鐵路隧道基底巖溶處理技術(shù)研究

楊凡

中交隧道工程局有限公司第三工程公司

鐵路隧道基底巖溶處理技術(shù)研究

楊凡

中交隧道工程局有限公司第三工程公司

巖溶主要是由于地下水以及地表水通過(guò)對(duì)可溶性的巖層進(jìn)行化學(xué)以及機(jī)械侵蝕造成破壞而形成的各種地下溶蝕現(xiàn)象的總稱(chēng)。巖溶發(fā)育的基本條件是巖石的可溶性以及裂隙性，我國(guó)地域遼闊，巖溶地區(qū)也分布非常廣泛，而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路項(xiàng)目也得到了極大的發(fā)展，因此在巖溶地區(qū)進(jìn)行鐵路隧道施工也在逐漸增加，基于此本文以實(shí)際工程作為案例，詳細(xì)討論了鐵路隧道巖溶處理技術(shù)。

鐵路隧道；基底；巖溶；處理技術(shù)

1 工程概況

麗香鐵路Ⅴ標(biāo)正線長(zhǎng)18.73km，其中交尼山隧道長(zhǎng)7055m，隧道穿越巖層以板巖和灰?guī)r為主，灰?guī)r為可溶巖，造成地下巖溶發(fā)育良好，而且?guī)r溶基本上處于隱伏狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：溶洞、連通好的溶蝕破碎帶，使得基巖與覆蓋層接觸界面附近形成了易塌陷區(qū)和極易塌陷區(qū)，施工期間存在高度的洞內(nèi)塌方，隧底塌陷及突水突泥風(fēng)險(xiǎn)。

2 巖溶隧道可能出現(xiàn)的問(wèn)題分析

由于巖溶隧道的具體環(huán)境不同，其發(fā)育形態(tài)也非常多，而且由于巖溶發(fā)育存在不均衡性以及不規(guī)則性，所以在鐵路巖溶隧道的設(shè)計(jì)施工方面非常困難，尤其是施工階段的突水、突泥等現(xiàn)象造成了極大的安全隱患，而且還對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生非常大的影響，筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，具體總結(jié)了隧道巖溶問(wèn)題，可以分為下面三種：

(1)隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)突水、突泥問(wèn)題；

(2)隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)頂板溶洞填充物陷落問(wèn)題

(3)隧道施工過(guò)程中底板塌陷問(wèn)題

3 巖溶隧道施工對(duì)策

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在本隧道施工中，為了探明前方圍巖情況，采用了TSP超前探測(cè)技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、超前鉆孔技術(shù)并結(jié)合加深炮眼技術(shù)。通過(guò)TSP技術(shù)，可以推斷出巖層、巖性以及巖體的完整性，而且可以有效推測(cè)出溶洞以及哪些地段可能存在突水或突泥現(xiàn)象，同時(shí)還可以對(duì)圍巖的級(jí)別進(jìn)行初步判斷，進(jìn)而采取有針對(duì)性的建議。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)主要是為了對(duì)TSP技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，可以對(duì)撐子面、底板進(jìn)行全程覆蓋，而且可以將檢測(cè)到的結(jié)果匯成圖。在對(duì)巖溶富水破損帶進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可以采用超前水平地質(zhì)鉆探技術(shù)，在鉆孔分布上，按照上、中、下、左右拱腰等部位各布置一個(gè)鉆孔，在一個(gè)斷面上至少要安排5個(gè)鉆孔。在開(kāi)挖輪廓線外5m設(shè)置終孔，同時(shí)為了防止出現(xiàn)隧道出口反坡開(kāi)挖以及突水、突泥等現(xiàn)象，要在隧道超前鉆孔設(shè)置孔口管以及控制閘閥。每循環(huán)上臺(tái)階打不少于10個(gè)加深炮眼，爆破眼要和孔徑大小要保持一致，孔深要比爆破眼深超過(guò)3m，這樣可以有效防止有壓力的泥水沖垮，造成突水、突泥事故。

底板巖溶探測(cè)采用徑向鉆孔的方式進(jìn)行，探孔深度5m，橫向間距3m，縱向間距5m，一旦發(fā)現(xiàn)巖溶，加密探孔，并加以雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，探明巖溶埋深、填充物情況、排水路徑等情況，再確定整治措施。

3.2 預(yù)報(bào)涌水量

炮眼爆破后的出水量與爆破前炮眼水噴距之間具有一定的比例關(guān)系，因此在對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，可以根據(jù)其與噴距之間的數(shù)學(xué)比例關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，水平噴射距離的計(jì)算公式如下：

上式中，s代表水平噴射的距離，炮眼和路面的垂直距離用y代表，V是噴射速度，g是重力加速度。

3.2.1 工作方法與步驟

進(jìn)行涌水量預(yù)測(cè)的工作步驟主要有以下幾步：(1)將噴射距離最遠(yuǎn)的炮眼留下，將其余的炮眼全部堵死；(2)測(cè)量水平的噴射距離；(3)計(jì)算出當(dāng)y=1m時(shí)，水平噴射距離；(4)預(yù)測(cè)出開(kāi)挖后的涌水量級(jí)別

3.2.2 噴射距離概略預(yù)報(bào)涌水級(jí)別

(1)如果噴射距離s小于5m，則說(shuō)明涌水量會(huì)小于100/h，所以是裂隙水以及小股或者中股涌水級(jí)。所以經(jīng)過(guò)探放水后，就可以放心掘進(jìn)；(2)如果噴距在5-9m之間，那么涌水量就是100-300/h，突水級(jí)為小型，經(jīng)過(guò)探放水后，可以利用放小炮，進(jìn)行試探掘進(jìn)；(3)如果噴距在9-12m，就是中型突水級(jí)，需要立刻停工，并調(diào)查清楚原因后，才能進(jìn)行試探性的掘進(jìn)；(4)如果噴距在12m以上，那么涌水量已經(jīng)超過(guò)400/h，已經(jīng)屬于大型的突水級(jí)，相關(guān)的施工單位必須馬上停止施工，并撤出相關(guān)的施工機(jī)械，對(duì)于突水原因要盡快查明，并采取相應(yīng)的處理措施。

3.2.3 突泥量的預(yù)報(bào)

在對(duì)突泥量進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，可以根據(jù)泥漿的不同比重，并乘以對(duì)應(yīng)的系數(shù)，從而計(jì)算出噴距范圍，最終計(jì)算出突泥量的級(jí)別。

3.3 突水、突泥的防治

3.3.1 處治原則

在對(duì)突水、突泥進(jìn)行防治時(shí)，要秉承保護(hù)生態(tài)環(huán)境的原則，在施工安全的前提下，盡可能的不破壞原有的水系，在實(shí)際工作中，要遵循“防、排、截、堵相結(jié)合”的處理原則。

3.3.2 突水、突泥的防治措施

在防止突水、突泥過(guò)程中，主要利用以下幾項(xiàng)措施：(1)利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，將溶洞以及暗河的具體位置調(diào)查清楚，而且還要詳細(xì)了解到巖溶水的發(fā)育情況。(2)當(dāng)隧道開(kāi)挖到水源體附近時(shí)，不可盲目的放炮，要用大口徑的超前鉆孔對(duì)其進(jìn)行探測(cè)并釋放地下水。(3)等到涌水量減少時(shí)，用帷幕灌漿技術(shù)固結(jié)圍巖，這樣可以防止地下水的過(guò)度流出從而造成地下水的流失；(4)如果在巖溶隧道中遇到有高壓或者富水充填溶腔時(shí)，要采取釋能降壓的方法對(duì)其進(jìn)行排放。

3.3.3 釋能降壓排放

目前針對(duì)高壓富水充填溶腔，如果填充介質(zhì)的可流性比較好，同時(shí)壓力不大，水量也不大的情況下，一般采用注漿施工技術(shù)取得的效果比較好，但是如果壓力高，水量大，通過(guò)注漿技術(shù)雖然可以在一定程度上抑制，但是受到目前技術(shù)的限制，在開(kāi)挖過(guò)程中，一些注漿的盲區(qū)可能會(huì)被高壓水擊穿，造成突水突泥事故。所以在遇到高壓富水溶腔時(shí)，一般采用釋能降壓排放，在合適的時(shí)機(jī)采取有計(jì)劃有目的的精確爆破，通過(guò)將溶腔炸開(kāi)，對(duì)其進(jìn)行排水降壓操作，對(duì)于一些有條件的，還可以采用地質(zhì)超前鉆孔技術(shù)進(jìn)行排水降壓操作。

3.4 隧道頂板溶洞充填物陷落和底板塌陷處理措施。

⑴跨越處理：當(dāng)溶洞的規(guī)模比較大時(shí)，而且溶洞內(nèi)的填充物也比較松軟，導(dǎo)致在進(jìn)行基礎(chǔ)施工時(shí)比較困難，那么就可根據(jù)具體條件采用相應(yīng)的梁跨、板梁、樁等形式跨越巖溶地段。

⑵錨桿、鋼管加固處理：在清除溶洞內(nèi)松動(dòng)的巖石時(shí)，為了防止出現(xiàn)溶洞頂板塌陷的危險(xiǎn)，一般都會(huì)采取用錨桿對(duì)巖體進(jìn)行加固處理，如果隧道高度比較大，要設(shè)置橫向鋼軌進(jìn)行橫撐，對(duì)于一些寬敞的巖溶大廳可以采用人字形鋼軌柵架。

(3)底板注漿加固：隧道底部溶洞較小且存在填充物、或底板下溶洞埋深淺、且為分散的小溶洞時(shí)，底板以下填充物采用注漿加固處理，加固深度不小于5m，范圍超出隧道拱腳1m。

3.5 巖溶水處理

巖溶隧道的處治原則可總結(jié)為：“繞、截、排、越與分部開(kāi)挖，加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合”。

(1)繞：如果在施工中遇到特別大的溶洞，或者溶洞難以處理時(shí)，為了不停工，可以通過(guò)增加出口作業(yè)面或者迂回導(dǎo)坑的方法繞過(guò)溶洞區(qū)，這樣就可以一邊施工一邊對(duì)溶洞進(jìn)行處理。

(2)截：根據(jù)勘測(cè)結(jié)果顯示，如果隧道內(nèi)的地下水有補(bǔ)給來(lái)源時(shí)，比如存在有溶穴、落水洞、豎井等，而且會(huì)隨著季節(jié)的不同對(duì)其補(bǔ)充量也不同時(shí)，一般是采用攔截地表水的方法對(duì)其進(jìn)行處理。如果是自然溝槽，就可以在溶穴、落水洞等周?chē)┳鳚{砌片石排水溝。如果地表就是一個(gè)溶蝕封閉的洼地，那么就可以利用截水溝、泄水暗管等，將水引到隧道的滲泄區(qū)之外。

(3)排：在對(duì)隧道進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，如果遇到溶洞有流水時(shí)，盡量排水而不是堵水，第一要對(duì)水源進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)對(duì)涌水量的計(jì)算，綜合考慮水流的流向以及隧道位置，采取以排水為主，截引相結(jié)合的方法。常年流量大的巖溶地下水，即隧道排水溝無(wú)法正常完全排走的水，隧道可設(shè)排水通道排水，排水通道必須與原有的泄水路徑相連。隧道橫穿溶洞時(shí)，隧道占據(jù)原有通道，在隧道側(cè)面開(kāi)挖設(shè)置通道與原通道相連，不允許堵塞，防止襯砌背后形成承壓水。排水通道需穿越隧道的，從隧道底部通過(guò)，隧道改變底板設(shè)計(jì)，保證底板不沉陷。溶洞較大但開(kāi)挖時(shí)水量較小時(shí)，盡量不將水引入隧道內(nèi)，必須根據(jù)溶洞形狀，流向及與隧道關(guān)系，預(yù)留排水通道，確保水能順利排出。即使為干涸的溶洞時(shí)，也不允許采取回填，以防出水時(shí)無(wú)排泄途徑，防止在襯砌背后形成承壓水，危及今后施工和運(yùn)營(yíng)安全。

4 巖溶處理實(shí)例

4.1 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

交尼山隧道出口正在洞內(nèi)上臺(tái)階爆破開(kāi)挖后，線路左側(cè)邊墻下部出現(xiàn)溶洞。實(shí)測(cè)該溶洞最大深度20m，寬度約2m～8m。溶腔內(nèi)有少量泥土，且有少量巖溶水，流量約60m3/d。

溶洞平面布置圖

典型斷面

4.2 處理方案

(1)邊墻處設(shè)C25砼護(hù)拱，厚1.0m，端墻底嵌入基巖內(nèi)1m。

(2)基底下存在溶洞空腔部位，在隧底架設(shè)1m厚底板支撐進(jìn)行跨越，該段襯砌取消仰拱結(jié)構(gòu)。

(3)對(duì)溶洞空腔部分采用清除處理，空腔壁采用錨噴網(wǎng)防護(hù)，C25混凝土，厚10cm；Φ22砂漿錨桿，間距1.0×1.0m，每根長(zhǎng)3.5m；Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm。

(4)在底板處預(yù)留Φ200排水管，間距3m，梅花型布置，以用作運(yùn)營(yíng)期間空腔內(nèi)地下水下滲通道。

4.3 治理效果

該溶洞處理采用鋼筋混凝土底板跨越方式，并預(yù)留排水通道，確保隧道成功跨越溶洞，目前隧道排水正常，且隧道未發(fā)生大的沉降，滿(mǎn)足今后鐵路運(yùn)營(yíng)安全要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路隧道基底巖溶施工是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，施工時(shí)必須根據(jù)地質(zhì)、地下水路徑及水量、填充物等因素，因地制宜綜合制定應(yīng)對(duì)措施，確保隧道底板基礎(chǔ)牢固、周邊承壓水較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定。特別時(shí)對(duì)干涸的溶洞，切記盲目的采用回填，造成排水不暢，產(chǎn)生承壓水，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)或底板破壞，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。

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