觀音山一級風險隧道掘進遇大型巖溶綜合整治技術研究

曾慶雨

摘要：進行成貴鐵路觀音山隧道工時，隧道多處穿越巖溶發(fā)育地帶，出現(xiàn)多種復雜的巖溶地質(zhì)災害，本項目對不同情況下巖溶地質(zhì)災害的治理技術及手段進行了深入的探索和研究，對隧道底部溶腔填充物創(chuàng)造性地采用了路基復合地基處理的加固技術。以上綜合治理措施取得了良好的效果，為隧道巖溶治理提供借鑒和開創(chuàng)新的思路。

Abstract： During the construction of the Guanyinshan Tunnel in Chenggui Railway， the tunnel passes through the karst development zone and there are many complicated karst geological disasters. The project has carried out in-depth exploration and research on the techniques and means of karst geological disasters under different conditions. The reinforcement technology of the roadbed composite foundation treatment is creatively applied to the cavity filling at the bottom of the tunnel. The above comprehensive treatment measures have achieved good results， providing reference and innovative ideas for tunnel karst management.

關鍵詞：鐵路隧道;巖溶隧道;巖溶水治理;溶腔治理;新技術

Key words： railway tunnel;karst tunnel;karst water treatment;cavity treatment;new technology

中圖分類號：[U25] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0121-04

0 ?引言

山區(qū)隧道施工時巖溶地質(zhì)災害極為常見，尤其在西南地區(qū)的鐵路隧道建設過程中，超半數(shù)隧道均或多或少穿越巖溶發(fā)育地帶。巖溶發(fā)育情況復雜多變，部分巖溶空腔深?；蚴翘畛湮锼绍?部分頂板高懸不穩(wěn)，隨時有可能掉塊沖砸隧道;部分巖溶非常發(fā)育且構(gòu)造復雜，巖溶、巖槽、暗河上下迂回，錯綜重疊;部分巖溶形成巨大空洞。隧道穿越巖溶發(fā)育地帶時往往結(jié)構(gòu)處理復雜，工程艱巨，施工難度大。且在施工時常遇突水、突泥的襲擊和堵塞坑道，嚴重危及施工人員及機械設備安全;如果巖溶災害處治不徹底，會在運營時造成隧道掉拱、滲漏水以及隧底翻漿、冒泥等病害，對隧道安全運營造成嚴重影響。

1 ?工程簡介

新建成都至貴陽鐵路觀音山隧道起止里程為D3K408+879～D3K413+175，全長4296m。在隧道左側(cè)30m設平導一座（2833m），起止里程為PDK410+350～PDK413+183。

觀音山隧道位于貴州省大方縣，隧道所經(jīng)地層以三疊系灰?guī)r、泥巖，二疊系燧石灰?guī)r、硅質(zhì)巖夾頁巖、頁巖夾煤層以及白云巖為主，隧道位于巖溶水水平循環(huán)帶以內(nèi)，不良地質(zhì)主要為巖溶、斷層破碎帶及危巖落石。預測隧道平常涌水量為16801.8m3/d，雨期最大涌水量為38603.6m3/d。全隧圍巖級別主要為Ⅳ、Ⅴ級。

隧道初始風險等級評定為“一級風險隧道”。

2 ?隧道穿超巖溶地帶的處理措施

隧道所經(jīng)處地質(zhì)條件差，巖溶發(fā)育復雜多變，觀音山隧道多次遇到不同的巖溶危害。根據(jù)不同巖溶的結(jié)構(gòu)發(fā)育及巖溶水發(fā)育特征、對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度及施工技術條件等，采取了基底加固、洞頂支撐、跨越、清除換填填充物、疏通、引排巖溶水等綜合治理技術措施。在完工及運營后進行了長期監(jiān)測，巖溶治理段隧道沒有出現(xiàn)病害情況，表明所采取的措施科學有效。下文對本項目有代表的巖溶災害的處理技術措施進行詳細闡述，同時對巖溶治理的方法和思路進行探討，以期能夠給其他項目的隧道巖溶地質(zhì)災害處理帶來借鑒作用和新的治理思路。

巖溶治理主要分為巖溶水治理、隧道穿越溶腔方案及填充型溶腔基底加固等三個方面。

2.1 巖溶水的處理

以往施工實踐表明，常因巖溶水處理措施不當，巖溶水排泄通道不暢，在運營后出現(xiàn)隧道滲漏水，甚至噴射水，嚴重影響隧道的正常安全使用。故在巖溶整治時，巖溶水的發(fā)育特征往往決定了巖溶治理技術及措施的選用，巖溶水的整治需作為處理方案考慮的關鍵及重點。

①隧道揭穿巖溶水通行管道后，破壞了原有水力平衡，徑流條件發(fā)生變化，原有部分堵塞的巖溶排泄管道也被逐漸疏通，涌水量不斷增加，需經(jīng)過一段時間后方可達到重新平衡，即巖溶水的重新平衡具有時間上的“滯后效應”。巖溶治理時，如果不考慮巖溶水“滯后效應”，往往會形成工程隱患?？紤]到巖溶水的滯后特性，遇到巖溶問題時，不能盲目進行襯砌封閉處理，而應對該巖溶所處的地質(zhì)、水文環(huán)境進行詳細調(diào)查、分析，尤其要注意加強巖溶發(fā)育地段的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)條件分析，并結(jié)合雨季觀測情況，對巖溶最大涌水量進行推測、判斷，從而進行合理的整治處理。

尤其是暴雨季節(jié)，加強對涌水量的觀測、設置臨時排水系統(tǒng)等。

②巖溶水處理采取“疏導”的基本原則，保持或是恢復其既有排泄通道。當隧道的修建切斷了巖溶水的疏通管道時，可根據(jù)巖溶管道與隧道空間上的相對位置，修建下穿隧道或上跨隧道的排水通道連接原有排泄通道，使巖溶水能夠順利排出，并結(jié)合溶腔及巖溶水的發(fā)育情況，修建便于后期維護及清淤的設置。

如隧道D3K408+985～+992段發(fā)育一處橫穿隧道的溶腔，溶腔呈左高右低，并在線路范圍發(fā)育至隧道頂部，雨季時巖溶水由隧道左側(cè)向右側(cè)徑流，根據(jù)雨季觀測最大涌水量約為306m3/h;根據(jù)巖溶發(fā)育的形態(tài)，且勘測到巖溶水基本不攜帶泥沙，綜合評估后，采取預留D3K408+986～+992段巖溶水從隧道左側(cè)通過該段拱頂流向隧道右側(cè)的通道，如圖1所示。

注意核實巖溶水量及充填情況，當巖溶水攜帶較多泥沙，則易沉淀淤積，則不宜采用上跨隧道設置排泄通道的方法。采取上跨方式設置巖溶水排泄通道的治理方法時，應加強襯砌結(jié)構(gòu)的防水及抗水壓能力。

③對無明顯巖溶水排泄通道或巖溶水水量較大，原有天然通道不能及時疏排時，需修建排水通道引排巖溶水。通常應用的排水方式有盲溝、泄水孔、水溝改造、集水槽、泄水洞、涵洞、豎井、倒虹吸等設施。該隧道出口段左側(cè)30m設有平導，平導可利用為施工、運營期間的排水通道，為更好的匯集、截排巖溶水，防止巖溶水危及隧道結(jié)構(gòu)安全，可以通過設置集水槽、廊道及集水鉆孔等集水措施匯集巖溶水后排向平導。

如隧道D3K412+351～+359段就采用了涵洞、集水通道、集水鉆孔等綜合手段處理巖溶水。隧道D3K412+355右側(cè)（遠離平導一側(cè)）邊墻中部有一集中出水點，經(jīng)雨季觀測最大出水量11380m3/d，僅對隧道側(cè)溝改造無法滿足排泄要求，故利用增設的涵洞及排水橫通道將巖溶水排至平導，并對平導進行順坡改造;同時為確保該巖溶水及時有效的截排，沿隧道左側(cè)設置集水通道，在集水通道巖石側(cè)壁及頂部鉆設？準89匯水孔。該處巖溶水引排系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 隧道穿越巖溶腔穴的處理方案

觀音山隧道巖溶腔穴形態(tài)各異，發(fā)育規(guī)模大小不一，處理巖溶腔穴時，重點要落實溶腔的發(fā)育形態(tài)以及溶腔與隧道的相對位置關系，然后才能有的放矢，采取有針對性的處理措施。

2.2.1 隧頂以上溶腔的處理

對發(fā)育至隧道洞頂以上的溶腔，一般采取襯砌背后回填的措施，但揭示的溶腔有的頂板高懸，有的溶腔橫向跨度大、穩(wěn)定性差，如果仍采用常規(guī)回填密實的措施，不僅回填量大，技術經(jīng)濟不合理;且回填體重量過大，導致襯砌結(jié)構(gòu)承受的荷載增大，存在安全隱患。因此在制定隧頂以上溶腔處理方案時，根據(jù)溶腔發(fā)育的高度、跨度以及洞壁穩(wěn)定情況，采取回填、支頂、設置緩沖層以及巖壁防護等綜合處理措施，并對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行相應的加強。

當溶腔沿隧道橫道空腔較長，即溶腔橫向跨度較大時，通常結(jié)合溶腔發(fā)育情況設置支撐縮小溶腔的跨度;當溶腔頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，可考慮采取明洞支頂結(jié)構(gòu)。觀音山隧道D3K410+125處穿越溶腔，溶腔底部為粘性土、碎塊石土填充。巖層產(chǎn)狀平緩，溶腔頂板面順巖層面發(fā)育，溶腔橫向跨徑達18m，在揭示溶腔時洞頂曾發(fā)生坍塌現(xiàn)象。根據(jù)巖溶發(fā)育情況，在隧道右側(cè)設置7.5#漿砌片石支撐墻作為頂板防護（如圖3所示），降低溶腔跨度，提高溶腔安全穩(wěn)定性，支撐墻基底處理與隧道底基底處理方法相同。

2.2.2 隧底溶腔的處理

當隧道洞身以下發(fā)育有溶腔時，為確保隧道的運營安全，需要根據(jù)溶腔發(fā)育的不同形態(tài)及溶腔與隧道的相對位置關系采取治理措施。隧道洞身以下溶腔對隧道洞身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及襯砌承載的影響較大。通常隧道溶腔發(fā)育復雜多變，可采用跨越、回填、支頂?shù)榷喾N處理措施。

①采取跨越方案。

隧道跨越底部溶腔常采用梁跨、拱跨、框架跨等幾結(jié)構(gòu)形式。

1）梁跨結(jié)構(gòu)適用于巖溶水發(fā)育、不宜進行回填的溶腔、難成孔或是易卡鉆的填充型溶腔，通常分簡支梁、連續(xù)梁兩種形式。

隧道DK412+329處發(fā)育溶腔，溶腔走向與線路走向大致垂直，并向兩側(cè)延伸。主溶腔沿線路方向?qū)捈s19m，最大洞高約15m，橫向?qū)捈s50m，溶腔頂板略高于隧道拱頂，溶腔洞壁及洞頂巖層節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，巖層產(chǎn)狀平緩。經(jīng)對隧底補勘，溶腔底堆積碎石土厚約17m，并夾有軟塑粘土透鏡體，其上為6～8m厚的隧道棄碴，主溶腔向線路右側(cè)延伸約20m處有一落水洞，有小股狀水流流入，根據(jù)地質(zhì)評判，洞內(nèi)地下水極可能順基巖面流動，宜采用跨越措施。對該溶腔頂板處理時，考慮到該溶腔的頂板為完整基巖，穩(wěn)定性較好，如采取兩側(cè)單獨支頂?shù)拇胧瑒t有支頂漿砌圬工量大、支墩基礎不穩(wěn)定的問題，故采用雙耳墻明洞支頂結(jié)構(gòu)，并對線路兩側(cè)15m范圍內(nèi)的溶腔頂板施做錨網(wǎng)噴防護。溶腔處理斷面如圖4所示。線路行車部分設置設1-32m梁，兩側(cè)邊墻設置三跨樁基托梁。

2）結(jié)合溶腔的發(fā)育特點，在其他鐵路隧道施工時，還創(chuàng)造性的采用了拱跨結(jié)構(gòu)跨越溶腔，拱跨結(jié)構(gòu)的特征：上部縱梁通過立柱與下部拱形支撐連接，形成剛性結(jié)構(gòu)。其主要適用于溶蝕下切較深，兩側(cè)巖體有穩(wěn)定基礎，其跨度施做簡支梁困難、施做樁基托梁工程技術不經(jīng)濟的空溶腔。

②回填、支頂措施。

當巖溶水不發(fā)良，且底部填充物數(shù)量不大、深度淺的溶腔，可采用漿砌片石、干砌片石和混凝土等進行換填、支頂處治。

隧道底回填：觀音山隧道D3K410+803處為一半充填溶腔，隧底左半側(cè)為溶腔充填粘土夾塊石，右半側(cè)發(fā)育不規(guī)則，填充物較為松散，隧底下厚度為1.6m～3.8m為防止不均勻沉降，清除隧底填充物，采用漿砌片石回填處理。

支頂措施：隧道D3K411+208處隧道洞身以下發(fā)育一處溶腔，溶腔斜穿線路，溶腔頂與隧道底之間的頂板厚為0～7m，溶腔寬5～16m，高5～12m，底部堆積有少量塊碎石及粘土和積水，洞壁基巖完整。因頂板厚度與寬度的比例沒能超過1，所以該溶腔頂板存在安全厚度不足的問題。施工采取了設置支撐柱降低溶腔跨度，并對頂板輔以噴錨網(wǎng)防護，支撐柱長7～24m，截面1.5m×1.5m及2.0m×2.0m兩種，柱中心縱橫間距不大于5m，柱與洞壁間凈距不小于3m，支撐柱基礎嵌入完整基巖。具體見圖5所示。

2.3 復合地基加固技術在隧底充填型溶腔中的應用

復合地基是指由兩種剛度（或模量）不同的材料（樁體和樁間土）形成承受上部荷載的整體地基，其基本原理是通過改良地基土，利用群樁效應來增強地基的承載能力。復合地基以前在軟土地基中大量應用，但很少在隧道巖溶治理時應用，觀音山隧道在穿越軟土充填且?guī)r溶水不發(fā)育的溶腔時，大量運用復合地基進行基底加固處理，取得了較好的工程效果。

復合地基主要適用于巖溶水不發(fā)育、填充物不易流失的填充型溶腔，隧道內(nèi)復合地基與常規(guī)復合地基相比，主要的特點是隧道內(nèi)的施工操作空間受限制，因此在隧道穿越采用復合地基加固處理的填充溶腔時，施工隧道洞身時一般預留一定的沉降變形值。溶腔填筑物復合地基加固通常采用鋼管樁、旋噴樁、楔形樁等。

觀音山隧道D3K410+125處發(fā)育溶腔，溶腔底充填大量粘性土、碎塊石土，經(jīng)鉆孔揭示，隧底溶腔充填物最大厚度為26.3m。鉆孔揭示隧底溶腔充填物有水，分析為施工用水流入所致。地下水不發(fā)育，充填物不易流失，故采用復合地基處理，采用深10m？準500旋噴樁加固（如圖3所示）。

隧道D3K413+106處發(fā)育填充型溶腔，該溶腔全填充圓礫土，礫徑3～5mm，地下水不發(fā)育，深度超28m，采用？準75鋼管樁注漿加固。

采用復合地基理技術加固溶腔內(nèi)填充物既利用了天然地基承載力，且能減少開挖換填的工程量，降低造價，得了良好的技術及經(jīng)濟效果，得到了業(yè)主及設計單位的高度評價。

3 ?結(jié)束語

由于巖溶發(fā)良的情況復雜，其形態(tài)也是復雜多變的，且具有不可預知的特性，現(xiàn)有的地質(zhì)勘察技術及手段難以完全探明，故在進行巖溶治理時，在詳細探明巖溶水及溶腔發(fā)育情況的基礎上，本著敬畏自然，綜合治理的原則，考慮的“滯后效應”，巖溶水以“疏導”為主要治理手段。

復合地基技術在鐵路、公路路基及場坪性軟基處理加固中應用非常普遍，效果顯著，但用于加固處理隧道內(nèi)溶腔填充物的案例非常少。觀音山隧道結(jié)合巖溶發(fā)育特征及施工條件，優(yōu)選一些先進的復合地基處理技術，并適當優(yōu)化調(diào)整后運用于隧道巖溶填充物加固處理中，具有極大的應用推廣價值。

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