高速鐵路隧道基底巖溶處理技術(shù)研究

王喚龍

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031）

1 引言

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層進(jìn)行化學(xué)和機(jī)械性侵蝕破壞、搬運、沉積作用形成的各種地表和地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。巖石的的可溶性和裂隙性以及水的侵蝕性和流通性是巖溶發(fā)育的基本條件。我國巖溶地區(qū)分布廣泛，隨著我國高速鐵路建設(shè)項目的不斷發(fā)展，在巖溶地區(qū)開展隧道工程施工已不斷增加。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，溶洞發(fā)育，通常在向斜構(gòu)造比背斜構(gòu)造巖溶發(fā)育強烈，向斜構(gòu)造的核部巖溶發(fā)育比兩翼強烈，背斜構(gòu)造兩翼比核部巖溶發(fā)育強烈。巖溶對隧道的影響主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)物部分及全部懸空，大大降低隧道使用的可靠度，溶洞填充物外涌，給施工造成困難和安全隱患，季節(jié)性的巖溶洞穴涌水，給隧道施工和體系帶來不安全和不穩(wěn)定因素[1-3]。在巖溶發(fā)育地區(qū)修建隧道過程中，如何保證工程安全、可靠、順利的穿越巖溶區(qū)的處理技術(shù)方案是設(shè)計和施工技術(shù)人員必須研究和解決的重大課題。

對于隧道穿越巖溶問題，特別是處理隧道基底巖溶問題，已有較多問題進(jìn)行了研究，李治國[4]提出了巖溶處理原則和不同類型巖溶的處理方法；張民慶等[5]對宜萬鐵路的典型巖溶進(jìn)行了總結(jié)，并討論了不同類型的巖溶治理實例；施政[6]、歐振祥[7]、馬濤[8]對鐵路隧道巖溶的處理技術(shù)進(jìn)行了探討；劉小兵[9]、夏桂云[10]探討了隧道穿過大型溶槽地段時，采用地基梁結(jié)構(gòu)的處理方案。以巖溶洞穴與隧道的相對位置和距離而言，巖溶位于隧道上方或側(cè)翼時，該類巖溶一般較容易進(jìn)行處理，但當(dāng)溶洞位于隧道底部時，則處理就較為棘手，需謹(jǐn)慎處理。本文以云桂高速鐵路東風(fēng)隧道DK639+441 ～+459 m段的基底巖溶作為具體工程實例，討論基底巖溶處理的一般原則與方法，具體的對該隧道以樁基跨越和筏板基礎(chǔ)的方法可靠、安全的穿越巖溶危險區(qū)，并滿足隧道基底滿足地基承載力，保證列車安全運營。

2 工程概況

東風(fēng)隧道位于云桂高速鐵路，DK639+441～+459段隧道洞身穿過二疊系下統(tǒng)梁山組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、砂巖（P1l），巖質(zhì)軟硬不均。強風(fēng)化區(qū)（W3），層厚約為4 ～ 6 m，屬于IV級軟石，為C組填料；灰?guī)r弱風(fēng)化帶（W2），屬V級次堅石，為A組填料。炭質(zhì)頁巖、砂巖弱風(fēng)化帶（W2）屬IV級軟石，D組填料。對DK639+441～+459段隧道進(jìn)行揭示時，發(fā)現(xiàn)隧道底部巖溶強烈發(fā)育（圖1），隧道底部灰?guī)r中發(fā)育串珠狀溶洞，溶洞可分為三層，第一層溶洞大小為0.3～3.9 m，第二層溶洞大小為3.1～6.5 m，第三層溶洞大小為1.3～10.5 m，溶洞充填物以黏土為主，溶洞地層描述如下：

（1）粉質(zhì)黏土（Q4ca）：溶洞充填物，棕黃、棕紅色，軟塑狀為主，局部硬塑狀，局部夾20～35%的灰?guī)r質(zhì)碎石角礫，屬II級普通土。該層厚度較大，不能夠滿足隧道基底承載力的要求，需要進(jìn)行加固或換填等處理。

（2）灰?guī)r（P1l）：灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀，巖質(zhì)堅硬，局部節(jié)理及溶蝕裂隙發(fā)育，巖溶強烈發(fā)育。溶蝕破碎帶（R3）厚0～10m，淺灰、棕黃色，巖體破碎，局部雜亂，圍巖呈強風(fēng)化帶和碎塊石土夾軟黏土，黏土分布不均勻，局部有軟硬不均現(xiàn)象，屬IV級軟石；弱風(fēng)化帶（W2）屬V級次堅石，為A組填料。

隧道施工中未見地下水發(fā)育，該溶洞地段屬于地下水季節(jié)變動帶，地表溶蝕洼地較為發(fā)育，旱季涌水量一般較小，豐水年地表溶蝕洼地雨水匯聚后沿溶洞及巖溶管道下滲形成臨時性地下水流，造成部分充填的軟塑狀粉質(zhì)黏土流失，同時雨季則以“過路水”為主，運動方向以垂直運動為主。溶洞充填的黏土、隧道圍巖及溶洞圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)如下：

表1 隧道DK657+953～910段巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 巖溶隧道處理一般原則與方法

3.1 巖溶處理一般原則

在巖溶隧道施工過程中，首先需通過利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報來預(yù)測前方是否遇到巖溶洞穴，判別其規(guī)模、大小、相對位置及與隧道的距離，確定巖溶的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，制定針對性的預(yù)處理的施工對策，其處理方案必須以安全為主題，兼顧經(jīng)濟(jì)、可靠性，因此巖溶的治理方案必須嚴(yán)格遵從“保證施工安全、確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、保障安全運營”的3個基本宗旨，堅持“短進(jìn)尺、弱爆破、強支護(hù)、早封閉、緊襯砌、勤量測”的原則通過巖溶地區(qū)。根據(jù)國內(nèi)外巖溶隧道的施工經(jīng)驗，巖溶主要需遵循采取以疏為主、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理的原則：

（1）以疏為主，始終堅持對巖溶水進(jìn)行疏導(dǎo)，盡量不改變巖溶水的滲流路徑，保持巖溶水的賦存狀態(tài)，以保證施工安全及隧道運營的可靠和安全。

（2）堵排結(jié)合，根據(jù)溶洞中的巖溶水與地表水的關(guān)系，盡量切斷地表巖溶水的補給，改變其地表水滲入該溶洞，同時提高隧道工程的防滲等級，提高圍巖的抗?jié)B能力。在隧道外部地區(qū)修建巖溶水徑流通道，使水體能安全快速的通過隧道區(qū)，防止其造成水壓，對隧道產(chǎn)生威脅。

（3）因地制宜，綜合治理，需根據(jù)隧道所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件及周圍環(huán)境條件，采取多種方法進(jìn)行綜合治理。

3.2 基底巖溶處理方法

在巖溶隧道施工過程中，應(yīng)綜合考慮巖溶的洞穴充填特征、所處位置、規(guī)模大小、水文情況、施工狀態(tài)等因素進(jìn)行因地制宜的采取處治措施。對于隧道底部溶洞的處理方法有多種, 主要包括換填封堵、注漿加固、樁基處理、復(fù)合地基處理以及筑梁或拱結(jié)構(gòu)跨越等形式。通過對巖溶洞穴規(guī)模大小進(jìn)行分類，其基底巖溶的處理方式如下：

3.2.1 小型溶洞處理

（1）當(dāng)巖溶洞穴位于隧道基底位置且內(nèi)部無充填物時，當(dāng)發(fā)育深度＜5 m時，可采用片石混凝土回填的處治方案，；當(dāng)發(fā)育深度＞5 m時，采用棄碴等進(jìn)行回填至距基底5 m 范圍以下部分夯實，并保證滿足承載力及沉降要求，隧道基底以下5 m 采用混凝土回填處治方案，整個回填過程中必須進(jìn)行振搗，保證密實。

（2）當(dāng)巖溶洞穴位于隧道基底位置且內(nèi)部有充填物時，應(yīng)在清除巖溶洞穴內(nèi)的充填物后，采用C10混凝土或M7.5 漿砌片石回填。

3.2.2 大型溶洞的處理

（1）托梁+板跨方案，隧道基底必須采取棄碴回填后，采用“托梁+鋼筋混凝土板”的跨越結(jié)構(gòu)，同時需加強初期支護(hù)和二次襯砌的形式。

（2）型鋼混凝土+板方案，當(dāng)隧道基底溶洞很深，而溶洞在隧道縱向的跨度小于3 m時可進(jìn)行選用。

（3）鋼管群裝方案，當(dāng)隧道基底溶洞大于較深，約5～20m時，可采用鋼管群樁加固處理方案。

（4）樁基+承臺方案，當(dāng)隧道基底溶洞的縱向發(fā)育范圍較大，溶洞發(fā)育深度距基底為20～30m時，可采用樁基+承臺方式進(jìn)行處置，但必須計算溶洞底部樁基承載力和承臺承載力，確定承臺厚度和隧道基底承載力。

（5）充填方案，當(dāng)巖溶縱向發(fā)育規(guī)模巨大，發(fā)育深度大于30m時，可采用填筑方案，以路基形式通過巖溶地段。

（6）梁跨方案，當(dāng)基底巖溶規(guī)模較大，溶洞中充填松軟充填物時，要求不堵水，需疏水時，可采用本方案。

（7）拱跨方案，對于大跨度的過水型溶洞，而且溶洞周圍巖體相對比較完整，具有拱跨墩的承載力是，可以據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行選擇。

4 東風(fēng)隧道DK639+441~+459段基底巖溶處理措施

（1）基底巖溶及襯砌處理。據(jù)溶洞形態(tài)與隧道關(guān)系，DK639+441～+459 m段共18m隧底采用樁+筏板基礎(chǔ)，具體如下：鉆孔樁樁徑1.0m，樁長17m～22m，樁間距縱向4m，橫向3.8m，共14根，采用C35鋼筋混凝土，樁底嵌入基巖深度不小于2m；樁頂鋼筋伸入筏板1m，樁長從筏板底面處算起；板厚1.5m，寬13.92m，長18m。

根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)條件及巖溶形態(tài)，并結(jié)合隧底巖溶整治措施，隧道DK639+441～+459 m段擴(kuò)挖后重新施作噴射混凝土及鋼筋網(wǎng)，采用“直邊墻+底板”型式，同時需進(jìn)行環(huán)向加固圍巖，洞身拱墻、仰拱均采用C35鋼筋混凝土，溝槽身C25混凝土，蓋板C35鋼筋混凝土，仰拱填充C20混凝土，噴射混凝土采用C25混凝土或C25纖維混凝土。

（2）防排水措施。隧道DK639+441～ +459 m段的地下水對混凝土無侵蝕，二次襯砌拱部、邊墻及仰拱混凝土抗?jié)B等級不低于P10。暗洞初期支護(hù)與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設(shè)EVA平面防水板加無紡布防水；暗洞襯砌拱墻環(huán)向施工縫設(shè)中埋式橡膠止水帶加外貼式橡膠止水帶，仰拱環(huán)向施工縫設(shè)中埋式橡膠止水帶；縱向施工縫設(shè)中埋式鋼邊橡膠止水帶加遇水膨脹橡膠止水條；施工縫環(huán)向數(shù)量按10m一道計列，縱向施工縫數(shù)量按2道計列；兩側(cè)邊墻腳設(shè)φ80縱向透水盲溝，并每隔5～10m將地下水引入洞內(nèi)側(cè)溝，同時要求縱向盲管直接彎入隧道側(cè)溝，縱向透水盲溝明暗襯砌段分別設(shè)置且不得連通。

隧道DK639+441～ +459段對地下水采取“以排為主”的設(shè)計原則，對DK639+441～ +459 m段環(huán)向盲管加密至每3m一環(huán)。

5 結(jié)論

（1）巖溶是巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工過程中的常見不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶處理過程中應(yīng)因地制宜、綜合治理，對隧道基底巖溶需考慮巖溶規(guī)模、大小、充填物情況進(jìn)行處理。

（2）隧道基底溶洞處理必須滿足隧道基底承載力，并且應(yīng)具有足夠的剛度，保證工后軌道沉降滿足規(guī)范要求。

（3）本隧道基底巖溶處理方法主要采用剛性比較大的樁+筏板基礎(chǔ)通過巖溶區(qū)，對襯砌進(jìn)加固處理，配合防排水措施來達(dá)到處理巖溶的目的。本文通過對高速鐵路巖溶隧道的巖溶治理方案，為以后類似巖溶隧道設(shè)計及施工方案積累經(jīng)驗。

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