高鐵隧道穿越巨型空腔深大溶洞處治施工技術(shù)

顧偉

摘要：高鐵隧道穿越巨型溶洞中存在著極大的施工風(fēng)險(xiǎn)，本文以云桂鐵路營盤山隧道穿越巨型溶洞為依托，對繞行、溶洞回填、框架基礎(chǔ)跨越及橋梁跨越四種穿越方案進(jìn)行對比分析，得出溶洞回填在安全性、工期及造價(jià)方面較優(yōu)的結(jié)論。然后依據(jù)隧道和溶洞不同斷面分布的特點(diǎn)，綜合采用了基底注漿加固、混凝土回填、土石回填、洞壁錨噴防護(hù)、二襯多層防護(hù)等措施，確保施工的安全和運(yùn)營安全。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算分析，表明結(jié)構(gòu)的安全性滿足要求。該文的研究結(jié)論可為類似工程提供參考。

Abstract： Great risks exist in construction of high-speed railway tunnels through huge karst caves. This paper is based on the Yingpanshan tunnel of Yunnan-Guangxi railway， which crosses huge karst cave. Four schemes， bypass， backfill， frame foundation and bridge， are compared， the result of which shows that the backfill scheme has advantage in safety， time limit and cost. According to the characteristics of different sections of tunnels and karst cave， base grouting reinforcement， concrete backfilling， earth and rock backfilling， shotcrete-bolt and lining protection are utilized. Numerical analysis shows that the safety of the structure meets the requirements. The conclusion of this paper can provide reference for similar projects.

關(guān)鍵詞：高鐵隧道；巨型溶洞；注漿加固；基底回填；襯砌防護(hù)

Key words： speed railway tunnel；huge karst cave；grouting reinforcement；backfill；lining protection

中圖分類號：[U25] 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0104-05

0 引言

隨著我國高鐵建設(shè)的進(jìn)一步向西南地區(qū)輻射，而相應(yīng)的高鐵隧道在線路總長中的占比也越來越高。我國的云貴地區(qū)存在著范圍極廣的碳酸鹽分布，巖溶洞穴的處理是高鐵穿越該區(qū)域面臨的最為普遍的施工難題。

巖溶洞穴處理應(yīng)根據(jù)隧道與洞穴的位置關(guān)系以及洞穴的大小，采取繞避、加固、封閉堵塞、跨越處理措施[1]。國內(nèi)在處理相應(yīng)隧道工程中也積累的相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，如表1所示。

云桂鐵路客運(yùn)專線云南段營盤山隧道穿越一空腔溶洞，有溶洞規(guī)模較大、隧道從溶洞中上部穿越，施工安全和工后沉降難以控制的特點(diǎn)，施工難度極大。當(dāng)前既有的技術(shù)無法滿足隧道穿越該空腔溶洞的要求，必須從基底處置、洞壁排險(xiǎn)及襯砌防護(hù)等方面進(jìn)行技術(shù)的升級和優(yōu)化，保證施工及后期運(yùn)營的安全。

1 工程概況

營盤山隧道全長3481m，進(jìn)口里程DK394+ 665。設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h雙線無碴軌道隧道。該隧道屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕地貌。巖性為二疊系下統(tǒng)（P1）灰?guī)r，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。

空腔溶洞分布于DK396+440～DK396+700段。從左向右發(fā)育。與線路中線平面交角約11°。溶洞長度260m，寬度10～38m不等，溶洞呈“梨”狀，向上收窄變小，高約10-86m不等。溶洞頂最高處超過拱頂以上35m，軌面以下深度76m，與線路影響范圍170m，溶洞大小約20萬立方米。溶洞內(nèi)部如圖1所示。溶洞的范圍如圖2所示。

洞壁及洞頂坍塌塊石土層呈棕黃色、潮濕、松散形態(tài)，最大塊徑長約20m。溶洞底補(bǔ)勘資料：塊石之間空隙較大，局部充填黏土。DK396+535～ DK396+585段頂板距上層溶洞底板約7～22m塊石土下方發(fā)育有不規(guī)則空溶洞。溶洞內(nèi)水文地質(zhì)特征：溶洞處于巖溶垂直滲流帶，雨季最大積水深約50～100mm，溶洞內(nèi)底板存在暗河等常年巖溶管道水。底部漏斗垂直巖溶管道下滲消失于DK396+635～+665一帶。匯水面積0.01km2，最大流水量1300m3/d。雨季無明顯積水。

綜合分析，整體的溶洞對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響如下：

①DK396+540～+655段隧道從溶洞中部穿越。該處溶洞底部遍布塊石土，并有隱伏空溶洞。影響隧道結(jié)構(gòu)安全。

②側(cè)壁遍布由層理、節(jié)理及溶蝕裂隙切割而形成危石。周邊不穩(wěn)定巖體厚度約5～10m。在地震、爆破震動等情況下，易出現(xiàn)洞壁巖塊掉落或小型坍方，影響施工安全及運(yùn)營安全。

③隧道頂至溶洞頂30余米。溶洞頂層理、節(jié)理及溶蝕裂隙切割明顯，在外力或風(fēng)化作用下，掉落巨石會對隧道頂造成巨大沖擊。

因此，本技術(shù)主要解決如上所述的三個(gè)基本問題。

2 空腔溶洞的處置方案的確定

基于對于安全、工期及投資的方案比選采用：隧道基礎(chǔ)范圍溶洞回填處理方案。

對隧道下部空溶洞進(jìn)行回填處理，為隧道結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)，同時(shí)維護(hù)溶洞壁，避免溶洞壁今后繼續(xù)溶蝕坍塌危及運(yùn)營安全。如圖3所示。

該方案有利隧道洞頂、洞壁防護(hù)措施的處理和施做?；靥畲篌w積砼施工要克服水化熱等帶來的質(zhì)量控制問題，同時(shí)由于溶洞底分布較厚的塊石土，且塊石之間空隙較大，有可能發(fā)生不均勻沉降，需進(jìn)行必要的處理。增加投資約為0.8億元。

3 施工流程及原則

3.1 施工流程

施工流程如圖4所示。

3.2 施工步驟

① 隧道正洞中施工橫通道進(jìn)入溶洞；

②搭設(shè)小防護(hù)棚架對溶洞底大塊石進(jìn)行爆破分解，震動清危及在洞壁定點(diǎn)定向爆破清危；

③從導(dǎo)洞進(jìn)入溶洞后在局部進(jìn)行錨網(wǎng)噴，開始填筑便道；

④平整540-600段場地并開始搭設(shè)540-600段防護(hù)棚架；

⑤開始對535-585段隱伏溶洞鉆孔并灌注稀釋砼，同時(shí)對600-655段用自卸車傾填土石；

⑥防護(hù)棚架從600位置隨填土延伸至655段；

⑦開始對640-645段基底進(jìn)行鋼花管注漿，并對540-640段用袖閥管注漿；

⑧隨注漿的完成從645及540分別開始以縱向10m為單位向中間施工第一層鋼架混凝土，厚度1m；

⑨抬高防護(hù)棚架，施工第二層混凝土，厚度2m，按照2m分層依次施工；

⑩施工正洞明洞段拱部防護(hù)及砂袋填充；

{11}施工正洞至貫通；

{12}利用橫通道進(jìn)行剩余空腔土石方回填；

{13}對填土上方及隧道護(hù)拱上方12m范圍內(nèi)進(jìn)行錨網(wǎng)噴及掛被動網(wǎng)永久防護(hù)。

3.3 處置原則

①隧道結(jié)構(gòu)位于溶洞范圍外，溶洞側(cè)壁距離隧道開挖輪廓距離在10m以內(nèi)時(shí)，對靠線路側(cè)溶洞壁的局部倒懸地段采用混凝土支頂，并結(jié)合其形態(tài)及施工需要對局部地段采用土石或棄碴回填，對一定范圍溶洞壁采用錨網(wǎng)噴防護(hù)。

②隧道結(jié)構(gòu)位于溶洞范圍內(nèi)或隧道結(jié)構(gòu)位于溶洞上方但溶洞頂板基巖厚度小于5m時(shí)，對隧道底部空溶洞采用C20混凝土回填。并在大體積混凝土中設(shè)置空心柱降低混凝土水化熱的措施。

③對基底以下有隱伏空溶洞時(shí)，采用回填砂礫石、砼及砂漿。

④當(dāng)回填混凝土基底為土層時(shí)，對土層采取注漿處理措施。

⑤隧道邊墻及拱部露空時(shí)，必須設(shè)置護(hù)墻、護(hù)拱等保護(hù)層及緩沖層等防護(hù)措施，其防護(hù)厚度不小于3m。

⑥對隧底混凝土回填后剩余的溶洞空腔，采用土石或棄碴對回填混凝土與遠(yuǎn)離線路側(cè)的溶洞壁之間空腔進(jìn)行回填，回填高度按隧底以下5m進(jìn)行控制，并利用土石回填面對溶洞壁進(jìn)行加固防護(hù)。

4 溶洞分段處置措施及內(nèi)容

4.1 DK396+440～DK396+480（40m）

該段溶洞分布于線路左側(cè)，溶洞壁距隧道開挖輪廓線從27m漸變到13m左右，其低于隧道軌面以下約16m?；谔幹迷瓌t，該部分不做處理。

4.2 DK396+480～DK396+540（60m）

對該段隧道側(cè)溶洞壁倒懸部位設(shè)置C20砼進(jìn)行支頂，溶洞處理完成后，利用土石或隧道棄碴對剩余溶洞空腔進(jìn)行分層回填，在土石最后回填完成后，利用頂面平臺，對溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)，其防護(hù)高度為回填頂面以上10m，錨網(wǎng)噴參數(shù)為噴C20砼15cm，鋼筋網(wǎng)采用Φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設(shè)墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。典型處理斷面如圖5所示。

4.3 DK396+540～DK396+655（115m）

K396+540～+655段隧道位于溶洞中部及以上位置，且空溶洞底部分布塊石土、其下部分段落還分布有隱伏空溶洞等，對隧道結(jié)構(gòu)影響大，是處置的主要區(qū)域。根據(jù)不同的段落及具體處理內(nèi)容，分別處置如下：

4.3.1 DK396+540～DK396+585段下層隱伏空溶洞處理

①對下層空溶洞處理采用鉆孔泵送礫石、細(xì)石混凝土等進(jìn)行回填；

②鉆孔采用直徑Φ300mm鉆孔，鉆孔時(shí)按“灌探結(jié)合”原則，兩側(cè)孔布置間距為4m×4m，中間孔布置間距為8m×8m；

③回填時(shí)按先兩側(cè)后中間的順序回填；

④回填完成后，應(yīng)設(shè)置不少于5個(gè)檢查孔進(jìn)行檢查，對空洞較大地段應(yīng)補(bǔ)孔回填。

4.3.2 空溶洞底部塊石土層的處理

①對塊石土進(jìn)行注漿加固處理，通過注漿充填塊石土之間的空隙，提高塊石土層的整體性；

②DK396+540～+640段100m，注漿方式為袖閥管注漿，注漿鉆孔采用直徑Φ76mm，注漿管采用Φ51袖閥注漿管；

③DK396+540～+545段5m，注漿方式為鋼管樁注漿，注漿鉆孔采用直徑Φ91mm鉆孔，設(shè)置Φ76注漿鋼花管。

④注漿前，需先對溶洞底部的大塊石、孤石等進(jìn)行破解、清除溶洞底部的淤泥、軟土等沉積物，并對塊石土層進(jìn)行整平，局部進(jìn)行硬化，以形成注漿平臺。

⑤注漿材料采用C20水泥砂漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6：1～1：1。

⑥當(dāng)鉆孔揭示有較大空腔、裂隙時(shí)，可先采用充填砂、碎石等進(jìn)行充填后再進(jìn)行注漿。

⑦為確保注漿效果，注漿完成后需設(shè)置檢查孔對注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查孔布置按注漿孔的3%進(jìn)行布置。

4.3.3 隧道底部空溶洞回填處理

①DK396+540～+655段115m，對隧底以下空溶洞采用C20混凝土進(jìn)行回填。

②混凝土回填應(yīng)分層、分段實(shí)施，回填共分四層進(jìn)行回填，第一層混凝土厚度為4.5m～12m；施工時(shí)從小里程往大里程方向進(jìn)行回填，縱向分段長度為10～15m，并于回填層內(nèi)設(shè)置型鋼骨架及鋼筋網(wǎng)片，型鋼骨架采用I18型鋼，縱向間距0.5m，鋼筋網(wǎng)片采用Φ22鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20cm×20cm，其中DK396+540～+640段，設(shè)置單層型鋼骨架及鋼筋網(wǎng)片，DK396+640～+655段設(shè)置雙層型鋼骨架及鋼筋網(wǎng)片；

③第二層混凝土厚7.48m～8.71m，底部最寬約32m，平均寬度約25m，設(shè)置1：0.3的外側(cè)坡率；

④第三層混凝土厚8m，底部最寬約27m，平均寬度約21m，設(shè)置1：0.3的外側(cè)坡率；

⑤第四層混凝土厚8m，底部最寬約21m，平均寬度約18m，設(shè)置1：0.3的外側(cè)坡率，其頂部寬度按襯砌結(jié)構(gòu)外5m保護(hù)層基礎(chǔ)寬度及2m施工平臺寬度進(jìn)行控制；

⑥為減少大體積混凝土澆筑過程中的水化熱，在第二、三、四層混凝土澆筑時(shí)分層預(yù)留2.2m×1.8m的空心柱；

⑦各層混凝土在縱向分段澆筑時(shí)，各段之間需設(shè)置變形縫，變形縫寬3cm，其間充填木板或?yàn)r青麻絲；

⑧溶洞處理完成后，利用迂回施工通道中的施工支洞采用土石或隧道棄碴對剩余溶洞空腔進(jìn)行分層回填；

⑨遠(yuǎn)離線路側(cè)溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)，其防護(hù)高度為回填頂面以上10m，錨網(wǎng)噴參數(shù)為噴C20砼15cm，鋼筋網(wǎng)采用Φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設(shè)墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。

4.3.4 隧道邊墻及拱頂空溶洞處理

①DK396+540～+545段，襯砌外溶洞壁厚度小于2m，在隧道開挖前，先利用混凝土回填頂面對隧底以上10～14m范圍的靠線路側(cè)溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)，并于襯砌外設(shè)置不小于3m的混凝土保護(hù)層，二襯施做完成后，在保護(hù)層外側(cè)回填1m厚的沙袋緩沖層。

②DK396+545～+590段，襯砌基礎(chǔ)左側(cè)露空，右側(cè)位于基巖，在隧道開挖前，先利用混凝土回填頂面對拱頂以上4m范圍溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)，并于露空邊墻外側(cè)及拱頂設(shè)置1.5m厚護(hù)拱，護(hù)拱采用C25砼澆筑，內(nèi)側(cè)0.5m設(shè)置鋼筋，護(hù)拱基礎(chǔ)與隧底回填混凝土采用接茬鋼筋連接，拱部與溶洞壁采用錨桿連接；正洞開挖及初支完成后，對護(hù)拱進(jìn)行檢查，在護(hù)拱外側(cè)回填混凝土形成保護(hù)層，保護(hù)層采用C25砼澆筑，基礎(chǔ)寬度3.5m，高15m，邊墻外側(cè)坡率1：0.3，拱部坡率1：5，確保襯砌外最小保護(hù)厚度不小于3m；二襯施做完成后，在保護(hù)層頂部及邊墻外側(cè)回填沙袋緩沖層，并利用保護(hù)層平臺對保護(hù)層以上10m范圍內(nèi)靠線路側(cè)溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)；最后在保護(hù)層頂部設(shè)置一道被動防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)。

③DK396+590～+600段，該段溶洞基礎(chǔ)左側(cè)露空，右側(cè)位于基巖，拱頂以上空溶洞高度小于4m，在隧道開挖前先利用混凝土回填頂面對隧道開挖范圍外的溶洞壁進(jìn)行錨網(wǎng)噴防護(hù)；正洞開挖后，完善拱墻初支鋼架，對溶洞開挖范圍內(nèi)的溶洞壁采用錨網(wǎng)噴初期支護(hù)；對襯砌外側(cè)的空溶洞采用C25砼進(jìn)行回填；邊墻外側(cè)回填混凝土基礎(chǔ)寬度5m，設(shè)置1：0.3坡率，拱頂以上空溶洞采用混凝土回填密實(shí)。

該區(qū)段的處理典型斷面如圖6所示。

4.4 DK396+655～+700（45m）

該段隧道位于溶洞上方，隧底空溶洞頂板厚度超過5m，該段空溶采用土石或隧道棄碴回填，其中溶洞頂部3m范圍采用土石回填較困難區(qū)域采用先縱向埋管，后退灌注混凝土方式進(jìn)行回填，回填材料采用C20砼，其余地段采用土石回填。該段中土石回填與相鄰段混凝土回填同時(shí)進(jìn)行。

為提高該段中溶洞壁的穩(wěn)定性，對該段溶洞拱部10m范圍的溶洞壁采用錨網(wǎng)噴進(jìn)行加固，錨網(wǎng)噴參數(shù)為噴C20砼15cm，鋼筋網(wǎng)采用Φ6鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設(shè)墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。

該段的典型斷面處置如圖7所示。

5 處置過程安全檢算分析

5.1 計(jì)算模型

用ANSYS大型有限元計(jì)算軟件，用Plane42模擬圍巖、注漿加固區(qū)、混凝土回填及襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖的斷面情況分析，混凝土回填量最大的斷面位于DK396+570，軌面距離溶洞底部為33.52m。計(jì)算模型如圖8所示。計(jì)算參數(shù)如表2所示。

5.2 列車荷載的選取

高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中對于列車的豎向荷載按照如圖9所示的ZK標(biāo)準(zhǔn)活載和圖10所示的ZK特種活載進(jìn)行選取。根據(jù)最不利原則，考慮兩列列車同時(shí)作用在該斷面，豎向力分別為250kN。

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算后的豎向應(yīng)力計(jì)豎向位移如圖11和圖12所示。

從兩圖中可以得到：

①在混凝土施作之前，最大的應(yīng)力區(qū)域位于注漿加固區(qū)內(nèi)，且增加的最大應(yīng)力還不足1MPa，是較小的；

②混凝土施作后，隨著混凝土的逐步施作，其最大的應(yīng)力主要位于第一層混凝土板的邊緣，且最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)未超過混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)側(cè)邊的土石回填后，最大的應(yīng)力處于襯砌右側(cè)墻腳下方，也未超過混凝土的強(qiáng)度；

③隨著混凝土的逐步施作，最大的豎向位移值逐漸增大，且最大位移處隨著混凝土層的逐漸加厚而逐漸向上移動，最終處于第一層和第二層混凝土之間；

④在列車活載作用下，混凝土基礎(chǔ)的沉降為0.3mm，遠(yuǎn)小于對無砟軌道的沉降要求（2mm）。

6 結(jié)論

以云桂鐵路客運(yùn)專線營盤山隧道穿越巨型深大溶洞的實(shí)際工程為依托，對比分析不同的處置措施，結(jié)合工程的實(shí)際情況，得到了如下的研究結(jié)論。

①營盤山隧道溶洞主要特點(diǎn)為溶洞規(guī)模較大、隧道從溶洞中上部穿越，施工安全和工后沉降難以控制，采用隧道基礎(chǔ)范圍溶洞回填處理方案有施工速度快、安全性高、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)；

②綜合采用了基底注漿加固、混凝土回填、土石回填、洞壁錨噴防護(hù)、二襯多層防護(hù)等措施，確保施工的安全和運(yùn)營安全；

③通過數(shù)值模擬的計(jì)算表明該方法的安全性是滿足要求的。

隨著云桂鐵路的開通，經(jīng)過2年多的實(shí)際運(yùn)營，表明該施工技術(shù)的安全性和可靠性，具有極強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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