高速鐵路上郭關隧道施工遭遇大型溶洞的處理方案研究

孫正兵，岳 健，賴新軍，楊 雄

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411201)

高速鐵路上郭關隧道施工遭遇大型溶洞的處理方案研究

孫正兵1，岳 健2，賴新軍1，楊 雄1

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411201)

高速鐵路上郭關隧道在施工中遭遇了大型溶洞，溶洞由6個形態(tài)各異的溶洞大廳組成，有必要研究既安全又經濟的溶洞處理方案。首先根據溶洞大廳的大小與位置，設計現(xiàn)澆套拱襯砌支頂、埋設鋼筋混凝土管涵與施作護墻支擋3種處理方案；然后數值模擬不處理溶洞、處理溶洞、處理溶洞并考慮水滲流影響等情況，對比多種工況下的隧道受力變形，分析溶洞處理效果，并提出施工建議；最后將溶洞處理方案應用于工程實踐。結果表明：隧道變形在安全范圍內，隧道順利通過巖溶區(qū)，證明采取的溶洞處理方案切實可行。

高速鐵路；鐵路隧道；大型溶洞；處理方案；數值模擬

在巖溶地區(qū)修建隧道，遇到溶洞的幾率很大，為確保隧道施工與運營安全，有必要研究確定合理的溶洞處理方案。張旭東[1]介紹了宜萬鐵路高壓富水溶洞的釋能降壓工法；王崢崢[2]研究了“超前管棚+小導管注漿”處理巖溶隧道的坍塌；羅斌[3]介紹了隧道溶洞的“回填反開挖法”處理方案；李錕[4]分析了洞渣回填、拱形防護和橋梁跨越的綜合處治措施；曹校勇[5]研究了繞避溶洞的方案。目前雖然取得了一系列研究成果[6-12]，但由于巖溶地質條件、隧道類型、溶洞類型以及二者相互關系復雜多變，溶洞處理方案還需不斷完善才能適應各種工程情況。特別是對于需要嚴格控制變形的高速鐵路隧道，倘若前期勘查未探明，而在隧道施工過程中才發(fā)現(xiàn)附近存在分布形式復雜的大型溶洞，需要變更設計，此時制定既安全又經濟的溶洞處理方案難度較大，需要根據現(xiàn)場具體情況具體分析。

1 工程概況

貴陽樞紐上郭關隧道為時速250 km的高速鐵路單洞雙線隧道，隧道全長1 095 m。隧道采用臺階法開挖與復合式襯砌，初期支護采用錨網噴支護，拱墻設置長度4 m、φ22 mm的系統(tǒng)錨桿與28 cm厚的C25噴射混凝土，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，拱墻二襯厚度為50 cm，仰拱二襯厚度為60 cm，隧道斷面尺寸如圖1所示。2011年3月17日，在隧道施工過程中，揭示了大型溶洞，目前探明的溶洞總長度約260 m，由6個溶洞大廳組成，溶腔體積共約6 900 m3，大廳之間由通道相連接。溶洞沿隧道線路前進方向發(fā)展，總體位于隧道下方或右側，6個溶洞大廳形態(tài)大小各異，與隧道的位置關系也各不相同，如圖2所示。部分溶洞的充填物以軟塑狀黏土和塊石土為主，部分溶洞為空溶洞。溶洞內洞頂滴水，地面有水且比較潮濕，洞內有掉落的巖石堆積。

圖1 隧道斷面 (單位：cm)

圖2 溶洞分布以及與隧道的位置關系

2 設計溶洞處理方案

制定溶洞處理方案之前盡可能摸清溶洞的成因。整個隧道正穿區(qū)域性的水洞向斜，向斜軸部大致與線路交于DI2K36+952處，交角約78°，向斜兩翼均為三疊系下統(tǒng)谷腳組灰?guī)r、白云巖夾泥質白云巖，巖層傾角緩。洞身巖性單一，為薄層夾中厚層狀灰?guī)r、白云巖夾泥質白云巖，隧區(qū)巖溶水較豐富，其分布不均勻。水洞向斜軸部易形成巖溶集中富水，在地下水向水洞向斜核部滲流的過程中，地下水不斷侵蝕溶解可溶巖，最終形成了大型溶洞。

對于隧道遭遇溶洞的處理方案，可以對隧道進行加強設計，也可以對溶洞本身進行處理，也可兩種方式結合處理。對于上郭關隧道，考慮了高速鐵路隧道的特點，也考慮到大型溶洞是在隧道施工過程中遭遇的，根據溶洞成因、溶洞規(guī)模及其與隧道的相互位置關系，決定重點處理溶洞。遵循“保持既有巖溶通道暢通”這一原則，兼顧安全與經濟，決定對充填性溶洞及串珠狀溶洞進行注漿加固，對無填充性溶洞主要采用現(xiàn)澆套拱襯砌支頂、埋設鋼筋混凝土管涵與施作護墻支擋3種不同的處理方案。本文主要研究無填充性溶洞的處理方案，典型斷面的溶洞處理方案如圖3所示。

圖3 典型斷面的溶洞處理方案示意 (單位：cm)

(1)現(xiàn)澆套拱襯砌支頂

當溶洞大廳位于隧道下側并且溶洞較大時，采用現(xiàn)澆套拱襯砌支頂，主要用在1號、2號、3號溶洞大廳的處理。在溶洞內作業(yè)時，為防止溶洞頂掉塊，應首先清除溶洞頂松動巖石，必要時加設錨網噴防護。套拱襯砌施作前，應先進行底部注漿加固，注漿管采用壁厚4 mm的φ75 mm鋼管樁，鋼管樁深入基巖不小于0.5 m，注漿材料采用1∶1水泥砂漿，注漿壓力0.2～0.5 MPa。套拱襯砌采用40 cm厚的C30鋼筋混凝土，套拱襯砌高度h可根據溶洞形態(tài)及現(xiàn)場情況進行調整。套拱襯砌與溶腔間隙或套拱襯砌與隧道襯砌間隙須回填密實。當空隙較小時，采用泵送混凝土回填；當空隙較大時，采用片石回填并注漿加固，片石粒徑應不大于50 cm，片石堆砌孔隙率應不大于35%，采用套拱襯砌周邊預留注漿孔注漿，注漿材料采用1∶1水泥砂漿，注漿壓力約0.2 MPa。

(2)埋設鋼筋混凝土管涵

在空間相對較小的4號、6號溶洞大廳內與溶洞大廳之間的連接通道內埋設預制好的管涵。管涵采用C30鋼筋混凝土，厚度30 cm，內直徑1.6 m。管道周邊空隙采用M7.5漿砌片石回填密實。其余措施同套拱襯砌。

(3)施作護墻支擋

在隧道右側空間較大的5號溶洞大廳內施作混凝土護墻，混凝土護墻設置在靠隧道一側。施作護墻前，先對5號溶洞大廳進行錨網噴防護，噴C20混凝土厚8 cm，φ22 mm砂漿錨桿，長3 m，間距1 m×1 m，鋼筋網采用φ8鋼筋網，間距25 cm×25 cm。施作護墻前也要清除洞內淤土。護墻采用C30混凝土，護墻與隧道襯砌之間的間隙采用C30混凝土回填密實。護墻基礎嵌入基巖不小于1 m。

3 數值模擬分析

根據圖3，利用Midas-gts有限元程序建立相應的平面應變模型，按照典型工況進行模擬。首先計算了不處理溶洞且考慮水滲流影響的情況，發(fā)現(xiàn)在隧道開挖擾動與滲流破壞共同作用下導致未支護的溶洞失穩(wěn)，使計算不收斂。因此只模擬分析不處理溶洞、處理溶洞、處理溶洞并考慮水滲流影響的情況，分析3種溶洞處理方案的作用效果，共計9種工況。模型寬300 m，高200 m，如圖4所示。根據地質勘查報告[13]，考慮巖溶水的存在與滲流對材料力學指標的弱化，選取計算參數如表1所示。圍巖采用摩爾-庫倫模型，套拱襯砌、管涵、護墻、隧道噴混凝土采用線彈性模型，通過提高圍巖參數來反映錨桿、鋼管樁等的作用。模型的左、右、底邊界均約束法向位移。

圖4 計算模型

名稱重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)滲透系數/(m/d)圍巖252200.3842300.2隧道噴混凝土與溶洞支護25110000.3——0.000086

水滲流對應力變形影響的計算原理為[14]：由飽和土穩(wěn)定滲流方程(1)得出總水頭，再從總水頭中減去位置水頭得到壓力水頭，然后將壓力水頭與水的重度相乘得到孔隙水壓力，利用有效應力原理將孔隙水壓力調入材料的本構模型中計算應力與變形。

(1)

式中，h為總水頭；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的滲透系數，這里假定kx=ky=kz；Q為流量。

這里主要考慮水由地表向隧道與溶洞內滲流，因此令模型頂面的總水頭為模型高度，隧道噴混凝土與溶洞支護的內表面壓力水頭均為0。模擬步驟為先處理溶洞，再臺階法開挖隧道并施作噴射混凝土。

限于篇幅，只給出典型的位移應力分布云圖如圖5所示；計算結果如表2所示。分析如下。

圖5 處理溶洞并考慮水滲流影響的計算結果

項目不處理溶洞處理溶洞處理溶洞并考慮滲流影響溶洞處理方案無套拱無管涵無護墻套拱處理管涵處理護墻處理套拱處理管涵處理護墻處理隧道初襯拱頂沉降/mm8.510.081.46.510.08.67.57.048.0隧道底部圍巖最大隆起/mm190.7128.4113.0106.8117.8104.574.674.426.7隧道初襯最大水平位移/mm78.660.4136.258.659.859.912.512.320.7隧道初襯最大壓應力/kPa892887067981842985798308122311215511551

(1)采用制定的溶洞處理方案可減小滲透破壞，即使不考慮水滲流的影響，與不處理溶洞相比，應用制定的溶洞處理方案可明顯減小隧道變形，適用于嚴格控制變形的高速鐵路隧道。如施作護墻支檔處理緊鄰隧道右側的溶洞大廳，可使隧道初襯的最大水平位移由136.2 mm減小到59.9 mm，減小了76.3 mm，也使隧道初襯拱頂沉降由81.4 mm減小到8.6 mm，減小了72.8 mm；如采用現(xiàn)澆套拱襯砌支頂處理隧道下側溶洞大廳，可使隧道底部圍巖最大隆起量由190.7 mm減小到106.8 mm，減小了83.9 mm。對于隧道底部溶洞的處理，要使溶洞支護全環(huán)封閉，并且將溶洞支護與圍巖的間隙回填密實，才能滿足高速鐵路隧道的變形要求。

(2)數值模擬結果表明，隧道基底豎向位移呈現(xiàn)不均勻分布；考慮到現(xiàn)場地質條件與施工狀況復雜多變，不確定因素較多，特別是大型溶洞靠近隧道底部，且沿隧道縱向不均勻分布。為了確保高速列車的平穩(wěn)運行與長期安全，建議對隧道底部的溶洞進行支護后，根據實際情況，考慮是否還需適當加強隧道仰拱二次襯砌的鋼筋配置。

(3)由于溶洞與隧道的位置關系不是“中對中”，溶洞大多位于隧道的偏右側，導致隧道與溶洞均要承受偏心荷載，即便是形狀均勻的圓形管涵襯砌，其最小主應力也會沿隧道與管涵的連線變化，在施工中要注意監(jiān)測圍巖與結構的偏拉偏壓受力情況；隧道與溶洞間的中夾巖位移、應力與孔隙水壓力均存在明顯變化，這不利于中夾巖的穩(wěn)定控制，建議從隧道與溶洞兩個層面關注中夾巖的受力變形，必要時對中夾巖進行注漿加固；在溶洞支護尤其是靠中夾巖一側的支護達到設計強度后，才能開挖隧道。

(4)考慮滲流工況的計算結果表明：水向位置關系不同的隧道與溶洞同時滲流時的隧道變形較為復雜；水滲流使隧道初襯最大壓應力明顯增大，增加量超過了2.0 MPa；當隧道開挖到巖溶水豐富的區(qū)段時，不僅要監(jiān)測隧道初襯層的變形，也要監(jiān)測其應力，尤其要注意邊墻初襯的應力變化。

(5)應先處理溶洞，再開挖隧道并及時支護；雖然溶洞不是行車通道，但溶洞失穩(wěn)坍塌會影響隧道穩(wěn)定，開挖隧道對已處理溶洞影響較大時，應采用控制爆破開挖。

(6)采用制定的處理方案對溶洞進行處理后，無論是否發(fā)生水滲流，隧道的變形與應力都在可控范圍內。結合工程類比，認為可將設計的溶洞處理方案應用于實際工程。

4 方案應用

將設計的溶洞處理方案應用于工程實踐中，并采取了數值模擬分析得出的建議。溶洞處理的現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖6 溶洞處理的現(xiàn)場照片(以管涵處理為例)

現(xiàn)場監(jiān)測表明隧道的變形與應力都在安全范圍內，隧道初襯的位移均未超過9 cm，隧道基底未出現(xiàn)明顯的不均勻變形，隧道施工也沒有使溶洞坍塌。采用本文制定的溶洞處理方案，確保隧道順利通過了大型溶洞區(qū)，證明本文制定的溶洞處理方案切實可行，可為類似工程提供參考。

5 結論

(1)高速鐵路隧道底部溶洞的支護應全環(huán)封閉，溶洞支護與圍巖的間隙應回填密實。

(2)隧道與溶洞之間中夾巖的位移、應力與孔隙水壓力在溶洞處理前后均存在明顯變化，在溶洞支護尤其是靠中夾巖一側的支護達到設計強度后，才能開挖隧道。

(3)在巖溶水豐富的區(qū)段施工時，水滲流將使隧道初襯最大壓應力明顯增大，尤其要注意邊墻初襯的應力變化。

(4)對于分布形態(tài)復雜的大型溶洞，不同區(qū)段要選取不同的溶洞處理方案。實踐證明本文制定的溶洞處理方案切實可行，可供類似工程參考。

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Study on Treatment of Large Karst Cave during Construction of Shangguoguan High Speed Railway Tunnel

SUN Zheng-bing1， YUE Jian2， LAI Xin-jun1， YANG Xiong1

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China； 2.School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan，Hunan 411201， China)

During the construction of Shangguoguan tunnel on high speed railway， a large cavern including six different halls is encountered and it is necessary to determine a safe and economical cavern treatment scheme. Firstly， according to the cubage and position of the cavern halsl， three treatment schemes are designed， including pouring arch lining on site， burying reinforced concrete culvert and constructing protection wall. Secondly， numerical simulation is conducted with respect to different working conditions， with treating caverns and without treating caverns， treating caverns in consideration of the effect of water seepage; the stress and deformation characters of the tunnel are compared under manifold conditions; the cavern treatment effect is analyzed and construction suggestions are proposed. Finally， the cavern treatment schemes are applied to project engineering. The results show that the deformation of the tunnel is controlled within the safety limit， and the tunnel passes the Karst area successfully， which prove that the cavern treatment scheme is feasible.

High speed railway; Railway tunnel; Large Karst cave; Treatment scheme; Numerical simulation

2015-03-27；

2015-04-02

國家自然科學基金資助項目(51308209)

孫正兵(1981—)，男，工程師，2007年畢業(yè)于中南大學巖土工程專業(yè)， 工學碩士，E-mail:sunzb-011@163.com。

岳 健(1978—)，男，講師，2012年畢業(yè)于中南大學道路與鐵道工程專業(yè)，工學博士，碩士生導師，E-mail:changshalaosan@163.com。

1004-2954(2015)11-0083-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.020