新建貴廣高鐵坪山巖溶隧道設(shè)計(jì)與施工

曹 磊，何昌國(guó)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

新建貴陽(yáng)至廣州高速鐵路是我國(guó)“八橫八縱”高速鐵路網(wǎng)中蘭(西)廣通道的重要組成部分，跨越黔、桂、粵三省，是世界首條穿越喀斯特地貌的高速鐵路，線路全長(zhǎng)約857 km，其中隧道近220座，約占線路總長(zhǎng)的54%，設(shè)計(jì)速度250 km/h，建成后大大縮短了西南地區(qū)與珠三角地區(qū)之間的時(shí)空距離[1]。

坪山隧道位于桂林市靈川與陽(yáng)朔兩縣交界處，全長(zhǎng) 6 360.24 m，進(jìn)口里程 D3K462+507，出口里程D3K468+518。隧道位于溶蝕中低山區(qū)，地形陡峭且坡度起伏較大，隧道上方地表植被茂密。山坡自然坡度10°～50°，上覆土體較薄，基巖大片裸露，多見(jiàn)陡崖峭壁[2]。地表高程250～700 m，相對(duì)高差100～500 m，最大埋深370 m，過(guò)溝淺埋段僅20 m。由于隧址區(qū)巖溶極為發(fā)育，雨季地表水豐富，地下水發(fā)育，該隧道被定為貴廣高鐵I級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)大隧道。

2 隧道水文地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

坪山隧道進(jìn)、出口段出露的基巖和洞身穿越段的巖性均為泥盆系中統(tǒng)唐家灣組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾白云巖，節(jié)理、裂隙較為發(fā)育[3]。據(jù)鉆探揭示，巖芯局部較破碎，可見(jiàn)蜂窩狀溶孔、溶隙，溶蝕較嚴(yán)重，部分為角礫狀灰?guī)r，巖溶發(fā)育。隧道部分區(qū)段埋深較淺，據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)該類隧道開(kāi)挖易出現(xiàn)涌突水、變形坍方、冒頂?shù)炔涣嫉刭|(zhì)現(xiàn)象[4-5]。

2.2 水文地質(zhì)情況

隧址區(qū)降雨量豐富，地表樹(shù)枝狀水系及沖溝較為發(fā)育，綜合考慮隧址區(qū)地表水系發(fā)育情況和地下水的排泄特征，隧址區(qū)有兩大巖溶水系統(tǒng)。隧道開(kāi)挖后將大大改變巖溶水系統(tǒng)中地下水的流向，系統(tǒng)內(nèi)的地下水將通過(guò)隧道和暗河同時(shí)排泄，成為隧道涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源。

2.3 地下巖溶分布

根據(jù)鉆孔揭示，地下巖溶主要發(fā)育于淺表部的垂直循環(huán)帶中，以垂直溶洞為主，規(guī)模大小不一。多數(shù)溶洞已被充填，充填物主要是圓礫土、卵石土。鉆進(jìn)時(shí)局部掉鉆，多為漂石架空形成的空洞。其中，在D3K465+715和D3K465+720就出現(xiàn)了掉鉆現(xiàn)象。

在D3K465+555附近巖溶在垂向與水平方向均比較發(fā)育。D3K465+555左22 m巖溶在垂向最發(fā)育，D3K465+715和D3K465+720附近巖溶發(fā)育微弱，甚至不發(fā)育。從總體來(lái)看，巖溶發(fā)育具有隨深度增加而減弱的規(guī)律。此外，地下巖溶主要發(fā)育于中～厚層狀灰?guī)r中。

3 施工中遇到的問(wèn)題

隧道開(kāi)挖揭示的洞身巖性及水文地質(zhì)特征整體上與勘察階段的認(rèn)識(shí)相符。正洞D3K462+885—D3K463+252段、D3K465+535—D3K465+748段和平導(dǎo)PDK465+500—PDK465+745段開(kāi)挖揭示有多個(gè)溶洞，溶蝕較為嚴(yán)重，溶槽、溶隙較為豐富，并充填黏土。巖體破碎，地下水發(fā)育且流動(dòng)性強(qiáng)，呈線狀或股狀流出，并與地表水貫通性較好。在施工時(shí)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和施工揭示巖溶后，由于未能及時(shí)有效控制巖溶填充物涌出，洞內(nèi)出現(xiàn)涌水、突泥，并引起局部地區(qū)地表塌陷。施工中針對(duì)具體的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行整治。

4 整治工程措施

4.1 巖溶整治

坪山隧道正洞及平導(dǎo)段掌子面揭示的巖溶情況及其整治措施見(jiàn)表1。

表1 正洞及平導(dǎo)段掌子面揭示的巖溶情況及其整治措施

4.2 地表塌陷處理

4.2.1 地表塌陷成因

隧道上方?jīng)_溝溝床覆土為粉質(zhì)黏土、粉土、卵石土、漂石土等，結(jié)構(gòu)較松散，同時(shí)有地表水沿塌陷地帶下滲。設(shè)計(jì)分析地表水下滲產(chǎn)生的滲透潛蝕作用是導(dǎo)致地表變形的主要原因。由于隧道施工形成新的地下水排泄基準(zhǔn)面，降低地下水位，使水頭差增大，動(dòng)水壓力增大，對(duì)松散土層滲透潛蝕作用增大，使地下水排泄能力增強(qiáng)，形成涌水、涌泥，并造成溶洞頂板的土體失穩(wěn)，從而導(dǎo)致地面塌陷。地表塌陷進(jìn)一步造成地表水集中下滲，對(duì)隧道周邊的土體滲透潛蝕作用急劇增強(qiáng)，導(dǎo)致大量地下水從隧道內(nèi)涌出。因此，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)洞頂?shù)乇肀O(jiān)測(cè)工作，對(duì)地表坍塌坑及時(shí)進(jìn)行工程處理。

4.2.2 地表塌陷情況

隧道施工至D3K465+745時(shí)，完成爆破后發(fā)現(xiàn)線路右側(cè)掌子面拱腰處有大量泥漿、磨圓孤石等隨水涌出。同時(shí)在D3K465+710—D3K465+731段線路上方地表發(fā)生了塌陷，塌陷面積約414 m2，深度約7 m，坑底位于隧道正線拱頂上方35 m處，塌陷處位于地表沖溝中心位置(沖溝和線路中線斜交)，并在塌陷處往大里程方向山體有局部滑塌現(xiàn)象。

隧道施工至平導(dǎo)PDK465+545時(shí)，沿線路前進(jìn)方向右側(cè)拱腰處揭露一溶腔，流塑狀泥漿及孤石從腔體內(nèi)涌出，同時(shí)在地表發(fā)現(xiàn)直徑約40 m的圓形坍陷坑。

隧道施工至平導(dǎo)PDK465+530時(shí)，線路方向右側(cè)拱腰接近拱頂位置揭露一個(gè)2 m(環(huán))×1.5 m(縱)溶洞口，溶洞填充物隨水流大量涌出，蔓延至平導(dǎo)PDK465+560。后因大量溶洞填充物堆積，溶洞口當(dāng)時(shí)沒(méi)有繼續(xù)涌水涌泥。最初地表河溝旁出現(xiàn)直徑約10 m的圓形塌陷坑，隨著地表河溝水部分流入塌陷坑內(nèi)，塌陷坑逐步發(fā)展成為2個(gè)圓形坑(1個(gè)直徑7～10 m，1個(gè)直徑8～10 m)，2個(gè)塌陷坑相互咬合在一起，形成近橢圓形的較大塌陷坑，直徑13～15 m，深約10 m。

4.2.3 地表塌陷處理措施

1)地表水引流

在地表水溝兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)混凝土攔水壩，壩頂設(shè)置過(guò)水鋼管，鋼管長(zhǎng)度要滿足過(guò)水鋼管跨越塌陷坑。

2)混凝土回填

為防止河床沉降及地表水再次下滲，待洞內(nèi)施工完成，護(hù)拱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在地表塌陷坑位置對(duì)溶腔進(jìn)行混凝土回填，回填至河床高度。施工完成后，對(duì)兩側(cè)攔水壩中間塌陷坑滿鋪防水隔離層，上面鋪砌漿砌片石，恢復(fù)溝形，然后拆除兩側(cè)攔水壩及引水管，確保地表溝水順流。

3)采用袖閥管進(jìn)行注漿加固

當(dāng)隧道正洞淺埋且穿越地表塌陷坑時(shí)，為加固隧道周邊塌陷松軟體及巖溶破碎帶，地表采用φ50袖閥管進(jìn)行注漿加固，間距1 m×1 m，梅花形布置。為避免地表塌陷坑積水，采用土石夯填，夯填至原地面。土石頂表面采用M10漿砌片石進(jìn)行鋪砌，鋪砌厚度30 cm，鋪砌到隧道中線左右兩側(cè)各12 m；其余地段表面采用黏土隔水層進(jìn)行鋪砌，鋪砌厚度50 cm。如圖1所示。

圖1 袖閥管注漿加固

4)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

開(kāi)挖過(guò)程中當(dāng)掌子面出現(xiàn)溶腔或溶洞時(shí)，在加強(qiáng)監(jiān)測(cè)洞頂?shù)乇硭捣植记闆r的同時(shí)，還需采取鋪砌、引流等措施防止地表水下滲至洞內(nèi)，避免造成洞內(nèi)施工條件的進(jìn)一步劣化。施工單位對(duì)洞頂?shù)乇硪资芏磧?nèi)坍塌影響的范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，設(shè)置警戒線及警示標(biāo)志，并派專人進(jìn)行守護(hù)，防止有不明情況的人員靠近危險(xiǎn)地段，導(dǎo)致意外事故發(fā)生。

4.3 隧底處理

4.3.1 隧底揭示情況

隧道開(kāi)挖揭示一古暗河巖溶通道，該通道與線路相交，相交角度16°，相交里程為D3K462+950—D3K463+190，巖溶通道的頂板在隧道頂部上方5 m以上，只在部分區(qū)段隧道頂部可見(jiàn)灰?guī)r出露。

巖溶通道在隧道邊墻外的充填物厚度也均>5 m，巖溶通道底板在隧底以下2～29 m。古暗河巖溶通道目前已經(jīng)填滿充填物，充填物為黏土、卵石、塊石?，F(xiàn)場(chǎng)隧道中水量較小，只是局部有少量滲水，周邊巖層裂隙很發(fā)育，裂隙都充填黏土、土石混雜物。各段落仰拱的巖溶揭示情況：

1)D3K462+885—D3K462+954段隧底多為灰?guī)r，裂隙發(fā)育，充填黏土。

2)D3K462+954—D3K462+957段隧底為充填物，充填物厚2～3 m。

3)D3K462+957—D3K463+252段隧底為溶洞充填物，承載力僅85 kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 隧底基礎(chǔ)處理措施

由于D3K462+885—D3K463+252段隧道底部為巖溶填充物，且填充物局部呈軟塑狀態(tài)，使得沉降無(wú)法滿足高速鐵路沉降要求，施工中應(yīng)對(duì)隧底基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

1)隧道D3K462+885—D3K462+957,D3K463+161 —D3K463+252段基底巖溶填充物深度<3 m，采用C20混凝土換填。

2)隧道D3K462+957—D3K463+161段基底巖溶填充物深度>3 m，隧底采用φ600長(zhǎng)6～28 m微型樁加固，兩側(cè)邊墻樁間距1.35 m×1.39 m，交錯(cuò)布置，其余樁間距1.6 m×1.6 m，等邊三角形布置。隧底巖溶填充物局部呈軟塑狀，為防止微型樁鉆孔時(shí)塌孔，局部鉆孔可增設(shè)鋼護(hù)筒護(hù)壁。襯砌底板采用1 m厚鋼筋混凝土，拱墻采用相應(yīng)圍巖級(jí)別加強(qiáng)襯砌。典型斷面(D3K463+050)微型樁方案布置情況如圖2所示。

圖2 典型斷面微型樁方案布置情況

5 結(jié)語(yǔ)

1)為確保巖溶隧道施工及運(yùn)營(yíng)期的安全，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和施工揭示隧道巖溶后應(yīng)根據(jù)各巖溶地段不同的地質(zhì)特征，逐段進(jìn)行整治。

2)水對(duì)地表松散土層的滲透潛蝕作用和施工對(duì)地下水位的改變是地表出現(xiàn)塌陷的主要原因。因此，在巖溶地段開(kāi)挖隧道時(shí)應(yīng)進(jìn)行地表水引流。在出現(xiàn)地表塌陷坑時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取回填塌陷坑、采用袖閥管注漿加固等措施，同時(shí)要加強(qiáng)對(duì)洞頂?shù)乇硪资芏磧?nèi)坍塌影響范圍的監(jiān)測(cè)。

3)當(dāng)隧道底部為巖溶填充物且填充物局部呈軟塑狀態(tài)時(shí)，充填物深度較小的地段隧底基礎(chǔ)可采用混凝土換填，充填物深度較大的地段隧底基礎(chǔ)可采用微型樁加固處理。

[1]曹化平，王科.鐵路巖溶隧道工程地質(zhì)選線研究[J].高速鐵路技術(shù)，2011(2):31-36.

[2]宋朋超,孫星亮.淺埋巖溶隧道下穿河流段施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2016,56(8):83-85,99.

[3]劉強(qiáng),劉運(yùn)來(lái),徐志華,等.巖溶隧道突涌水來(lái)源及路徑分析[J].鐵道建筑，2016,56(10):63-66.

[4]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.坪山隧道D3K462+885—D3K463+252段巖溶整治變更設(shè)計(jì)[R].成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2012.

[5]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.坪山隧道D3K465+535—D3K465+748段正洞及平導(dǎo)段巖溶整治變更設(shè)計(jì)[R].成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2015.