中铁五局贵州公司 张建
摘 要 以大广南高速公路第8合同段紫荆山隧道为例，介绍了与暗河相连的溶洞的处理步骤及施工技术。实践证明：处理此类溶洞的技术能较好的、安全的渡过溶洞，并且能够保证隧道的稳定，为今后类似的工程提供了有益的借鉴和指导。
关键词 公路隧道 溶洞 暗河 施工技术
1 引言
大庆至广州高速公路湖北省境内黄石至通山段第8合同段紫荆山隧道位于阳新县三溪镇郭家冲至龙港镇郭家垄村之间，隧道穿越该区最大山脉紫荆山。本隧道为分离式隧道，左线长2298m，右线长2337米，隧道最大埋深为360米。隧道进口左右分别位于半径1800米和2300米的右偏曲线上，出口分别位于半径为2300米和2200米的左偏曲线上。本隧道洞内纵坡为-1.85%的单面下坡。2009年5月26日紫荆山隧道左洞在ZK221+960线路右侧拱腰处开挖出一溶洞口,进入溶洞破口处后前后可视溶洞长约50m左右,溶洞高目测约25m以上，且与暗河相连,掌子面以灰岩为主，节理较发育。后对溶洞进行探测，发现在掌子面前方约25米有一大的溶腔，溶腔纵向长约有160余米，宽20～30米，高约20米，溶洞底有约2米的积水且在流动。
2 发现溶洞后施工措施
2.1溶洞口加固处理方案
发现溶洞后，立即停止掌子面的开挖掘进施工，并采取喷射混凝土临时封闭掌子面。后经过组织相关专家现场察看和认真研究，为了防止溶洞口坍方及已开挖洞身的坍方，形成了对溶洞口及溶洞附近已开挖的洞身进行加固处理方案如下：
1、ZK221+960～ZK221+965段采用Φ22螺纹钢筋（间距25cm）,Φ8钢筋网片（25×25cm）,厚5cm 的喷射砼初支护。
2、ZK221+970～ZK222+018段直接采用S3二次衬砌（浇筑顺序：从大庆至广州方向施工），但二次衬砌钢筋采用S5配筋（双层Φ22螺纹钢筋间距25×25cm）。
3、ZK221+960（掌子面）～ZK221+970段采用HW150型钢，间距50cm/榀，榀间采用Φ22螺纹钢筋连接，间距1m，锁脚锚杆每榀4根，长2米，进行临时加强支护，为下步掌子面施工及勘察提供安全保障。
4、采取喷射混凝土及型钢小型门架对溶洞口处进行加固。
2.2相关探测措施
2.2.1 探明溶洞走向及来源
项目部组织购买了食用盐、色素，从紫荆山隧道ZK221+960溶洞口投入了食用盐及色素，并安排部分人员在隧道口水沟四周查看溶洞出口，经过约4个半小时，投入的色素才从距线路右侧约150处溶洞口流出，从而明确了该溶洞的出口。为寻找溶洞入口进行探测，在ZK221+960溶洞破裂口，采用燃烧柴油烟排出，同时安排大量人员在隧道经过区域进行查看，以确定溶洞入口位置，根据设计平面图及现场察看，隧道所经过区域存在大片洼地（根据设计图纸分析有面积0.3平方公里的洼地）及落水洞，同时地表植被较茂盛，大部分地段探测人员无法进入，探明溶洞口未果。（经与当地村民了解，该区域原有一很大的落水洞，当地村民为了种植竹子，将大部分落水洞已回填）。
2.2.2 探明溶洞与线路关系
项目部配合广西岩溶探险人员，共同进入溶洞内对溶洞进行探测，拍摄了溶洞录相，测设溶洞与隧道的空间位置关系，了解了一定范围内溶洞的形态，绘制了溶腔与隧道左线的平、纵、横断面图如下：
2.2.3 加强监控量测
进一步加强了监控量测工作，了解经加固处理后此处围岩以及溶洞口出的变形、稳定情况，目前该处围岩基本稳定。
2.2.4 加强水文地质观测
为进一步探明溶洞的水文地质情况，特别是流量情况，在溶洞出水口处砌筑了标准的过水断面，购买了流速计，以测量水流情况，经测量其最大流量为400m3/h。
2.2.5 加强超前钻孔工作
因左右洞处于同一高程，为了探测溶洞是否与右洞相交，对右洞（YK222+150到YK221+960段对应左洞溶洞）开始进行径向(Φ42mm)及轴向(Φ76mm)钻探（径向布置在右洞左侧，按10米间距布置，从拱脚至拱顶布置3个孔、孔深5米），纵轴向钻探从YK222+150开始连续钻探（拱顶一个、左右拱腰各一个），经探测未发现溶洞与右线相交。
2.2.6 加强地质雷达探测隧道底板及边墙的溶腔
组织地质探测对负责对紫荆山隧道已开挖段隧道底板及部分边墙进行地质雷达扫描，经探测不存在溶腔。
3 溶洞处理方案
3.1溶洞涌水的处理
3.1.1 泄水洞（暗河改道）的修建
已探明溶洞的水文情况，知道其暗河最大流量为400m3/h。且左线线路走向刚好把溶洞断开，没办法采取相应措施从原排水方向通过（暗河不改道），因此在平行于紫荆山隧道左洞10米处打一泄水洞（约800米长）与溶洞内暗河相连，专门排除溶洞内暗河里的水。
3.1.2 施工期间的排水措施
在施工溶洞前，在掌子面后方50米处，由主洞侧壁开口先打一段泄水洞至溶洞，把暗河水引流至后面，方便溶洞施工。
在隧道开挖通过溶腔区时，对溶腔进行加固处理过程中，应确保处理后溶腔应基本能够满足正常情况下的排洪需求，施工期间尽可能避免溶洞水进入隧道内，以免影响隧道正常施工及施工安全。
由于隧道右侧（靠近右洞侧）溶腔宽度较小，且距离隧道开挖轮廓线的距离较近，局部侵入开挖轮廓以内，需对溶腔壁进行局部加固，靠溶腔一侧的隧道衬砌进行加强处理，同时还应满足正常排洪需求。
3.1.3 超前钻孔排水（探水）措施
由于在隧道开挖过程中，需对溶腔进行加固处理，其对溶腔的排洪能力有所限制，为确保隧道施工安全，需进行超前钻孔排水或探水。具体操作如下：在上台阶钻不少于3个φ130钻孔，钻孔长度以进入溶腔为止，纵向间距以该钻孔当前外露口将进入隧道开挖初期支护范围内止。（这部分钻孔亦可作为向溶腔内泵送混凝土或注浆孔道。泵送混凝土的孔道要视溶腔大小、位置及平面宽度进行布置。）
3.2 洞身开挖及溶洞处理
根据对紫荆山隧道左洞溶腔探测的平面图及现场情况，该溶洞、溶腔与隧道的空间位置关系初步分析存在以下几种形式：溶腔位于开挖轮廓以外、溶腔部分位于开挖轮廓以内等情况。根据溶腔与隧道相对位置关系不同，采取相应隧道开挖及溶腔处理方法。
3.2.1 当溶腔位于开挖轮廓以外：需根据溶腔壁与隧道开挖轮廓线的距离及相对位置，进行相应处理后再采取台阶法进行开挖：
a）当净距d≥10m时，对溶腔可不需采取特殊处理，按台阶法进行开挖，根据围岩状况选择合理的衬砌类型及支护参数。
b）当净距d＜10m时，一是对侧壁进行径向注浆加固围岩；二是对溶腔进行了注浆或灌注混凝土回填至一定高度，再进行开挖、支护及衬砌施工。详见图1所示。
开挖支护参数：φ50超前小导管L-450cm，环向间40cm，纵向间距300cm/环；HW175型钢纵向间距50cm；中空注浆锚杆，L-4m，间距50cm×75cm；双层φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm；C20喷射混凝土30cm。
隧道开挖采取正台阶法，采取弱爆破、短进尺，循环进尺不超过1m，同时用8cm厚的C20喷射砼临时封闭掌子面。初期支护参数：HW150型钢间距50cm，径向中空注浆锚杆L=3.5m，间距50cm(纵)×100cm(环)；双层φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm；C20喷射混凝土30cm。
辅助施工措施：根据围岩破碎程度，采取φ50双层超前小导管注浆预加固。双层小导管注浆支护参数如下：内层小导管（小角度）长度L-4.5m，环向间距40cm，纵向间距3.0；外层小导管（大角度的，外插角40°的），L-4.5m，环向间距40cm，纵向间距2.0m。
3.2.2隧道拱部或右侧位于溶腔范围内
在隧道开挖前先对溶腔作如下处理后,再进行洞身开挖。先对隧道侵入溶腔部进行回填密实及对隧道开挖顶部回填至少有4m厚度混凝土；另外，由于溶腔底板有2~4m的蹦落的岩体及淤积层，防止开挖过程中掌子面围岩溜坍，应对掌子面进行全断面注浆固结加固，采取φ42的小导管，间距60cm×60cm的梅花形布置，L=4m，纵向间距3m一环。方可再采取台阶法进行开挖。详见图2所示：
隧道开挖采取弱爆破、短进尺，循环进尺不超过1m，同时用8cm厚的C20喷射砼临时封闭掌子面。初期支护如下：HW150型钢间距50cm，径向中空注浆锚杆L=3.5m，间距50cm(纵)×100cm(环)；双侧φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm；C20喷射混凝土30cm。
辅助施工措施：根据围岩破碎程度，采取φ42超前小导管注浆预加固。小导管注浆支护参数如下：小导管长度L-4.5m，环向间距40cm，纵向间距3.0。
4 施工监控量测
监控量测目的：1、掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈，指导施工作业。
2、通过对围岩和支护的变形、应力量测，为修改设计提供依据。
4.1 监控量测项目
监控量测项目见下表。
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序号
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监控量测项目
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观测常用仪器
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测量精度/mm
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备注
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1
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洞内、外观测
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地质罗盘仪器
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2
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初期支护、水平收敛
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收敛仪
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0.01
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3
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初期支护、拱顶下沉
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水准仪器
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0.1
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4
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地表沉降
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水准仪
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4.2 监控量测
监控量必须测紧跟溶洞开挖和支护作业施工进行布点和检测，布设测点为5米一组，且由专人负责；量测频率开始一天两次，后经过量测数据分析，是否应加强观察。直到围岩位移速率小于0.2mm/d时，量测数据采用工程比较法分析总结，并依据检测结果指导溶洞的施工进度及调整支护参数，保证溶洞施工安全。
4.3 量测数据分析
对监控量测数据分析，当位移速率大于1mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护；当位移速率变化在0.2mm/d-1.0 mm/d时，应加强观察、做好加固准备；当位移速率变化小于0.2mm/d时，可判定围岩基本稳定。
通过对紫荆山隧道溶洞施工时大量监控量测数据的离散型和回归分析及多个断面的汇总、分析整理，紫荆山隧道溶洞施工时围岩位移情况：一般情况下拱顶下沉在1～2cm,水平收敛在1～2cm。
5 过溶槽地段的隧道衬砌
根据量测数据判断溶洞段初期支护已基本稳定后，可施工二次衬砌，但考虑到线路顶部或侧面有溶洞通过，这部分围岩必然裂隙发育，且有裂隙水侵入，雨季时候，水位升高，水压增大，同时围岩压力（含水压），平衡地作用在隧道衬砌上。因此这一段的隧道衬砌及支护参数全按Ⅴ级围岩（最强设计衬砌参数）参数施作，且增加环向排水管的密度，以便加强此处环向排水的能力，减少水压力及衬砌渗水。
6 结束语
通过以上步骤及处理措施的实施，安全通过了紫荆山隧道溶洞，经长时间不间断量测表明，该段围岩变形已稳定。此次处理措施及方案告诉我们如发现溶洞后：①对溶洞应及时封闭，并对掌子面附近衬砌尽早实施二次衬砌，②以上为本次溶洞处理过程及本人的拙见，以供大家借鉴，为今后类似的工程提供了有益的借鉴。在岩溶隧道施工中，必须加强地质超前预探、预报工作，对隧道前方岩溶进行准确预测，并提前做好穿越岩溶溶洞的应急预案，防止突泥和突水的发生。
参考文献：
1、《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94） 人民交通出版社
2、《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004） 人民交通出版社
3、《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004） 人民交通出版社
4、《紫荆山隧道设计图纸》