］。受线路选线因素的影响，隧道在设计施工过程中不可避免地会遭遇各种各样的地质问题，如断层破碎带、岩溶、古滑坡体、泥岩软弱夹层、煤系地层、石膏地层等［4］。其中，岩溶形成的因素错综复杂，发育的不均衡性和不规则性，都给山岭隧道的设计施工带来一系列困难，处理措施不当会造成施工工期延误、工程安全事故、生态环境恶化、后期运营安全隐患等问题。

本研究以西南地区某高速公路岩溶隧道施工所涉及的大型空溶洞处治为例，探讨溶洞顶板稳定性分析及溶洞处治方案，为类似隧道的岩溶处治提供一定的借鉴。

1.1 隧道概况

隧道地处黔北山地，地势总体西北高东南低，属浅切低山溶蚀构造地貌类型，地表植被茂盛，场区海拔676.0～770.3 m，相对高差约94.3 m。隧道为分离式隧道，两幅线间距为12.8～15.0 m，长度约638 m，洞身埋深普遍较浅，最大埋深约67 m。

1.2 工程地质概况

1.2.1 地层岩性。隧址区覆盖层为残坡积层（Qel+dl）黏土，下伏基岩为寒武系中统高台组（∈2g）白云岩、白云质灰岩夹泥质白云岩、页岩，按风化及破碎程度分为强、中风化两层。白云岩为灰白色，薄至中厚层，节理裂隙发育，岩芯呈砂土状；
白云质灰岩为浅灰、灰白色，岩芯呈碎块状、柱状，岩质较硬；
页岩呈夹层分布，灰绿色，层薄，出露比例小、分布不均，质软，一般厚0.2～3.0 m。泥质白云岩呈夹层状分布，分布规律性较差，灰白色，出露比例较小，质较软，层厚差异性较大。区内地层岩层为薄至中厚层状，节理较密集、裂隙较发育，岩体破碎程度较高。

1.2.2 地质构造。据《省区域地质志》及《1∶20万幅区域地质调查报告》，隧址区域处于黔中东西构造带的北缘、川黔南北向构造带、北北东向构造带和北东向构造带的交汇复合地带，构造形迹主要为经向构造、北东向构造体系。

1.2.3 水文地质。隧址区地表水主要为季节性溪流，流量随季节变化较大。地下水类型为第四系松散裂隙水、基岩裂隙水、岩溶裂隙水。其中，岩溶裂隙水赋存于白云岩、白云质灰岩溶蚀裂隙中，富水性极不均一。

地下水主要靠大气降水补给，降雨大部分以坡面流形式向低洼处排泄、隧道出口段向落水洞排泄，少部分雨水下渗沿岩溶裂隙运移。采用大气降水渗入法估算，隧道雨季最大涌水量约为3 300 m3/d。

据观测，钻孔中未见稳定地下水位，隧址区地下水位低于隧道设计标高。

2.1 溶洞形态

隧道右幅上台阶施工至K28+306，左侧拱腰处揭穿岩溶大厅，洞内基本无填充物，石笋、钟乳石发育。厅堂式溶洞走向与隧道线位方向基本重合，斜向下发育，长约143 m，宽5～24 m，顶、底板高程差8～40 m，体积约3万m3。溶洞平面如图1所示。

图1 溶洞平面

洞壁及底板基本为钙质沉淀物覆盖，局部基岩出露为中风化白云岩，底部出水口处有黏土堆积。洞壁为薄层状至中厚层状白云岩、白云质灰岩夹泥质白云岩、页岩，岩层倾角为21°，较为平缓，岩层节理裂隙发育，主要发育两组垂直“共轭”节理，受节理切割及卸荷作用影响，洞壁岩体较为破碎，底部有少量坍落块石。

2.2 地下水分析

经调查，溶洞无稳定水源流入，地下水主要为基岩裂隙水，洞内有滴雨状水，未见有暗河出入口。洞内多处积水，分析主要为大气降水沿坡面覆土孔隙、基岩裂隙渗入滴落，旱季有少量滴水，雨季可能有股状水流入。溶洞总体沿大里程方向斜向下发育，K28+166.6右侧2.2 m附近为地下水的排泄出口，溶洞内地下水汇集后经地下管道向隧址右侧河流排泄。

2.3 洞顶稳定性分析

参考《工程地质手册》（第五版）、《铁路岩溶隧道技术规范》（T/CRS C0801—2018）及相关研究［5-7］关于厚跨比法的论述，综合考虑工程重要性，厚跨比法稳定性分析参数选择为，当h/l≥0.5时，溶洞顶板稳定，当h/l＜0.5，溶洞顶板不稳定。

考虑到溶洞及溶洞顶板多不规则，且溶洞跨度按最宽处取值，对于0.2＜h/l＜0.5的断面进一步采用荷载传递线交汇法进行分析验算，并选定荷载按35°扩散角向下传递。溶洞顶底板形态、厚度与线位关系等具体参数及计算结果见表1。

表1 溶洞顶板稳定性综合评价

分析可得K28+195～+225段采用厚跨比法分析溶洞顶板不安全，采用荷载传递线交汇法分析溶洞顶板安全。根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）对岩溶区的勘探要求，溶洞顶板大于10 m时按稳定考虑，溶洞顶板小于10 m时按不稳定考虑［8］，综合分析认为K28+195、K28+200、K28+205、K28+220、K28+225横断面溶洞顶板不安全，K28+210、K28+215横断面溶洞顶板安全。

综上所述，结合溶洞实测断面数据分析，溶洞顶板稳定性分析结论为K28+170～+195、K28+205～+220段 顶 板 稳 定，K28+195～+205、K28+220～+306段顶板不稳定。

3.1 溶洞处治原则

根据《贵州省岩溶地区公路基础设计与施工技术研究技术应用指南》及类似工程处置案例［9-11］，设计了桩基托梁和回填两种处治方案。通过方案的技术、经济比较，从施工难易程度、安全风险、施工成本等方面综合考虑选用回填方案，并制定溶洞处治总体原则如下。

①地下水按宜疏不宜堵的原则，在回填底部预留排水通道，尽量避免改变地下水径流路径。

②洞壁稳定性较差的部分采用清理危岩、锚网喷及局部嵌固的处理措施。

③溶洞顶板不稳定段应对隧道初支及二衬适当加强，并完善锁脚锚杆设置。

3.2 处治方案

3.2.1 回填方案。溶洞回填处治的关键是不堵塞原溶洞排水通道，因此需在溶洞底部回填大粒径块石，保证过水通道畅通。此外，根据溶洞顶板、洞壁稳定情况及回填沉降控制要求，该岩溶大厅分HT-1、HT-2、HT-3三种方式回填。

①HT-1回填方式。适用于隧道部分揭穿溶洞顶板、或开挖底标高与溶洞顶板岩柱厚度小于3 m的段落。该段落岩柱安全厚度不足，且顶板不稳定，采用C20片石混凝土，接顶部位注浆回填密实，在溶洞底部回填少量块石保留过水通道，并在块石顶部设置一道土工布。HT-1回填方式典型回填断面如图2所示。

图2 HT-1回填方式典型回填断面

②HT-2回填方式。适用于隧道从完整溶洞顶板中通过，且开挖底标高与溶洞顶板岩柱厚度介于3～8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，未侵入隧道开挖轮廓线，顶板不稳定，对该段溶腔采取C20片石混凝土+石碴全部回填密实的措施。溶洞底部采用石碴回填，可用施工机械进行摊铺压实；
距离洞顶小于5 m时，采用C20片石混凝土填充密实；
石碴回填顶面铺设一道土工布后回填1 m厚级配碎石层。同时，正洞掘进施工时，需严格控制循环进尺和装药量，不得破坏溶洞顶板。HT-2回填方式典型回填断面如图3所示。

图3 HT-2回填方式典型回填断面

③HT-3回填方式。适用于隧道从完整溶洞顶板中通过，且开挖底标高与溶洞顶板岩柱厚度大于8 m的段落。溶洞位于隧道左下方，顶板至开挖高程距离较大，顶板稳定，对该段溶腔采取石碴全部回填密实的措施，采用施工机械进行摊铺压实。

3.2.2 回填质量控制。为控制回填质量，减少回填区与基岩区差异沉降量，采取以下主要技术措施。

①回填石料强度不应小于15 MPa，摊铺层厚不大于600 mm，最大粒径小于400 mm，分层压实，压实度不小于93%。

②清除洞底黏土层、钙质胶结，保证回填底面地基承载力不小于1 MPa。

③采用压实沉降差进行检测，沉降差平均值不大于5 mm，标准差不大于3 mm。

④正洞开挖后，在隧道底板每隔5 m施工一组Φ76取芯钻孔，验证回填质量，如回填不密实，采用泵送混凝土充填。

⑤施工前应通过铺筑试验段确定合适的填筑层厚、粒径、压实工艺以及质量控制标准等，并对石料强度和变形要求要进行现场试验。

3.2.3 结构及辅助工程措施。考虑施工及运营期间安全，对隧道初支及二衬进行补强设计，具体参数见表2。同时，为使钢架与围岩协调受力以提高溶洞处治段初支强度，在每榀钢架环向增加12根长3.5 m的Φ42锁脚钢花管，末端焊接在钢架上，并进行注浆处理，注浆压力0.5～1.5 MPa。

表2 加强段衬砌参数表

根据洞壁稳定性分析结果，有针对性地对节理发育、破碎的不稳定段进行锚网喷防护，局部位置设置型钢支撑。锚网喷参数为10 cm厚C25早强混凝土，3.5 m长Φ22砂浆锚杆间距80 cm×80 cm，Φ8钢筋网间距20 cm×20 cm。

3.3 处治效果

目前，该隧道已通车运营近3年，隧道各项监测指标均正常，溶洞处治措施达到了预期效果。

①隧道穿越大型空溶洞时，溶洞顶稳定性分析评价，是工程技术措施选取中重要的一环。

②隧道岩溶处治方案尽量避免改变岩溶水的径流和渗流路径，减少地下水的流失。

③岩溶隧道施工必须重视超前地质预报，应坚持“先探后掘，不探不掘，有疑必探”的原则，尽量查明岩溶情况，切不可冒进施工。

④施工揭露岩溶后，应认真实行“短开挖、强支撑、弱爆破、快衬砌、勤量测”等行之有效的措施，以期安全通过岩溶区。