齐岳山隧道大型溶洞处治技术

齐岳山隧道大型溶洞处治技术
摘要：岩溶发育区公路隧道建设过程中往往会遭遇形态各异的溶洞，对隧道施工和运营安全产生不利影响。

以利万高速公路齐岳山隧道揭露的大型溶洞为案例，综合考虑空间关系、岩体稳定性、地下水和基础承载力等影响因素，对大型溶洞处治技术进行了研究总结，所得结论
可供类似工程设计和施工参考。

关键词：公路隧道；大型溶洞；处治技术；技术要点中图分类号：U452.27文献标识码：A 文章编号：1006-3528（2020）01-0050-04
冯
升1，李国豪2
（1.湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉430051；
2.湖北省恩施土家族苗族自治州交通运输局，湖北恩施445000）
收稿日期：2019－11－13；修回日期：2019－12－24
作者简介：冯升（1978—），男，河北衡水人，高级工程师，工学硕士，2004年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业；
李国豪（1989—）
，男，河南信阳人，工程师，大学本科，2010年毕业于长安大学公路工程管理专业。

第1期(总第262期)山西交通科技
No．12020年2月
SHANXI SCIENCE ＆TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS
Feb.
0引言
在岩溶发育区的隧道建设过程中,经常遇到规模迥异、充填情况不一的溶洞，给施工造成极大困扰。

曾永军结合黔中水利工程总干渠C1标隧洞遇到的不同类型溶洞，给出了小断面隧洞的溶洞处治措施[1]。

谢素洁以贵州省某铁路隧道为例，对填充型
溶洞处理原则、
处理方案进行了介绍，并对溶洞处理关键施工技术进行了总结[2]。

王章琼等人运用数值模拟方法,对湖北恩施太坪隧道特大干溶洞围岩稳定性进行了分析，结合溶洞演化趋势提出初步处治建议[3]。

利万高速公路所在区域属于岩溶强发育地区，其控制性工程齐岳山隧道为典型的岩溶隧道，本文针对隧道施工过程中遇到的大型溶洞，对其处治技术进行介绍和总结。

1
工程概况
鄂西南齐岳山地区为碳酸盐岩分布区，岩溶和岩溶地貌十分发育，岩溶地下水也极为丰富。

齐岳山隧道横穿齐岳山山脉，是利万高速公路谋道连接线上的一条长隧道，设计为单洞双向两车道隧道，设计速度60km/h ，隧道全长2960m ，最大埋深347m 。

隧道进口位于右偏圆曲线上，半径R =350m ，洞身和出口位于直线段，纵面线型为1.5%单向上坡。

1.1
地形地貌
隧道区属构造溶蚀-剥蚀中山地貌。

隧道横穿
山脊，地表高程1260~1660m ，地形整体呈波状起
伏。

隧道进洞口所在斜坡坡角为40°，坡向为116°；隧道进洞口所在斜坡坡角为25°，坡向为290°。

隧道区自然斜坡坡角一般20°～40°，溶沟、
溶槽、漏斗、落水洞等岩溶地貌发育。

1.2工程地质
隧址区属于川鄂湘黔隆褶带之北西缘和四川沉降褶带之川东褶带的部分，构造形式以褶皱变形为主，本隧道穿越齐岳山背斜。

齐岳山背斜具两翼不对称，岩性以灰岩为主，间夹有页岩及煤层，背斜南东
翼产状为115°∠70°、
北西翼产状约32°∠60°。

背斜核部出露地层为长兴组中厚层状灰岩，且两翼在背斜核部以断层接触，系岩溶极发育地段。

根据地面调绘及物探、钻探等勘察手段，隧址区
表层局部覆盖有第四系残坡积粉质黏土（Q h dl+el
），下伏基岩为二叠系灰岩、硅质灰岩（夹煤层及页岩）和三叠系灰岩（局部夹薄层页岩）。

1.3水文地质
隧址区地表水不发育，地下水极发育，以岩溶水为主，多储存于岩溶管道内。

地下水主要靠大气降雨补给，通过地表岩溶洼地和落水洞进入到岩溶含水层中，通过溶蚀裂隙和管道径流，最终以岩溶泉（暗河）形式排泄。

根据隧道围岩赋水性的强弱可将含水岩组划分为极强岩溶含水层、强岩溶含水层、中等岩溶含水
2020年第1期
层、弱岩溶含水层和相对隔水层。

其中三叠系嘉陵江组为极强岩溶含水层，三叠系大冶组为强岩溶含水层，二叠系长兴组为中等岩溶含水层，二叠系茅口组为弱岩溶含水层，二叠系吴家坪组和三叠系大冶组第一段页岩为相对隔水层。

通过对收集地下水样品进行分析，灰岩中岩溶水化学类型为HCO3-Ca型，对混凝土结构具微腐蚀性。

2揭露溶洞情况
2.1发育规模
隧道出口施工掘进至K3+255时，线路右侧距路面设计高5m处揭露特大溶洞入口，溶洞起点位于K3+267.5处，大致走向由线路左侧斜向小里程右下方延伸。

洞底为平台、斜坡交错，总体呈台阶状，洞底平台段表观为黄泥含钙质，具一定承载力，其底部为土夹石松散体，采用凿岩机向下钻探5m未见岩石。

洞底斜坡段表观为泥夹石含钙质，具一定承载力，孔洞较多，洞内渗水，地表无明显积水，下雨时水量较大，会对隧道形成影响。

洞壁表观为强风化灰岩，破碎或极破碎，岩层分层为10~30cm，顶部小型溶腔较多。

主溶洞现场勘察约500m未见尽头，最宽处达21m，最窄处3.3m，最高处约26m，对隧道形成直接影响长度达65mm（K3+210—K3+275）。

表1溶洞实测数据表[4]m
2.2充填性质
齐岳山大型溶洞呈半充填状态，溶洞底部堆积大量岩土松散物。

松散物潮湿，多为粉质黏土，夹含大量风化岩块，充填物可塑状，局部软塑状，含水量25%~32%，经动力触探试验，基础承载力为114~159kPa。

为探明溶洞下部是否发育有隐伏溶洞，掌握溶洞底部堆积物准确厚度，对溶洞底部进行了布孔钻探，钻探结果表明溶洞底部堆积物厚度3.4~12.5m 不等，下伏基岩，无隐伏溶洞，满足隧道底板最小厚度要求[5]。

表2溶洞内钻孔记录表
2.3和隧道空间关系
根据溶洞实际情况、测量成果和地质钻探资料，齐岳山隧道出口端大型溶洞和隧道的空间关系主要表现为3种形式。

图1溶洞和隧道空间关系示意图
a）K3+272—K3+255第一段溶洞位于隧道左侧，隧道呈半埋半露状态。

溶洞顶部为空腔，通过塌陷洞和地表联通；溶洞底部为洞顶塌落物形成的松散堆积体，堆积体厚度3~10m不等，表层覆盖黄土，有过水痕迹。

隧道左侧拱脚落于堆积体上，须进行加固处理。

b）K3+255—K3+235第二段此段为溶洞和隧道斜交段落，溶洞主要影响隧道左侧和顶部，隧道左侧完全裸露，底部落于堆积体上。

溶洞左侧顶部为空腔，右侧为强风化灰岩，岩体破碎，节理发育；溶洞底部为松散堆积体，钻探7.4m至12.5m见基岩，表层覆盖黄土，有季节性水流从左至右的过水通道。

此
对应桩号相对位置
描述
宽度高度充填厚度K3+210右侧14.5m9.518.5 2.8
K3+220掌子面及右侧 6.84+9.67.26 1.87
K3+230掌子面及两侧8.7+11.320.94 5.8
K3+240掌子面及左侧18.6715.212.19 K3+250掌子面及左侧15.2214.848.27
K3+260掌子面及左侧19.11+11.520.719.4
K3+265掌子面及左侧19.95+7.0通天洞 6.5
序号探孔里程累计进尺
m
探测结果
1K3+272 6.50 3.4m泥夹石，后为岩石2K3+2708.70 5.6m泥夹石，后为岩石3K3+2679.50 6.9m泥层，后为岩石4K3+26412.909.7m泥层，后为岩石5K3+26013.3010.8m泥层，后为岩石6K3+25612.8010.2m泥层，后为岩石7K3+25512.909.5m泥夹石，后为岩石8K3+25010.707.4m泥夹石，后为岩石9K3+24511.808.9m泥夹石，后为岩石10K3+24013.6010.9m泥夹石，后为岩石11K3+23515.9012.5m泥夹石，后为岩石12K3+23011.508.6m泥夹石，后为岩石13K3+22513.8010.7m泥夹石，后为岩石14K3+22014.6011.3m泥夹石，后为岩石15K3+21512.809.4m泥夹石，后为岩石16K3+21010.908.4m泥夹石，后为岩石17K3+20510.60 6.9m泥夹石，后为岩石18K3+20012.809.7m泥夹石，后为岩石
冯升，等：齐岳山隧道大型溶洞处治技术·51·
山西交通科技2020年第1期
段隧道左侧衬砌裸露，左侧拱脚落于堆积体上，顶部及右侧开挖时极易造成严重塌方。

c）K3+235—K3+210第三段共揭露两处溶洞，分别位于隧道顶部和右下侧，外露岩体为强风化灰岩，岩体破碎，溶洞底部为松散堆积体，厚度8~ 12m不等，局部为黏土夹石，承载力不足。

隧道左侧顶部和右下侧为溶洞空腔，导致小部分衬砌外露，右侧拱脚悬空。

2.4地下水特征
齐岳山隧道分布于地下水的补给区，溶洞内无承压水体存在，附近没有大型水库、河流等地表水体，溶洞在常水季节基本上为干溶洞，仅见溶洞壁滴水，局部裂隙中有小股水流渗出。

溶洞底部充填物厚度较大，含有孔隙潜水，但富水性差，其中K3+235—K3+210段溶洞底部可见由左至右的过水通道，雨季水量大。

2.5稳定性评价
为保证施工期溶洞内作业人员机具安全和运营期隧道结构安全，需对溶洞的稳定性进行评价，便于采取对应的工程措施。

a）上方洞壁稳定性溶洞洞顶呈穹窿状，沿裂隙发育少量钟乳石，高出溶洞底板7～20m，溶洞顶板与山体表面垂直距离较小，最薄处约30m。

围岩为强风化灰岩，薄层状，层厚10~30cm，分层明显且层间夹泥，完整性较差。

整体而言，溶洞上方洞壁在自然状态下处于稳定状态，受施工扰动宜发生掉块、小型崩塌，特别是隧道拱顶正上方，扩挖时极易造成严重塌方。

b）侧方洞壁稳定性溶洞侧壁光滑，表面覆盖钙质结晶体，岩石裂隙和层间有水渗出，侧壁距隧道距离约0～20m。

围岩为强风化灰岩，薄层状，层厚10~30cm，分层明显且层间夹泥，完整性较差。

综合判断溶洞侧方洞壁在自然状态下处于稳定状态，受施工扰动宜发生掉块、小型崩塌，但由于距离隧道较远，对隧道影响有限。

图2溶洞现场实拍照片
c）底板稳定性齐岳山大型溶洞底部堆积大量岩土松散物，表层覆盖黄色黏土，松散堆积体潮湿，多为粉质黏土夹风化灰岩，充填物可塑状，局部软塑状，含水量25%~32%，经动力触探试验，基础承载力为114~159kPa。

经过对溶洞底部钻探表明，溶洞底部堆积物厚度3.4~12.5m不等，下伏为基岩，无隐伏溶洞。

规范要求隧底持力层厚度不小于8m，据此可判断溶洞底板处于稳定状态，但承载力不足，需进行基础加固[5-6]。

3处治方案
根据现场实际情况和溶洞揭露后补充勘测资料，因地制宜采取工程技术措施分段对齐岳山大型溶洞进行处治。

3.1K3+272—K3+255段
此段需要解决的主要是隧道两侧墙围岩抗力不对称，隧道左侧拱脚承载力不足，溶洞左侧洞壁加固和塌陷洞处理等问题，采用如下处治方案。

a）对隧道洞身左侧外溶洞底部松散堆积体采用φ42注浆小导管注浆加固，浆液采用P.O42.5水泥单液浆，通过注浆使松散堆积体形成类混凝土混合物，给隧道左侧墙提供抗力。

b）左侧拱脚增设钢管桩与钢筋混凝土梁作为钢支撑及二衬基础，钢管桩采用φ108×6mm钢管，管内灌注C25混凝土，钢管嵌入基岩不小于1m，端部埋入钢筋混凝土梁90cm。

c）对溶洞左侧洞壁进行挂网喷射混凝土防护，防止施工期间落石，采用φ8钢筋网，间距20×20cm，喷射混凝土厚10cm。

d）利用洞渣对坍塌洞地表区域进行回填，四周设截水沟，坍塌洞底部采用C20混凝土封堵。

e）二衬采用钢筋混凝土，并将环向排水管加密。

图3K3+272—K3+255段溶洞处治典型断面图
3.2K3+255—K3+235段
和第一段相比，此段新增溶洞顶部不稳定围岩处理，隧道外露衬砌防护和过水通道处理等问题，对应采用如下处治方案。

a）
对隧道洞身左侧溶洞底部松散堆积体采用·52·
2020年第1期
φ42注浆小导管注浆加固，浆液采用P.O42.5水泥单液浆，松散体和衬砌间空缺回填C20混凝土，给隧道左侧墙提供抗力。

b）增设长管棚，每循环长8m，纵向间距5m，钢管采用φ108×6mm热轧无缝钢管，环向间距40cm，钢管内通长增设3根φ25钢筋笼。

c）对隧道洞顶溶腔壁破碎围岩进行注浆加固，采用φ25中空注浆锚杆，挂φ8钢筋网，喷射10cm 厚混凝土。

d）衬砌外露区施做C25钢筋混凝土护拱，护拱厚度为1.5m，护拱外层施做I18钢拱架兼做外模。

e）溶洞与隧道洞身相交区域过水通道设置双道φ500钢筋混凝土管涵，长度40m。

图4K3+255—K3+235段溶洞处治典型断面图
3.3K3+235—K3+210段
图5K3+235—K3+210段溶洞处治典型断面图
此段在前两段的基础上新增拱顶溶洞处理，隧道右侧小溶洞处理和隧道底板全面加固等问题，对应采用如下处治方案。

a）拱顶溶洞采用C20混凝土进行回填，回填厚度2m。

b）隧道右侧小型溶腔采用C20混凝土填充密实。

c）隧道两侧拱脚增设钢管桩与混凝土梁，钢管桩采用φ108×6mm钢管，管内灌注C25混凝土，钢管嵌入基岩不小于1m，端部埋入钢筋混凝土梁90cm。

d）加强监控量测，拱顶下沉数据完全收敛后再施做二衬。

4结语
齐岳山隧道在建设期间安全完成大型溶洞段隧道施工，各项工程验收合格，运营3年来未发生水患、结构破坏等不良影响，实践证明采取的处治技术合理可行，现对技术要点总结如下：
a）溶洞发育规模、充填性质、与隧道空间关系、地下水特征和稳定性评价可作为大型溶洞处治的主要依据。

b）溶洞稳定性分析不局限于上方和侧壁，底板稳定性分析同样重要，特别是下伏溶洞的探测，建议以钻探为主。

c）受溶洞影响形成的隧道偏压，临空侧宜采用大体积混凝土回填或注浆加固溶洞充填物，以期尽量提供对称抗力。

d）修建在溶洞堆积体上的隧道，宜按明洞结构充分考虑堆积体基础承载力，采取适用的基底处治措施，避免不均匀沉降发生。

e）有过水需要的大型溶洞处治，宜按桥涵水文计算方法确定过水构造物断面大小，保证原过水通道的畅通。

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（英文摘要下转第76页
）冯升，等：齐岳山隧道大型溶洞处治技术·53·
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2020年第1期
Treatment Technology of Large Karst Cave in Qiyueshan Tunnel
FENG Sheng 1,LI Guo -hao 2
(1.Hubei Transportation Planning &Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430051,China;
2.Enshi Tujia and Miao Autonomous Prefecture
Transportation Administration,Enshi,Hubei 445000,China)
Abstract:During the construction of highway tunnel at karst areas,karst caves with different forms are often encountered,which have negative influence on tunnel construction and operation safety.Taking the large karst cave exposed in Qiyueshan Tunnel of Liwan Highway as the example,and comprehensively considering the influence factors such as spatial relationship,rock mass stability,groundwater and foundation bearing capacity,the treatment technology of large karst cave was studied and summarized,which can be used as a reference for similar engineering design and construction.
Key words:highway tunnel;large karst cave;treatment technology;technical points
Difficulties in Design of Main Bridge Cable-stayed Steel
Box Girder of Menggu-Nujiang River Grand Bridge
YUAN Shao -yang,MA Jian,ZHANG Hao,ZHU Zhong
(Yunnan Traffic Planning &Design Research Institute Co.Ltd.,Kunming,Yunnan 650011,China)
Abstract:In this paper,considering the construction characteristics of the main bridge,the first system stress envelope in each stage of the main girder structure,and the second system stress were calculated respectively by using the beam element and the shell element.The internal and external plates of the steel box girder of the main bridge have complex force,so the local models of the standard section and the beam end compression section were established respectively for stress analysis.The steel anchor plate in cable beam end anchorage zone has concentrate force,so a solid model was established to analyze the stress concentration.The calculation results showed that the overall stress state of the steel box girder structure was good,and most of the stress values were less than the design allowable values.The stress of the standard section and the beam end compression section of the box girder all met the code requirements.Local stress concentration of anchor plate was obvious (yield stress was used to control the stress),so the stress concentration area should be polished evenly and hammered after welding to reduce the stress concentration.
Key words:Menggu-Nujiang River Grand Bridge;separated steel box girder;bridge design;steel anchor plate
梁设置纵向黏滞阻尼器和横向钢阻尼器，E2地震下钢主梁顺桥向位移为±40cm ，横桥向位移为±25cm 。

5
结语
本文以云南省首座分离式扁平流线型钢箱梁斜拉桥为工程背景，对该结构形式主梁在高地震烈度山区大跨度斜拉桥中的设计难点进行论述：钢箱梁标准段和压重区的横桥向受力应安全可靠，钢锚拉板应采取构造和施工措施以减少应力集中。

本桥在设计过程中进行了整体力学计算和关键部分局部力学分析，计算结果表明钢箱梁在外部作用下的应力
等均能满足相关规范要求。

通过本桥的修建，能为国内高地震烈度区大跨径斜拉桥主梁的设计提供一定的借鉴。

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昆明，2016.（上接第53页）
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