隧道溶洞回填施工技术研究报告

隧道溶洞回填施工技术研究报告

占小明

（中铁五局贵州公司）

一、立项的背景与意义

我国的高速公路正处于高速发展时期，高速公路建设正由东部平原地区过渡到中西部重山区,所面临的地质环境问题将更为复杂。特别是贵州地区高速公路建设迅猛发展，贵州省正在成为西南陆路交通枢纽。贵州省的主要地貌为喀斯特地貌，隧道工程建设呈多溶洞特点。

由中铁五局贵州公司承建的仁怀至赤水高速公路洞湾隧道位于贵州省习水县东南方11km，隧道左洞长2126m，右洞长2090m。隧道最大埋深310m，洞身穿越泥岩、泥岩夹灰岩、灰岩地层。隧道在施工过程中多次遇到溶洞，其中于2011年10月13日施工至YK66+488时揭露出一处大型溶洞。该溶洞位于隧道底板以下，溶洞长轴与线路大致垂直，溶洞底部轴长265m、顺线路宽度57m，溶腔最大高度44m，溶洞顶板与隧道底板之间厚度为3-29m。溶洞底板坡度平缓，溶洞底分布少量乱石和淤泥，内有一处落水洞发育。

目前国内的隧道工程采用回填方案穿越大型溶洞的研究已较多，一般采用土石方进行回填，为避免沉降过大或不均匀沉降对上部结构物产生不利影响，再对回填路基进行注浆加固或夯锤夯实补强。透水性材料注浆加固往往由于注浆不均匀效果不是很理想，不透水材料采用夯锤夯实补强也存在作业空间小、填层厚度大夯实效果不好等情况。根据贵州省习水县地质特点，洞湾隧道采用回填浆砌片石穿越大型溶洞。因回填浆砌片石方案与众不同，且实施的效果如何，值得我们研究。

针对仁赤高速公路洞湾隧道大型溶洞采用回填浆片石方案，需要研究溶洞底部基底承载力是否满足设计要求的技术难题，需要研究如何保证地下水泄洪通道的问题。同时对回填浆砌片石的沉降情况进行研究，为今后类似地质及类似条件的隧道溶洞回填施工积累经验。

二、项目实施主要内容

1、回填施工方案简述

隧道采用回填M7.5浆砌片石方案。

1.1施工防护

（1）对作业范围溶腔进行清危和防护。回填石渣作为挖掘机作业平台，采用挖掘机清除崩塌失稳危石。采用钢管架搭设施工平台进行拱部溶腔锚喷支护。

（2）清危后溶腔防护措施为：喷射混凝土厚10cm；锚杆采用φ22药卷锚杆，间距为1.5m×1.5m，长3m；钢筋网采用φ6.5，间距为25cm×25cm。

1.2浆砌片石回填

（1）采用挖掘机清除溶洞底部虚渣，清理后基底承载力应大于1.0MPa。

（2）采用M7.5浆砌片石进行回填，回填宽度为隧道衬砌中线两侧各7.5m，总宽15m，回填坡率为1:0.3，回填高度每10m左右两侧设2m宽的加宽平台。片石和砂浆从隧道掌子面采用溜槽运至作业面。

（3）为保证回填浆砌片石与隧道底板岩体密贴，在回填顶面预留注浆管，浆砌片石回填完毕后向其灌注M20水泥砂浆进行填充。

1.3隧道结构

（1）YK66+480～YK66+488、YK66+515～YK66+520隧道边墙及拱部无溶洞段，二次衬砌采用45cm厚钢筋混凝土，不设仰拱。

（2）YK66+488～YK66+515隧道边墙及拱部均为空洞段，采用45cm厚钢筋混凝土明洞型衬砌，不设仰拱。拱部设80cm厚钢拱架护拱进行支护，护拱内设I18工字钢骨架，间距为60cm。

2、基底承载力研究

（1）采用地质雷达对溶洞底部地质进行物探，以探明溶洞底以下有无空洞及水体。仪器采用美国生产的R24型浅层地震仪，国产CDJ-Z100型检波器。

浅层地震是利用人工激发地震波在岩土介质中的传播规律，探测浅部地质构造或测定岩土物理力学参数、进行物性分层、寻找构造破碎带的一种较成熟的地球物理勘察方法。根据波动理论，当人工激发产生的地震波在向地下介质中传播时，由于不同的岩土层具有差异，当地震波经过具有不同波阻抗差异的界面时，产生反射现象，应用专门的仪器记录各种波的传播时间和特征，经数据处理后，便可获取岩土层、构造断裂带的反射信息

本次浅层地震使用参数为：纵线采用单次触发，震源采用18磅大锺锺击，2道检波器，道间距1m，偏移距5-8m，炮点距1m，记录长度512ms，采样率125ns。

物探结果：根据YK66+440-YK66+630左10mEH-4大地电磁测深成果图分析可知，右洞左10m测线上共发现一处断层或岩性分界线，里程为YK66+490，由小里程向大里程方向倾斜。隧道洞身附近发现一处异常，电阻率等值线凌乱，电阻率偏低，推测为岩溶，岩石破碎、含水，里程位置为YK66+460-YK66+530。

根据物探结果分析，并结合现场溶洞底部挖机挖探情况，YK66+460-YK66+530大溶洞基底覆盖乱石并富含一定地下水，但溶洞底部以下无大空洞和水体分布，能够满足在底部以上设置大型构筑物的条件。

（2）采用地质钻机对溶洞底部进行钻探，根据芯样抗压强度判断地基承载能力。

在溶洞范围内共布置8个地质钻探孔，每孔钻孔深度40延米左右。取岩样8组，试验结果为：天然密度2.74～2.80g/cm3，平均2.76g/cm3；饱和抗压强度19.7～68.5MPa，平均40.92MPa；天然弹性模量E50=3.11～10.40×104MPa，平均6.76×104MPa；天然泊松比μ=0.11～0.26，平均0.19；天然抗拉强度8.52～11.6MPa，平均10.06MPa。岩块波速VP=4028～6756m/s，平均5574m/s。岩体完整性系数KV=0.04-0.73，为破碎-较完整的岩体。围岩级别为Ⅲ-Ⅴ级。地基承载力基本容许值［fao］=2000kPa，能够满足在底部以上设置大型构筑物的条件。

（3）在保证基底承载力的同时，为保证回填浆砌片石的稳定性，溶洞底部横向或纵向坡度过陡处设置抗滑台阶，台阶宽度不小于2米。因溶洞回填M7.5浆砌片石数量巨大，达到2.7万立方米。施工从溶洞顶部破口进入挖掘机配合施工。基底台阶采用挖掘机配合人工施工。

3、溶洞的排水处理研究

排水处理研究的目的是判明地下水类型、补给排条件、隧道洞身涌水量和地下水侵蚀性。

（1）地下水类型、补给排条件调查。经地质调绘及对溶洞地形的实测，岩溶形态主要表现为落水洞、溶洞及地表溶蚀洼地、地表塌陷等。地下水的补给来源主要是大气降水入渗补给。部分落水洞为枯水洞，洞与地下深层溶洞有水力联系，雨季时向下汇水。

大型溶洞RD1中2#溶槽开始，经过1#、2#、3#至4#洞腔后存在下渗通道，此通道水流通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集，流通过程中接纳中途汇集水流后逐渐形成较大水流，成为形成巨型溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。

（2）隧道洞身涌水量调查。大型溶洞RD1流水洞S4至下部岩溶裂隙通道，S4为流水洞，水量4.5L/s（2011年11月25日）。S4处流水洞面积约0.5×0.6m2，下方15m深度范围内为受此流水洞冲刷、溶蚀形成的竖井，呈圆形截面，直径约8m，深度较大，且同1#溶槽联通。同时根据流水通道漂浮杂物痕迹对历史最高水位进行了测量。

（3）地下水侵蚀性调查。地下水腐蚀性测试水质取样2组，测试结果为地下水无腐蚀性。

根据地下水的综合调查，确定地下水来源主要为大气降水，溶洞区底部存在一处过水通道。根据地下水流量测试结果和历史水位测量结果，在原洞腔地下水流水方向预埋3根Ф100cm的HDPE管涵，确保溶洞内水路畅通。因地下水无腐蚀性采用水泥砂浆不作防腐处理。

4、浆砌片石沉降情况研究

（1）沉降观测方法。

沉降观测按照路基沉降观测方法进行。观测点位置见下图：

浆砌片石施工期间，设置沉降观测中桩、下沉降观测边桩。施工完成后增加上沉降观测边桩。大溶洞沿线路共设置4个观测断面。沉降观测采用S1型水准仪和因瓦水准尺。

（2）观测频率

施工期间每砌筑高度1.0米进行一次观测，如两次砌筑间隔较长时，每3天观测一次。砌筑完工后，在前2～3个月内，每5天观测一次，3个月后15天观测一次。

（3）内业计算与成果整理

每次观测结束后，检查记录计算是否正确，精度是否合格，并进行误差分配。然后将观测值列入观测成果表中，计算出累计沉降量和位移量。并注明观测日期、气象情况和荷重变化情况。

（4）观测结果分析

沉降观测成果汇总表见下表。

从各断面累计沉降值来看，总体下沉量都不大，且无明显沉降异常点。由于YK66+470回填高度相对较大，其累计沉降值较大。从各断面沉降速率来看，在浆砌片石砌筑高度较小时沉降值很小，砌筑高度到达一定高度后，在一段时间内沉降值变化变大，随着砌筑高度继续加大，沉降值变化变小。

根据路基沉降观测规范要求，路基日沉降量不大于10mm/d，即认为路基是安全稳定的。因大溶洞的基底地质条件较好，砌筑期间实际日沉降量按不大于5mm/d进行控制，超过此值立即停止砌筑，上报设计进行处理。

三、项目核心技术

1、采用浆砌片石回填溶洞所需的地基承载力、地质条件的试验技术。

2、地下水类型、补给排条件、隧道洞身涌水量调查，以满足排水设计需要。

3、采用浆砌片石回填溶洞在施工期间、完工后的沉降观测方法和控制标准。

四、项目创新点

1、提出对浆砌片石回填溶洞所需的地基承载力进行相关试验。其中提出对大溶洞底部以下是否存在空洞、水体进行物探和地质钻探，对回填方案具有重要的补充作用，确保了回填的安全性。

2、方案制定前对地下水类型、补给排条件、隧道洞身涌水量进行调查，并通过地表落水洞、塌坑进行相互印证，达到准确判断过水通道最大流量的目的。

3、提出回填浆砌片石沉降观测的方法，并根据沉降观测实践，提出允许日沉降值的安全控制标准。

五、项目阶段成果

1、以仁赤高速公路洞湾隧道YK66+488大型溶洞处理为载体，申报了《隧道底部大型溶洞处理施工技术研究》为中铁五局集团的科技开发项目。于2013年4月撰写了论文《仁赤高速公路洞湾隧道大型溶洞处理技术研究》。

2、通过《隧道底部大型溶洞处理施工技术研究》科技开发项目活动，同步撰写了《溶洞区隧道处理方案对比分析报告》、《溶洞区隧道监控量测技术研究报告》。

六、项目对本行业及地区经济、社会发展和技术进步的推动作用

仁赤高速公路洞湾隧道大型溶洞采用回填浆砌片石方案，在施工过程中研究解决了溶洞底部基底承载力是否满足设计要求的技术难题，经过详细调查保证了地下水泄洪通道的问题，提出回填浆砌片石的沉降观测方法和日沉降控制标准，保证了构筑物在施工过程中和运营使用后的安全。同时也为在类似地质条件下的大型溶洞处理积累了经验。