陳?；? 羅安邦 李曉敏

摘要：文章總結(jié)了武宣—來賓—合山—忻城公路№2標(biāo)段來賓3號隧道巖溶溶洞處治經(jīng)驗，即通過采取超前地質(zhì)鉆探、超前地質(zhì)預(yù)報等綜合探測方法，對隧道溶洞平面位置關(guān)系、溶巖發(fā)育情況以及水文地質(zhì)特點進(jìn)行全方面探測，制定了安全有效的引水、加固、回填專項處治方案，從而安全、快速穿越隧道溶洞段，為同類型巖溶隧道處治提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū)隧道；半填充大型溶洞；超前地質(zhì)預(yù)報；超前地質(zhì)鉆探

中圖分類號：U456.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）01-0145-04

0 引言

地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀，侵蝕與沉積以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用形成的地貌稱為喀斯特地貌，亦稱為巖溶地貌，為中國五大造型地貌之一［1］。廣西山區(qū)高速公路建設(shè)難以繞開山脈，極易遇到水文地質(zhì)復(fù)雜的選址區(qū)，然而隧道溶洞水文地質(zhì)發(fā)育較為復(fù)雜、形態(tài)各異，難以對溶洞內(nèi)巖溶發(fā)育情況進(jìn)行定量。隧道溶洞處治應(yīng)探明情況、因地制宜、消除水患［2］、綜合治理。本文總結(jié)了來賓3號隧道跨越溶洞的方法，即采用超前地質(zhì)預(yù)報、超前地質(zhì)鉆探等探測手段，對溶洞進(jìn)行探測，并制定人造保護(hù)殼、設(shè)置隧道外排水設(shè)施保留溶洞原有過水通道［3］等溶洞處治方案，保障隧道施工和后期運(yùn)營的安全。

1 工程概況

武宣—來賓—合山—忻城公路№2標(biāo)段來賓3號隧道全長835 m，為分離式隧道，進(jìn)口端位于來賓市興賓區(qū)葵村北偏西21°方向1.48 km山體斜坡上；出口端位于來賓市興賓區(qū)良水村東北53°方向1.68 km山體斜坡上。隧道呈曲線形展布，總體軸線方向約168°，最大埋深201.359 m。

隧道左線施工至ZK56+300段揭露出掌子面右側(cè)存在長寬均約3 m、高7 m的半填充型溶洞，在發(fā)現(xiàn)溶洞洞口后立即停止左洞掘進(jìn)并及時封閉掌子面，同時采取綜合探測對洞內(nèi)洞外水文地質(zhì)條件進(jìn)行補(bǔ)勘。

2 溶洞探測方法與結(jié)果分析

為了探明溶洞熔巖發(fā)育情況、規(guī)模大小和水文地質(zhì)特征，采用超前地質(zhì)預(yù)報、超前地質(zhì)鉆探等綜合探測手段補(bǔ)勘，并開展洞外地表水文監(jiān)測。其優(yōu)點是能比較直觀地探明探孔所經(jīng)過的地層巖性、巖體完整程度、巖溶和地下水發(fā)育情況。

2.1 隧道洞內(nèi)地質(zhì)勘測

2.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報

該隧道采用地質(zhì)雷達(dá)探測方式，沿隧道開挖掌子面布置2條地質(zhì)雷達(dá)測線，如圖1所示。地質(zhì)雷達(dá)探測時間剖面如圖2所示。

通過對隧道開挖面進(jìn)行地質(zhì)描述，結(jié)合隧道工程勘察資料，將隧道開挖所揭露的地質(zhì)情況準(zhǔn)確記錄，得溶洞內(nèi)圍巖等級為Ⅴ級，產(chǎn)狀為276°∠36°呈中厚層狀，掌子面地質(zhì)描述如圖3所示。

2.1.2 超前地質(zhì)鉆探

為進(jìn)一步探明該隧道溶洞發(fā)育規(guī)模大小和地下水發(fā)育情況，用C6XP-2多功能鉆機(jī)沖擊鉆對掌子面前方和隧底進(jìn)行鉆孔探測，根據(jù)鉆進(jìn)速度、壓力的變化、卡鉆、跳鉆、塌孔結(jié)合回流水巖粉的成分、顏色來判斷溶洞內(nèi)地質(zhì)情況。沿掌子面拱頂斜向上130°打設(shè)3個鉆探孔，掌子面中部前向一路排開打設(shè)3個鉆探孔，掌子面底部斜向下40°打設(shè)3個鉆探孔。對溶洞段隧底25 m范圍內(nèi)進(jìn)行隧底鉆探，距開挖掌子面前15 m每隔5 m處和距掌子面超過15 m后每隔10 m處斜向下60°打設(shè)鉆探孔。每個鉆孔打設(shè)長度定為30 m。超前水平鉆探具體鉆孔位置如圖4、圖5所示。

[KH-*2D]

2.1.3 三維激光掃描

為探明溶洞與掌子面的平面位置關(guān)系，對溶洞進(jìn)行三維激光掃描。三維激光掃描成果如圖6所示。

2.1.4 探測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)有超前地質(zhì)預(yù)報、超前地質(zhì)鉆探和三維激光掃描結(jié)果，結(jié)合勘察、設(shè)計施工等材料對巖溶發(fā)育規(guī)模及發(fā)育情況進(jìn)行測量，以及對周邊隱伏巖溶進(jìn)行探測和推斷，隧道左洞ZK56+335段掌子面為中風(fēng)化灰?guī)r，青灰色，中厚層狀，巖質(zhì)較硬，巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。掌子面右側(cè)發(fā)育一個高度為7 m、寬為3 m的廳堂式溶洞，充填砂質(zhì)黏土，黏土為黃褐色，可塑，稍濕，堆積卵石、砂石。溶洞中心線長120 m，最大寬度20 m，最高處15 m，整體性極差，極易發(fā)生局部塌方。

左洞溶洞內(nèi)圍巖產(chǎn)狀276°∠36°，地表280°∠40°，中厚層狀，溶洞遠(yuǎn)端走向180°，近端35°，隧道走向85°，溶洞遠(yuǎn)端河道為粗砂、卵石，分選性好、磨圓度好，粒徑為1～20 mm，厚度不均，巖性有砂巖灰?guī)r等，有流水跡象，沉積堆積明顯，上面粒徑粗，下面粒徑小，分層明顯；河道寬0.3～0.6 m、深0.3～0.6 m。溶洞洞內(nèi)發(fā)育4個巖溶補(bǔ)給管道，遠(yuǎn)端發(fā)育一條0.3 m×0.5 m的巖溶管道，下部堆積較多磨圓度分選性好的細(xì)沙；中部偏遠(yuǎn)端發(fā)育一條0.9 m×0.5 m的巖溶管道，高度為4 m；中部發(fā)育一個0.2 m×0.3 m的溶蝕補(bǔ)給通道，該處為溶洞最大斷面處；靠近隧道洞口處發(fā)育0.9 m×2.5 m的補(bǔ)給溶洞。

隧道右洞YK56+305掌子面左側(cè)拱腳發(fā)育一個高度為1 m、寬度為0.6 m的巖溶，溶洞內(nèi)存在孤石和充填砂質(zhì)黏土，砂質(zhì)黏土呈黃褐色，可塑。孤石為灰?guī)r，青灰色，中厚層狀，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，極易發(fā)生局部塌方、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害。右洞拱頂處發(fā)育一條巖溶管道，底部充填黏土、軟塑，巖溶管道寬0.3 m×0.5 m，地下水流動，巖溶管道走向約為23°。

溶洞隧底右側(cè)圍巖較為破碎，夾層較多，填充物以黏土為主，最深處達(dá)到22 m，屬軟弱地基。

2.2 洞外水文檢測

因突然降雨，掌子面出現(xiàn)大量涌水，結(jié)合來賓3號隧道水文地質(zhì)特點，對隧道洞內(nèi)外水文地質(zhì)進(jìn)行檢測。

經(jīng)調(diào)查，在ZK56+594段左106 m處和ZK56+650段左125 m處發(fā)現(xiàn)兩處落水洞，前者平面上大致呈長條形，長22 m、寬2～6 m，可見深度為15 m，下部呈錐形，可看見溶洞口，洞口周邊見角礫，未見水；后者大致呈圓形，直徑約8 m，可見深度為10 m，下部呈錐形，可看見溶洞口，洞口周邊見角礫，未見水。

采用入滲系數(shù)法［4］、地下水徑流模數(shù)法［5］和地下水動力學(xué)法［6］分別進(jìn)行全隧道涌水量計算。

根據(jù)現(xiàn)場情況及勘探結(jié)果，集雨面積A=4.885 km2。

隧址區(qū)的大氣降雨入滲系數(shù)及徑模數(shù)主要根據(jù)1∶2 000 000區(qū)域水溫地質(zhì)普查的研究成果，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況選取。

枯季徑流模數(shù)為M枯=3.8 L/s·km2，雨季徑流數(shù)取枯季徑流模數(shù)的7.5倍，即M雨=28.5 L/s·km2。

2.2.1 入滲系數(shù)法

Qs=a×W×F/1 000（1）

式中：Qs——隧道涌水量（m3/d）；

a——入滲系數(shù)；

A——隧道地段的集水面積（m2）；

W——降雨量（mm），年平均降水量為1 360 mm。

2.2.2 地下水徑流模數(shù)法

Qs=M×A（2）

式中：Qs——隧道涌水量（L/s）；

M——入滲系數(shù)；

A——隧道地段的集水面積（km2）。

2.2.3 地下水動力學(xué)法

Qs=B×K×H2-h2L（3）

式中：Qs——隧道正常涌水量（m3/d）；

K——含水體的滲透系數(shù)（m/d），K=4.74 m/d；

H——洞底以上潛水含水體厚度（m），H=100 m；

h——洞頂水柱高度（m），h=80 m；

B——隧道通過含水體的長度（m），B=850 m；

L——補(bǔ)給帶寬度的一半，L=3 m。

通過以上方法計算得出隧道涌水量結(jié)果如表1所示。

從實際情況來看，降大雨時測得涌水流量為104 86 m3/d，但這時并非最大降雨量，如按照極值是雨量增加一倍來計算，則涌水流量可達(dá)20 000 m3/d，與表中計算結(jié)果基本相符；未降雨時涌水流量大減，測得溶洞內(nèi)涌水流量為690 m3/d，說明降雨量大小影響涌水流量的大小，按不利因素考慮，該溶洞最大涌水量取27 592 m3/d。

綜上所述，該溶洞為廳堂式半填充溶洞，溶洞內(nèi)水主要是由大氣降水補(bǔ)給。

3 溶洞處治過程與效果

為防止降雨時溶洞涌水、涌泥，溶洞內(nèi)掉塊和軟基下沉造成隧道二襯開裂甚至安全事故，對社會產(chǎn)生負(fù)面的影響。結(jié)合前期探測結(jié)果，采取臨時排水+反壓回填+護(hù)拱42 mm×4 mm鎖腳小導(dǎo)管+鋼管樁軟基處理+排水系統(tǒng)施作施工方法進(jìn)行溶洞處治。

3.1 溶洞排水

隧道防排水設(shè)計應(yīng)結(jié)合工程特點、地形條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況及勘測資料進(jìn)行，對地表水和地下水進(jìn)行妥善處理［7］。為減輕雨季引起涌水量的變大對隧道施工造成安全隱患，施作永臨結(jié)合排水將雨水排出洞外。具體處治方案如下：

3.1.1 臨時排水

（1）由于在降雨期間溶腔內(nèi)不時有危石掉落，為了保證施工安全，溶洞施工前對局部不穩(wěn)定的孤石、危巖進(jìn)行清除并掛網(wǎng)，采用C25噴射混凝土進(jìn)行巖壁封閉。

（2）臨時排水處治措施。隧道左洞溶腔內(nèi)設(shè)置寬50 cm、底部低于溶洞內(nèi)河溝50 cm的攔水壩。溝底及周邊1 m范圍內(nèi)采用M30砂漿抹面，并預(yù)埋50 cm硬質(zhì)排水管，根據(jù)溶洞處治進(jìn)度分三階段從攔水壩處接水帶，水帶沿隧洞邊緣放置將水排至洞口外。

3.1.2 永久排水

（1）將地表ZK56+594段左106 m和ZK56+650段左120 m兩處的落水洞進(jìn)行封堵填埋形成斜坡并在其周圍漿砌截水溝將雨水直接引入溝谷。

（2）在ZK56+335段和ZK56+360段兩處分別施作集水槽并預(yù)埋500 mm導(dǎo)水鋼管，將導(dǎo)水鋼管接到仰拱中心水溝。集水槽內(nèi)尺寸長2.75 m、寬2.5 m、高5.3 m，采用Ⅰ14工字鋼焊接成環(huán)鋼架使用22 mm鋼筋連接，間距75 cm作為初支。集水槽底部打設(shè)108 mm鋼管樁，鋼管樁長800 cm，縱向間距100 cm，橫向間距40 cm，噴射10 cm厚C25混凝土封閉坑壁并在基底澆筑10 cm厚C15混凝土找平層。為了方便安裝，將直徑1.5 m、厚1 cm的鋼管平均截成兩節(jié)分兩次安裝，首節(jié)安裝在施作集水槽前安裝并在安裝的坡面施作22 mm長2.5 m錨桿。尾節(jié)在集水槽、封閉門護(hù)拱施作后安裝。封閉門長2.25 m、寬2.5 m、高3 m并在二襯段鋼架上設(shè)置暗梁，防止主洞初支脫空。

（3）在ZK56+335～ZK56+337溶洞段內(nèi)設(shè)置沉沙擋塊，尺寸為2 m×3 m，擋塊頂部開個寬50 cm、深100 cm的槽并預(yù)留500 mm泄水孔，間距2 m，底部放置1 m32 mm連接鋼筋使沉沙擋塊和溶洞基巖牢固連接。將護(hù)拱施工接出來的硬質(zhì)透水管穿過沉沙擋塊降雨排入水管中。

（4）分別將兩處集水槽埋設(shè)的500 mm導(dǎo)水鋼管連接到中央排水溝，并在相應(yīng)位置增設(shè)中央排水溝檢查井，使用500 mm導(dǎo)水鋼管連接檢查井和集水槽。為了加強(qiáng)隧道排水能力，溶洞段中央排水溝寬度增加為1.65 m，并將初期支護(hù)施工打設(shè)的100 mm泄水孔內(nèi)置的硬質(zhì)透水管，預(yù)埋300 mm導(dǎo)水鋼管連接中央排水溝，沉沙擋塊段則是通過打設(shè)的500 mm泄水孔內(nèi)置的硬質(zhì)透水管預(yù)埋500 mm導(dǎo)水鋼管連接中央排水溝，進(jìn)一步加強(qiáng)了排水能力。

3.2 溶腔處治

巖溶空腔段采用護(hù)拱+42 mm×4 mm注漿鎖腳鋼管、回填混凝土、鋼管樁軟基處理的施工方案，具體處治方案如下：

（1）護(hù)拱采用Ⅰ20工字鋼，縱向間距50 cm，用22 mm鋼筋連接，在拱腰往拱頂位置每2 m預(yù)留一個500 mm泄水孔，內(nèi)插無紡布包裹的硬質(zhì)透水管，從初支位置延伸至溶洞拱頂并每隔3 m預(yù)埋一根120 mm混凝土泵送管，并留一排50 mm排氣孔。為保證護(hù)拱整體穩(wěn)定性，在護(hù)拱兩端打設(shè)5 m42 mm×4 mm注漿鎖腳鋼管并設(shè)置12 mm間距20 cm×20 cm的雙層鋼筋焊網(wǎng)。采用泵送形式分層泵送護(hù)拱混凝土。

（2）溶腔空洞處采用C20混凝土分層回填形成保護(hù)殼，防止溶洞上方清理不到的孤石、危石掉落造成二襯開裂?；靥钸^程中在護(hù)拱處人工安裝無紡布包裹的硬質(zhì)透水管中預(yù)留出搭接下一循環(huán)的接頭。在隧頂1 m混凝土范圍內(nèi)高度的縱向圍巖側(cè)壁，橫向水平植入兩排32 mm鋼筋，鋼筋間距30 cm，排距50 cm，植入長度100 cm，預(yù)留長度為50 cm。泵送最后高度不得小于隧頂1 m。泵送混凝土達(dá)到2 m厚度的判定，以混凝土往預(yù)埋的排氣孔溢出或有水泥漿流出為準(zhǔn)。

（3）超前水平鉆探鉆探結(jié)果顯示ZK56+330～ZK56+377溶洞段仰拱地基軟弱，采用鋼管樁施工加固的方式進(jìn)行處理，鋼管樁使用108 mm×6 mm鋼管，從下向上灌注C25細(xì)石混凝土，待混凝土終凝后，采用M30砂漿進(jìn)行壓漿，壓漿初始壓力≥1 MPa。防止初支拱架變形位移，軟弱地基段初支鎖腳加強(qiáng)處理，在原鎖腳的基礎(chǔ)上，增加8 m長的108 mm×6 mm鎖腳鋼管，縱向間距1 m。

3.3 處治效果

溶洞處治完成后，連續(xù)幾日大雨，經(jīng)過排查，采取臨時排水+反壓回填+護(hù)拱42 mm×4 mm鎖腳小導(dǎo)管+鋼管樁軟基處理+排水系統(tǒng)結(jié)合的施工處治方案對溶洞災(zāi)害起到了有效的控制。溶洞處支護(hù)結(jié)構(gòu)未見開裂和滲漏，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)正常，初支拱頂下沉最大累計變形量為33.2 mm，最大變形速率為4.2 mm/d。

4 結(jié)語

本文結(jié)合武宣—來賓—合山—忻城公路№2標(biāo)段來賓3號隧道巖溶溶洞處治實踐，通過開展洞內(nèi)地質(zhì)補(bǔ)勘、洞外地表水文地質(zhì)監(jiān)測、溶洞處治及效果分析，對巖溶區(qū)隧道半填充大型溶洞綜合探測與處治技術(shù)展開研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）對半填充大型溶洞，提出通過開展超前地質(zhì)預(yù)報、超前地質(zhì)鉆探、三維激光掃描等綜合探測手段進(jìn)行補(bǔ)勘，能夠較為全面地反映洞內(nèi)地質(zhì)情況。

（2）洞外地表水文地質(zhì)監(jiān)測采用入滲系數(shù)法、地下水徑流模數(shù)法和地下水動力學(xué)法分別進(jìn)行全隧道涌水量計算，有效預(yù)測了施工期溶洞最大涌水量。

（3）結(jié)合洞內(nèi)綜合探測、洞外地表水文監(jiān)測結(jié)果，采取臨時排水+反壓回填+護(hù)拱42 mm×4 mm鎖腳小導(dǎo)管+鋼管樁軟基處理+排水系統(tǒng)結(jié)合的施工處治方案，減少溶洞處治和施工人員暴露的時間，安全、快速地穿越溶洞。

參考文獻(xiàn)

［1］伍光和，王乃昂，胡雙熙，等.自然地理學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［2］肖廣智.不良、特殊地質(zhì)條件隧道施工技術(shù)及實例（三）［M］.北京：人民交通出版社，2016.

［3］鄭寰宇.隧道拱頂半填充大溶洞處治施工技術(shù)［J］.西部交通科技，2023（5）：147-148.

［4］程小勇.水文地質(zhì)試驗在隧道工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用及涌水量預(yù)測［J］.公路交通技術(shù)，2022，38（4）：128-135，142.

［5］畢小勇.羅漢坡1號隧道工程涌水量預(yù)測分析研究［J］.工程與建設(shè)，2023，37（4）：1 089-1 091，1 119.

［6］譚 非.巖土工程勘察中關(guān)于水文地質(zhì)問題的研究［J］.工程學(xué)研究與實用，2023，4（19）：37-39.

［7］JRG/T D70-2010，公路隧道設(shè)計細(xì)則［S］.

作者簡介：陳?；?998—），助理工程師，主要從事公路隧道施工管理工作。