運營高鐵隧道上方大型溶洞整治方案研究

周保安　樊永杰　馬相峰　王立川　劉子琦

摘要：為解決運營高鐵隧道上方大型季節(jié)性溶洞涌水病害，以開通運營的渝黔鐵路某隧道為例，在綜合考慮預算、工期和可行性的基礎上，否定原泄水洞方案后提出了“護拱+填堵+引排”相結合的優(yōu)化方案，并對檢視了建設期的設計施工，提出了隧道水害治理理念。得到研究成果：施工對溶洞充填物的擾動及非膠結回填使其變?yōu)槌渌蜻^水溶洞，強降雨時徑流水混合泥砂進入隧道形成水害;泄水洞整治方案實屬大材小用且必要性不充分，提出的“護拱+填堵+引排”優(yōu)化方案在工期、預算、可行性等方面，均可達到較好效果，更符合工程實際;需在建設期做足夠調(diào)查、專業(yè)分析并采取落地的針對性措施，才能減少或避免隧道上方大型溶洞帶來運營期的安全隱患。

Abstract： n order to solve the large seasonal karst cave water gushing disease above the high-speed railway tunnel， taking the operation of a tunnel of Yu-Qian Railway as an example， based on the comprehensive consideration of budget， time limit and feasibility， the optimal scheme of "protecting arch filling and plugging and drainage" is put forward， and the design and construction of the construction period is reviewed. The research results are as follows： the disturbance of the construction to the filling of the cave and the non-cemented backfill make it become a water-filled or water-soluble hole， and when the rainfall is heavy， the mixed mud sand of the runoff water enters the tunnel to form the water damage. The improvement scheme of the spillway tunnel is actually overqualified and not necessary. In order to reduce or avoid the safety hidden danger caused by the large cave above the tunnel， the optimal project can achieve better results in terms of time limit， budget， feasibility and so on， which are more in line with the engineering practice. It is necessary to do sufficient investigation， professional analysis and take targeted measures during the construction period in order to reduce or avoid the potential safety hazards caused by the large karst cave above the tunnel during the operation period.

關鍵詞：運營高鐵;隧道上方;大型溶洞;涌水病害;優(yōu)化方案

Key words： operation of high-speed rail;above tunnel;large cavern;water gushing disease;optimization scheme

中圖分類號：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0123-03

1? 緒論

溶洞是可溶性巖石在化學溶蝕和沉淀作用下形成的地下空洞，西南地區(qū)分布尤為廣泛，作為隧道工程常見不良地質(zhì)之一，增加設計、施工難度的同時，若處置不當，極有可能為后期運營埋下巨大安全隱患[1-5]，眾多學者和技術人員對隧道中的溶洞處理進行了大量研究[6-10]。

本文以開通運營的渝黔鐵路某隧道上方大型季節(jié)性涌水溶洞為對象，通過現(xiàn)場勘驗、設計施工資料調(diào)研、溶洞與地表貫通性測試、病害發(fā)展梳理等過程，對病害成因和泄水洞方案進行了分析和探討，以“護拱+填堵+引排”的優(yōu)化方案對溶洞涌水病害進行整治，并提出了隧道水害的整治理念，以期為類似隧道病害防治提供借鑒參考。

2? 工程概況

2.1 施工揭示及設計處理

渝黔鐵路某隧道全長3491m（進口里程DK102+590，出口里程DK106+081），人字坡設計，隧道最大埋深約402m，有砟道床，隧道洞身DK105+710～+820段穿越灰?guī)r、白云巖可溶性巖層，右側為地下水主要來水側，埋深30～58m。2014年2月26日，在DK105+790處揭示填充型溶洞，溶洞壁巖體溶蝕破碎厚度0.1～1m不等，填充物有粉質(zhì)黏土、破碎石及角礫，見圖1。

2014年6月3日7時～6日13時DK105+785右側溶洞出現(xiàn)較大涌水，涌水前期水質(zhì)較渾濁，據(jù)抽水量測算平均涌水量7335m3/d，推測最大涌水量23250m3/d。設計方案為鑿除周圍松散巖土并噴砼加固，空腔處設置1.5m厚護拱，底部回填M10漿砌片石，上部夯填土石;+770處右側設置集水洞室，并通過4個50×50cm涵洞引排水至中心水溝，見圖2。

2.2 隧道現(xiàn)狀及前期處置

2019年6月22日強降雨后，該隧道DK105+710～+820段施工縫多出滲漏水，其中右線DK105+725和左線DK105+790兩處位于接觸網(wǎng)上方，影響行車安全，增設兩處接水板。洞內(nèi)采取措施如下（見圖3）：

①疏通既有泄水孔，于邊墻底部及集水洞室內(nèi)增設Φ 100泄水孔（實際表明，泄水孔較快被堵塞）;

②邊墻滲漏水較嚴重的施工縫進行鑿槽引排。

洞外地表DK105+770線路左側103m發(fā)現(xiàn)發(fā)育溶洞，洞口直徑約5m，為避免暴雨后大量地表水匯集徑流入落水洞，對落水洞洞口采用砼進行封堵;于地表設置排水溝，引排落水洞上游地表水匯集。

3? 方案研究

3.1 病害原因分析

為對溶洞進一步進行探查和處置，2019年11月于DK105+780線路右側16m處設置深約36m的豎井進入溶洞內(nèi)部，經(jīng)重新探測，洞廳長×寬約35.6m×26.8m，洞頂總體平順，最高處約10m，且線路左右兩側溶洞各有一較大出水口，分別長41.9m和13.1m，在地表其他明顯裸露洞口點火放煙后，豎井有大量煙冒出，說明溶洞與地表相通，雨水可以通過地表巖溶管道進入溶洞，見圖4。

溶洞內(nèi)沙土大量堆積且底部有積水，洞頂存在鐘乳石，表明溶洞天然狀態(tài)下非完全充填，洞周泥沙痕跡表明其接近于全充填，接近于全充填狀態(tài)下，外來水較小，不足以形成徑流場。而施工擾動及水流大面積沖刷，使充填溶洞成為充水或過水溶洞，泥沙大量被徑流水帶入隧道，形成了雨季時的水害。

3.2 整治設計及不足

設計單位提出兩個泄水洞方案（圖5）。

方案一：左側泄水洞方案，設于線路左側與正洞交于DK105+775處，長約100m，坡度2.5%，出口接長約455m的溝槽后與下游泄水洞（長375m）或涵洞相接，引排至自然水溝;

方案二：右側泄水洞方案，設于線路右側50m、長578m、坡度1%，并于XSDK0+ 055處設一支洞與正洞揭示溶腔相聯(lián)通，泄水洞出口接約170m排水溝，并于既有公路右側設置一蓋板涵（約300m）引排水至自然溝槽。

兩個方案泄水洞內(nèi)凈空均設計為4.5m×5.0m，洞口淺埋及交叉口（構筑物）段采用非爆破開挖，其余段落控爆開挖，加強超前地質(zhì)預報與超前支護措施;對溶洞內(nèi)淤泥進行清除，并采用砼回填至拱頂50cm。

泄水洞方案可能徹底整治溶洞涌水，但是存在以下問題：①投資過大：左側“100m泄水洞+455m溝槽”，右側“578m泄水洞+170m排水溝+300m蓋板涵”，數(shù)百米的非爆和控爆開挖，工程費用極高，達千萬元。②工期過長：較長泄水洞，基本無法保證明年雨季之前完成施工，明年雨季可能會遭遇同等甚至更嚴重涌水病害，影響運營。③可行性不高：左側泄水洞雖然較右側泄水洞短，但是泄水洞出口位置需下穿既有國道，限于場地問題，交通導改極為困難。

3.3 方案優(yōu)化調(diào)整

經(jīng)過分析，設計單位提出的泄水洞方案，雖然有徹底解決溶腔涌水的可能性，但是在投資、工期、可行性等方面均不理想，同時根據(jù)監(jiān)測水量，泄水洞實屬“大材小用”，沒必要盲目施作。因此，對泄水洞方案持否定態(tài)度，針對溶洞現(xiàn)狀和周邊環(huán)境，提出“護拱+填堵+引排”相結合的整改方案：①現(xiàn)場勘驗發(fā)現(xiàn)，施工過程中護拱施作不到位，因此首先將淤積泥沙清理至基巖，在支護外側2m范圍內(nèi)施作護拱，護拱與基巖密貼，并在護拱基礎附近實施裂隙注漿封堵至仰拱以下1.5m以上，以減小滲漏水。②將與溶腔四周連通的巖溶管道出水口進行封堵，尤其是左右兩側較大出水口，可實施分段高壓注漿封堵，地表巖溶管道同樣進行封堵，以截斷水流來源。③護拱之外先實施非透水性材料分層回填并夯實至壓實度不低于80%，原隧道結構2m以上采用輕質(zhì)砼等膠結材料將溶洞全部充填密實，盡量恢復其原生態(tài)，防水的同時減小護拱承重。④護拱砼內(nèi)預留豎向排水管并引至溶洞頂板，管口采取過濾泥沙措施防止管道堵塞，排水管底部與洞內(nèi)連通，隧道水溝蓋板外側根據(jù)填堵后可進入溶腔的預估水量進行開孔引排，允許部分水回流。

優(yōu)化方案大大減小了工程預算、縮短了工期，且無需顧及運營天窗，隧道側壁鑿孔在夜間正常天窗時間即可完成，同時洞內(nèi)泥沙可進行一定程度利用，泥沙拌生石灰結合馬賽球等材料，形成輕質(zhì)砼且其膠結膨脹有利于封水。

4? 檢視與探討

自2019年6月病害發(fā)生至今，從臨時處置、豎井鉆探、方案初擬到調(diào)整確定，歷時6個月，最終確定采用優(yōu)化方案。自施工揭示到方案設計，其存在的問題及反思如下：①溶洞揭示后，采用常規(guī)非膠結回填的設計和施工對策，水流致使泥沙進入隧道，原天然狀態(tài)接近全充填的溶洞變?yōu)槌渌蜻^水溶洞，泥沙下漏，增加了水力場的影響。②泄水洞方案可能徹底整治，但必要性不充分，其預算、工期、可行性均不理想，故予以否決并提出新的整改方案。③最終方案確定為“護拱+填堵+引排”相結合，施加護拱增加隧道結構安全性，對溶洞和巖溶管道進行填堵減少水流來源和溶洞蓄水量，允許少量進入溶洞的水順管道流入隧道排水溝，此方案解決了工期和工程量，具有較強可行性。④隧道水害治理的原則，應是先強堵、后暢排，阻止?jié)B流場變成徑流場。本工程設計施工的不當處置，使原生狀態(tài)的滲流場變成了徑流場，為后期運營階段埋下安全隱患。

5? 結論與建議

①施工對溶洞充填物的擾動及非膠結回填，使得充填型溶洞變?yōu)槌渌蜻^水溶洞，改變強降雨時的水流狀態(tài)，徑流水混合泥砂進入隧道形成水害。

②泄水洞整治方案實屬大材小用且必要性不充分，提出的“護拱+填堵+引排”優(yōu)化方案在工期、預算、可行性等方面，均可達到較好效果，更符合工程實際。

③對于隧道上方存在大型溶洞時，需在建設期做好足夠調(diào)查、專業(yè)分析并采取落地的針對性措施，才能減少或避免帶來運營期的安全隱患。

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