隧道高位穿越巨型溶洞处置及防护方案研究

陈启辉郭毕钧王军孙亚飞于明洋

(1.山东建筑大学土木工程学院山东济南250101；2.中铁十四局集团建筑工程有限公司山东济南250101)

0 引言

我国岩溶地貌分布十分广阔，西南地区岩溶发育强烈，按照一般标准[1]，岩溶规模＞1 000 m3的溶洞为特大型溶洞(即巨型溶洞)。近年来随着交通建设事业的发展，隧道频繁遭遇穿越巨型溶洞的情况。巨型溶洞岩溶地质情况复杂，严重影响隧道工程的开展，其施工处置过程中面临的挑战主要包括:(1)巨型溶洞体量巨大；(2)隧道穿越长度大或悬空高度大；(3)巨型溶洞形态特征差异大，洞壁及洞顶各区域稳定性不同，潜在的落石坍塌风险高；(4)巨型溶洞岩溶水的疏、排问题，洞内高压富水问题难以解决；(5)巨型溶洞原有充填物承载力不足或者回填、换填后的填体过厚，路基(桥基)沉降难以控制；(6)巨型溶洞顶板过高，洞内条件复杂，安全防护措施难以操作等。

目前，国内已有不少隧道穿越巨型溶洞的处置案例，薛斌等[2]介绍了宜万铁路对岩溶的规模化处理措施，其中包括数个巨型溶腔；龙麟宫隧道施工过程中揭示并处置了2处巨型溶洞[3-4]；野三关隧道[5]、齐岳山隧道[6]则分别遭遇了富水巨型溶腔等。但隧道高位穿越巨型溶洞处置仍缺少系统的经验参照，比选方案往往不够充足，易出现处置不周的情况；在隧道穿越巨型溶洞安全防护方面也少有成型的技术经验，致使安全防护难以做到贯穿溶洞施工的各个阶段，防护措施难以做到临时防护与永久防护相结合。为更好地解决这一难题，文章以黔张常铁路高山隧道巨型溶洞处置为依托，系统总结了近年来隧道工程穿越巨型溶洞的施工处置方案及施工安全防护方案，通过大量的比选和分析，提出了相应的处置方法及防护措施，可为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

黔张常铁路高山隧道位于湖北恩施州来凤县境内，隧道全长为3 958 m、最大埋深为365 m，其横穿国内罕见的喀斯特地貌溶洞群，是全线一级高风险隧道和重难点控制性工程。高山隧道于平导DIK53+678处揭示一巨型溶洞，据勘探结果显示:溶洞处于灰岩夹页岩地层中，由主溶洞、厅堂状廊道及2个伴生支洞构成，如图1所示。其中，主溶洞长约为450 m、宽为7～45 m、高为5～46 m。底部堆积体中间高、两端低，且发育有3处坑陷，南侧呈N70°E方向发育2号支洞。厅堂状廊道长约为124 m、宽为32～63 m、高为46～65 m，溶洞顶部呈天然吊顶状，净空较大，宽达40 m，底部堆积体由1号支洞口向主溶洞呈13°下坡发展。

图1 巨型溶洞分布图

隧道正洞穿越厅堂状廊道长度约为71 m，与溶洞走向约呈42°夹角，隧道底板以上空腔高为12～16 m，隧道底板以下空腔深为30～55 m，洞底塌落块石及堆积物厚为37～66 m。溶洞发育规模巨大，隧道穿越距离长、高度大，溶洞施工处置难度大、风险高。

揭示溶洞后，为保证工程进度，采用平导绕行施工。绕行段中线与线路左线的线间距为85 m，绕行长度为438 m。为方便进入溶洞内进一步勘测及施工，设置一座长为295 m的施工支洞连接平导(758 m高程)至溶洞底面(730 m高程)。同时，对溶洞进行了人工踏勘、无人机探测、三维激光扫描测绘与监测、危岩体裂缝监测、爆破振动测试、钻探及物探等一系列勘察研究[7]，为制定溶洞处置方案提供了系统的基础资料。

2 隧道穿越巨型溶洞施工处置方案研究

2.1 施工处置方案分类

因施工条件存在差异，隧道穿越巨型溶洞施工处置方法也有所不同。为保证隧道顺利穿越巨型溶洞，对近年来国内数十个巨型溶洞处置实例进行了分类，并对11个典型溶洞处置方案进行了系统研究。

2.1.1 巨型溶洞处置方案分类

目前国内隧道穿越巨型溶洞处置方案主要分为:改线避绕、路基处理、桥梁(承台)跨越等，还有些富水溶腔需要对岩溶水做特殊处理，具体见表1。

表1 巨型溶洞处置方法表

一般来说，隧道悬空高度及长度很大、溶洞周壁非常不稳定、地下水活动强烈或者溶洞处置起来花费巨大、工期很长的情况，可以考虑采用改线避绕的方式；溶洞发育在线路以下深度较大且纵横向发育规模较大的情况，可以考虑采用填筑的方式；洞内水量较大、洞内充填物承载力较好、隧道与溶洞交界面稳定的情况，可以考虑采用桥梁或托梁跨越的方式；线路下方溶腔高度不大、充填物承载力较低的情况，可以考虑复合地基加固的方式。

2.1.2 典型处置方案分析

基于以上处置方法，进一步对国内隧道穿越巨型溶洞处置方案展开调研，结合溶洞形态特征、隧道与溶洞的空间位置关系等对巨型溶洞施工处置方案进行系统总结与评价，具体见表2。

表2 类似溶洞处理方案表

续表2

上述溶洞均取得了较好的治理效果，但也不可避免的产生了一些问题。而对于类似高山隧道巨型无水溶洞的处置，有多种方案可供借鉴，关键是要加强对不利因素的控制，保障施工及工后运营质量。从表2可以看出，若溶洞采用改线方案，应重点考虑线路平纵指标变化及废弃已建工程等问题；若采用路基处理方案，应重点考虑回填方式及路基沉降控制等问题；若采用桥跨方案，则应重点考虑洞内施工难度及安全防护施工等问题。

2.2 高山隧道巨型溶洞处置方案研究

依托既有工程经验，并结合高山隧道工程的特点，对高山隧道巨型溶洞提出了改线避绕、回填处理和桥跨处理等3大类共11个研究方案，具体见表3。其中，洞砟回填+上部注浆、级配碎石回填+下部注浆、级配碎石与混凝土板回填+下部注浆及大体积空心混凝土回填+下部注浆等4种回填方案如图2～5所示。依据回填方式的不同，进一步对4种回填方案进行了对比分析，具体见表4，可以看出，回填方法优点突出，可行性较高，更适合高山隧道巨型溶洞，但是也存在沉降超限的风险。同时，针对回填方法可能产生的沉降超限问题提出了相应的解决方案。

表3 高山隧道溶洞处理方案表

续表3

图2 洞砟回填+上部注浆方案示意图

图3 级配碎石回填+下部注浆方案示意图

图4 级配碎石与混凝土板回填+下部注浆方案示意图

图5 大体积空心混凝土回填+下部注浆方案示意图

表4 回填方案优缺点对比分析表

通过从施工技术、施工安全和经济成本等方面的比较与分析，洞砟回填+上部注浆方案填料易取，施工安全方便，减沉效果良好，因此，高山隧道巨型溶洞处置最终选用该方案。

针对该方案存在的不足，制定了超厚回填体沉降监测和明洞隧道健康监测两类监控措施[18]，前者包括回填体表层监测、回填体及底部堆积体分层监测、水平位移监测、钢筋混凝土路基板下脱空监测和路基板内力监测，后者包括溶洞顶板压力监测、顶板锚杆锚固力监测、明洞初支钢架应力监测、明洞衬砌钢筋应力和混凝土应变监测，全面监控工后运营安全。同时，为预防工后沉降超限分别采取了溶洞底部洞砟分层碾压、钢筋混凝土路基板上堆载预压、路基板上预留沉降注浆孔、明洞结构预留净空等多项控制措施[19]，并提出了路基板沉降自调整技术，以保障工后沉降满足使用要求。

3 巨型溶洞施工安全防护方案研究

由于巨型溶洞发育的不规则性，周壁的不稳定性，隧道穿越溶洞段一般是施工的高危区段，其主要风险源是溶腔顶部及周壁的危岩落石。施工安全防护技术是隧道穿越巨型溶洞处置的基本保障，但是目前国内少有成熟的经验体系。为有效保障高山隧道巨型溶洞施工安全，对国内巨型溶洞安全防护现状进行总结分析，并结合溶洞特性，提出了高山隧道巨型溶洞施工安全防护方案。

3.1 施工安全防护阶段

(1)溶洞揭示阶段 通过对岩溶区的勘察作业及地质综合超前预报锁定巨型溶洞开挖侧界面，爆破揭示时，需在爆破前采取安全防护措施，防止隧底坍塌造成机械设备及人员坠落。

(2)溶洞大厅勘测及底部整治阶段 溶洞揭示后，经观察确认溶腔顶部及溶洞周壁基本稳定，人员在进入溶洞勘察作业及溶洞底部整治时，需施作必要的安全防护措施，防止落石对人员设备造成伤害。

(3)溶腔施工处置及运营阶段 巨型溶洞处置方案应包含与之配套的安全防护措施。根据巨型溶洞自身形态、稳定性及其与隧道之间的空间位置关系，确定溶洞顶板及侧壁的加固范围及加固方法，或将隧道结构隔离风险源，以保障隧道施工、运营安全。

3.2 施工安全防护方案分类

巨型溶洞施工安全防护方案主要分为临时防护和永久防护，具体见表5。其中临时防护以抵抗勘察、施工时落石冲击荷载为主要目的，永久防护则以维护溶洞周壁稳定及隧道结构安全为基本原则。

表5 巨型溶洞安全防护方案对比表

由表5可以看出，巨型溶洞安全防护采用“永临结合”的方式，既可以维护勘察、施工安全，又能为隧道运营提供基本的安全保障。因此，高山隧道巨型溶洞施工安全防护方案以“永临结合”为原则。

3.3 高山隧道巨型溶洞施工安全防护方案

通过总结巨型溶洞施工安全防护既有经验，结合工程实际，高山隧道巨型溶洞采取以下安全防护方案:

(1)首先对周壁表面危岩进行清理，通过一段时间稳定性监测确保溶洞安全后，人员设备再进入溶洞进行钻探勘察及底部整治。

(2)勘察及临时施工采用一种钢结构防护棚架，棚架结构主要由等腰三角形屋架(Ⅰ20a)、屋架上方檩条(Ⅰ20a)、檩条上方钢板(厚度为5 mm)和钢板外侧废旧轮胎(双层)组成，屋架顶部设置联系横梁，腰边中部设置可拆卸支撑钢管，如图6所示。棚架设计以落石冲击力荷载计算为基础，采用PKPM校核棚架抗冲击性能，可抵抗相当于0.7 t落石自50 m高度掉落的冲击荷载。

图6 临时防护棚架示意图/mm

(3)以锚网喷防护为永久防护 对正洞中心线两侧各20 m、高程＞758 m、里程DIK53+634～721范围内的洞顶及洞壁采用锚网索进行防护。侧壁采用Φ22 mm砂浆锚杆+喷层+钢筋网片+局部主动防护网的方式防护。洞顶采用涨壳式预应力中空注浆锚杆+喷层+主动防护网+钢筋网片防护的方式防护。

4 结语

隧道穿越巨型溶洞处置是一项复杂的技术，处置方法主要包括改线避绕、路基处理和桥梁(承台)跨越。处置方案的制定，既应考虑溶洞发育特性及其与隧道的空间位置关系，又应考虑施工难度及成本。同时，巨型溶洞施工防护应贯穿溶洞勘察、施工及工后运营的整个阶段，采用“永临结合”的防护形式，确保溶洞施工安全。高山隧道巨型溶洞采用洞砟回填+上部注浆的处置方案和以“永临结合”为原则的防护方案，目前隧道溶洞段已安全施工完毕，经监测路基未发生沉降超限情况，处置及防护方案合理有效。