隧道中特大溶洞堆积体的跨越设计

公路隧道　２０１３，年第２期（总第８２期）　隧道中特大溶洞堆积体的跨越设计　高珍忠　鲁志伟　（中国公路工程咨询集团有限公司桥隧分公司　武汉４３００５２）　摘　要　本文结合柳州南二环桐油山隧道、沪蓉国道主干线湖北宜昌至恩施公路野三关隧道和沪瑞道主干线贵　州镇宁至胜境关公路黄果树隧道，提出了公路隧道中存在特大溶洞堆积体的三种跨越方式，并从各方面进行了比　较，找出了各种跨越方式的适用条件，供相关设计参考。　关键词　溶洞堆积体跨越隧道　１　引　言　跨越洞穴措施。　但对于特大溶洞堆积体的跨越方式一直比较难　近年来，我国在铁路、水工、公路隧道施工中均　于处理，本文结合柳州南二环桐油山隧道、沪蓉西国　遇到岩溶突水、突泥、顶板溶洞填充物陷落冒顶以及　道主干线湖北宜昌至恩施公路野三关隧道和沪瑞国　底板塌陷问题，都采取堵、排、绕处理方案通过，隧道　道主干线贵州镇宁至胜境关公路黄果树隧道，提出　穿越岩溶地带，首先要分析岩溶的连通性、有无填充　了公路隧道中特大溶洞堆积体的代表性的三种跨越　物及填充物的构成等，其次采取合理的加固措施及　方式。　表１国内几座隧道内特大溶洞堆积物的处理办法　序号　线别　隧道名称　危害情况　处理办法　１　衡广铁路复线　南岭隧道　长３０ｍ溶洞内涌泥，涌水，特大　深孑Ｌ高压超前预注浆，地面与坑道间注浆，钢筋混凝土桩，型溶洞　坑等跨越　栅绕道　２　合肥至芜湖高　速公路　试刀山隧道　特大溶洞堆积体，高达４０ｍ，长　采用钢筋混凝土“管梁”整体穿越大岩溶区，采用“眼镜工法”变大　３０ｍ　跨为小跨的跨越　３　渝怀线铁路　圆梁山隧道　长３５ｍ特大溶洞，高水压，涌水　隧底钢管桩注浆加固，衬砌周边径向注浆加固，二次衬砌采取厚　涌泥　ｉｍ的Ｃ３０钢筋混凝土１．５ＭＰａ抗水压衬砌　４　渝怀线铁路　干溪沟隧道　长５０ｍ特大溶洞，填充物为粘　高压旋喷桩加固跨越，利用旋喷桩桩群的摩擦性能及桩体的高强　土夹碎石　度，加大地基承载力　５　紫阳至陕川界　高速公路　牛角坪隧道　长１７ｍ大溶洞，为空洞　对溶洞采用块、片石回填处理，然后施作边墙纵梁、横粱及钢筋混　凝土板跨越。　柳州南二环市　桐油山隧道　长２０ｍ，深１７ｍ以上的粘土充　左、右边墙及中隔墙基底各设一根纵向钢筋砼梁跨越溶洞。在钢　６　政道路　（连拱隧道）　填溶洞。　筋砼梁以下采用Ｃ２５砼换填溶洞充填物。　７　速公路　宜昌至恩施高　野三关隧道　段长隧道溶洞空腔段和坍塌堆积体　对梁体下部的虚渣进行注浆加固；采用钢筋混凝土简支梁方案跨　７０ｍ　越。　８　镇宁至胜境关　高速公路　黄果树隧道　长４４ｍ“厅堂式”的大型溶洞，溶洞中充填碎石夹粘土　采用树根桩注浆和仰拱梁结构跨越，二次衬砌与仰拱采用钢筋混　。　凝土梁板结构，可进行分块浇注。　的深度在１７ｍ以上，向上延伸至地表，隧道上覆土　２钢筋混凝土梁跨越设计　层厚度实测约为２０ｍ，整个双跨隧道断面均从溶洞　粘土充填物中穿过。该地段集大跨度、浅埋、不良地　桐油山隧道Ｋ２＋３１２～＋３３２地段为纵向宽达　质等不利因素于一体，总体条件极差，为了确保施工　２０ｍ的粘土充填溶洞，溶洞沿横断面方向贯通了整　和结构安全，根据实际地质条件采用以钢筋砼梁跨　个隧道。经地质勘探部门补充钻探，溶洞向下延伸　越溶洞的处理方案，见图１。　・　４５　・　高珍忠等　隧道中特大溶洞堆积体的跨越设计　物成分为方解石和白云石；节理、裂隙发育，多被方　隙面见钙化、附着泥质。针对野三关隧道ＺＫ１０３＋　解石脉充填，隙面可见褐红色的铁锰质氧化物浸染。　９６３处纵向７０ｍ特大溶洞采用跨越方案处理，采用　岩溶现象发育，局部岩芯表面可见溶蚀现象，部分裂　４×１８ｍ钢筋混凝土简支梁方案，见图３。　Ｏ。Ｌ　一　∞　一　一，　，＾　菡　　一　蜜　一　＋　昌　姜　……ＨＩ　／｛　、　＼　、　ｃ一０　ｎ　　Ｏ　０　Ｎ　ｌＪ．』　１＼　—ｒ　／／　量　＼量　Ｉ　Ｎ　瑟　佩捕　墨　ｊ　ｃ３０钢筋混凝土底板　仰鞋　…　一　＿＇硭Ｊｌ　挖　孔桩　∞２　０Ｌ　ｌｒ　　　￣２，０ｔ　扣　灰Ｉ　　桥　…　７２００　卜　２　Ｏｍ铜砼挖孔桩　０２　０ｍ钢砼挖孔桩　门、　０２　０ｍ钢砼挖孔桩　中２　０ｍ钢砼挖孔桩　一／　１　桩基　３　桩基　５　桩基　７雌基　１　６５０　∞　军　１　８００　０　早　１　８００　１　８００　——　量　妻　量　、　中２　２Ｏ　ｍ桩钢基砼　挖孔桩　０２　４０　ｍ桩钢基砼　挖孔桩　中２　６０　ｍ桩钢基砼　挖孔桩　。Ｎ　２　８０　ｍ桩钢基砼　挖孔桩　图３野山关隧道基底管梁结构立面和平面布置图　（１）上部结构形式　改善梁体受力性能，注浆采用３．０ｍ长的钢花管。　理论梁长１８ｍ，实际梁长１７．９８ｍ，采用钢筋混　凝土实心梁，横断面为Ｕ型，其中两侧宽１．９０５ｍ，　梁高为２．４ｍ，中间宽８．２４ｍ，梁高为１．９ｍ，总宽　１２．０５ｍ，梁体与其上６０ｃｍ厚衬砌结构整体连接。　结构分析中只考虑结构自重荷载、顶上回填荷　载以及汽车荷载，未计温度作用。梁体自重荷载按　５９６ｋＮ／ｍ计，梁体上６０ｃｍ厚衬砌自重荷载按　６７９ｋＮ／ｍ计，衬砌顶回填荷载按２ｍ高度计，其数　值为５９６ｋＮ／ｍ，汽车荷载为公路一工级。经计算，　跨中荷载组合最大弯矩值为９４６９０ｋＮ・ｍ，正截面　强度计算配筋量为１９７７ｃｍ　，裂缝验算配筋量为　２５７０ｃｍ　，考虑梁体底部土体经过一定的注浆处理　后具有一定的承载能力，最终纵向配置２～３层９３２　的ＨＲＢ３３５级钢筋，横向间距为ｌＯｃｍ。　（２）下部结构形式　桥墩及起点宜昌侧桥台基础均采用直径２ｍ嵌　图４野山关隧道基底管梁结构横断面设计图　岩桩基础，单排横向２根桩，恩施侧桥台帽梁直接放　置于弱风化灰岩上，要求帽梁底地基承载力不小于　４树根桩注浆和仰拱梁结构跨越设计　８５０ｋＰａ，桥墩及桥台帽梁宽度均为３ｍ，高度２ｍ，长　２００８年６月６号，沪瑞道主干线贵州镇宁至胜　度１２．０５ｍ。　境关公路黄果树隧道出口左线ＺＫ１７＋１５３处开始　（３）基础处理　进行下台阶施工，由于受地质条件及雨季施工的影　要求桥梁施工前，对梁体下部的虚渣进行注浆　响，上台阶的初支产生整体沉降、出现开裂现象，部　加固，以提高梁体下部地基承载能力及整体稳定性，　・　４７　・　公路隧道　分段落已侵入净空。出口左线ＺＫ１７＋１２６～ＺＫ１７　＋２１０段，属于岩溶强烈发育地段，工程地质条件复　杂，洞身及其洞顶约２０ｍ范围裂隙发育，岩体破碎，　且有“厅堂式”的大型溶洞发育，溶洞中半充填或全　充填碎石夹粘土，其稳定性差，易垮塌，对隧道施工　危害极大。　２０１３年第２期（总第８２期）　提交了《黄果树隧道ＺＫ１７＋１５０￣ＺＫ１７＋２１０段的　岩土工程勘察报告》；物探结果表明ＺＫ１７＋１７０～　ＺＫ１７＋２００段，均处于溶蚀漏斗中，溶洞发育规模　较大，被含块石的红粘土充填，深度大于４３ｍ，４２×　４３ｍ为地下水下渗通道，由于地表水下渗作用，充　填土层欠固结欠密实。围岩为泥夹孤石的岩溶填充　物，渗水严重，易被水迅速软化，呈流塑状，自稳能力　极差，地质条件处于动态不稳定状态，如图５所示。　总监办多次到现场进行勘察，之后要求贵州大　学勘察设计研究院对沉降及侵限段再进行补充地　勘。贵州大学勘察设计研究院于２００８年７月中旬　图５黄果树隧道底板下面溶洞纵断面图　根据贵州大学勘察设计研究院提交的关于黄果　树隧道左线ＺＫ１７＋１５Ｏ～＋２１０段岩土工程勘察报　告ＺＫ１７＋１７０～ＺＫ１７＋２００段，溶洞发育规模较　大，达４２×４３ｍ为地下水下渗通道，地质条件处于　动态不稳定状态，采用树根桩注浆和仰拱梁结构跨　越方案：　（１）ＺＫ１７＋１５３～ＺＫ１７＋１９６段拱部周壁进行　力条件实现；　（２）对ＺＫ１７＋１５３￣ＺＫ１７＋１９６段基础进行注　浆加固，施工树根桩，提高洞底持力层承载力，加固　范围为基底以外５～６ｍ，见图６；　（３）二次衬砌与仰拱采用钢筋混凝土梁板结构，　可进行分块浇注，预埋钢筋应错节焊接密实，见图　７；　注浆加固，提高岩体对结构的弹性抗力，改善结构受　（４）二次衬砌拱、墙部采用钢筋混凝土结构。　＼　砌　中　设　心　ｌ计　线　设计高程　图６黄果树隧道基础树根桩加固设计图　・　图７黄果树隧道仰拱梁设计图　４８・　高珍忠等　隧道中特大溶洞堆积体的跨越设计　绘、地质钻探、震探、电探等综合手段进行，在施工阶　５几种跨越方式的比较　（１）采用钢筋混凝土梁跨越设计方案　优点：衬砌及围岩荷载部分作用在钢筋混凝土　段则根据溶洞分布状况、填充状况及地下水发育状　况等采用适当的超前地质预报方法以确保施工安　全。　梁上，通过左、中、右梁传递到两侧的基岩，整体稳定　性较好；工程造价比较低。　缺点：两端基岩基础必需稳固，不能发生较大沉　（２）当隧道的下部发育有大规模溶洞，溶洞顶至　隧底岩层厚度无法保证隧道安全的情况下必须对溶　洞采取支顶加固的措施；当与隧道相交的溶洞规模　降。　（２）采用桥梁跨越设计（４×１８ｍ钢筋混凝土简　支梁）方案　较大，洞体深邃且其中大量充填松软不稳定的冲积　物时，结构上可以采用桩基础或扩大基础梁板跨越　形式，辅助施工可以采用洞内长管棚超前预注浆结　合超前自进式锚杆等措施。　（３）对于特大溶洞堆积体的跨越方式，关键是防　止坍塌。首先对溶腔进行临时加固，在稳定的情况　优点：衬砌及回填荷载均作用在桥梁上，构件受　力较明确，结构基础采用嵌岩桩基础，承载能力强，避　免了结构沉降风险，整体稳定性好；工程造价比较低。　缺点：桥梁桩基长度约４０￣５０ｍ，在溶洞虚渣中　下，再采取合理的跨越方式通过。　参考文献　［１］重庆交通科研设计院．公路隧道设计规范ＪＴＧ　Ｄ７０—　施工成孑Ｌ，技术难度高，安全风险大；桥墩帽梁施工　须在梁底挖２ｍ深，３ｍ宽的帽梁槽，毛洞坍塌风险　较大。　（３）树根桩注浆和仰拱梁结构跨越设计方案　优点：施工相对简单、便捷；施工期间的安全有　一２ｏｏ４ＥＳ］．北京：人民交通出版社，２００４．　［２］中国公路学会隧道工程分会．２００４年岩溶地区隧道修　筑技术专题研讨会论文集［Ｃ］．北京：人民交通出版社，　２００４．　定保障。　缺点：受力比较复杂；注浆量、注浆质量不易控　制；结构的安全、稳定有待检验；工程造价高。　［３］付鹤林，韩汝才．隧道衬砌荷载计算理论及岩溶处治技　术［Ｍ］．长沙：中南大学出版社，２００５．　Ｅ４］张梅，等．宜万铁路岩溶断层隧道修建技术ＥＭ］．北　京：科学出版社，２０１０．　６认识与体会　（１）岩溶区地质勘察的主要内容为查明岩溶分　布状况、发育形态与发育规律，查明溶洞的填充状况　及填充物的物理力学性质，查明溶洞内地下水发育　状况及运动规律等。勘察设计阶段需要采用地表调　［５］洪开荣，等．山区高速公路隧道施工关键技术［Ｍ］．北　京：人民交通出版社，２０１１．　［６］高珍忠，朱光仪．柳州南二环路大跨度连拱隧道施工中　的问题处理Ｅｃ］．２００３年全国公路隧道交流论文集．　・４９・