安六鐵路對門寨隧道大型溶洞群形成機理分析及整治方案設(shè)計

周關(guān)學 王科 馮濤

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 工程概況

安順至六盤水高速鐵路東接滬昆客運專線安順西站，向西經(jīng)六盤水市六枝特區(qū)，于六盤水樞紐水城站接軌后利用既有滬昆鐵路至六盤水站，運營長度124.65 km，設(shè)計時速250 km，是六盤水市至貴陽市的快速鐵路通道［1］。

對門寨隧道起止里程為DK33+844—DK35+600，全長1 756 m，線間距4.6 m，全隧位于5%的單面上坡。在隧道進口工區(qū)施工揭示出大型溶洞群，其中：隧道中溶洞里程為DK34+110—DK34+215，DK34+340—DK34+450，泄水洞中溶洞里程為XDK34+380—XDK34+495。溶洞處隧道埋深20～40 m。對門寨隧道隧底溶洞平面如圖1所示。

圖1 對門寨隧道隧底溶洞平面示意

2 隧址區(qū)巖溶地質(zhì)環(huán)境

2.1 地層巖性與地貌

對門寨隧道屬于低山丘陵區(qū)，地面高程1 318.5～1 751.1 m，相對高差432.6 m。隧道地表巖溶漏斗、洼地、落水洞及溶蝕溝谷發(fā)育。線路左側(cè)為溶蝕槽谷區(qū)，右側(cè)山脊為測區(qū)最高峰老鴨山。

隧道穿越三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）和下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）地層，DK34+110—DK34+450 段溶洞發(fā)育段地層巖性為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組一段（T1yn1）的淺灰色至深灰色中厚～厚層灰?guī)r夾少量白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于揚子地臺之滇黔川鄂臺褶帶。隧道位于六枝向斜北東翼，巖層產(chǎn)狀為 N50°～85°E/30°～40°SE，兩組張節(jié)理產(chǎn)狀為N50°E/90°和N60°W/90°，張節(jié)理在溶蝕作用下形成巖溶裂隙及巖溶管道，控制地下水流向［2-3］。

2.3 水文地質(zhì)

2.3.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

該隧道北側(cè)為六枝向斜北翼（大煤山背斜南翼），山脊為長江水系與珠江水系的分水嶺［4］，分水嶺北部地下水流向N 及NE 方向，匯入烏江；分水嶺南部地下水流向S 及SE 方向，流經(jīng)六枝河，最后匯入北盤江。六枝向斜屬于珠江流域北盤江水系，向斜核部地表沖溝發(fā)育，軸部溶蝕槽谷內(nèi)地表水及地下水豐富。

2.3.2 巖溶水的補給、徑流和排泄

地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水豐富。隧址區(qū)地下水總體由北流向南，由線路右側(cè)流向左側(cè)。大氣降雨在大煤山背斜的最高峰老鴨山一帶匯集，沿含煤地層的地表沖溝流至可溶巖與非可溶巖分界線時，在接觸帶灰?guī)r側(cè)巖溶發(fā)育的耳紅村大洞口和蘇家寨村龍灘口匯集并轉(zhuǎn)入地下暗河［5］。地下暗河流經(jīng)對門寨隧道隧底溶洞群后，受非可溶巖地層影響，由西向東流入黑曬河，流程長約4 km。對暗河出口泉點進行了一個雨季的觀測，暴雨時最大流量42 163 m3/d。對門寨隧道水文地質(zhì)圖見圖2。

圖2 對門寨隧道水文地質(zhì)圖（高程單位：m）

3 溶洞地質(zhì)補勘

3.1 DK34+110—DK34+215段溶洞

上臺階施工至DK34+195 時發(fā)現(xiàn)拱頂發(fā)育溶洞，暴雨時溶洞及其周邊裂隙有小股水流出，水量約150 m3/d。下臺階施工至DK34+164 時，左側(cè)隧底揭示一溶洞，溶洞口沿線路方向長約5 m，垂直線路方向?qū)捈s7 m，可測深度約36 m。溶洞口自穩(wěn)性較差。

3.1.1 溶洞大廳測量

在DK34+164 隧底揭示出大型溶洞，溶洞口長8～10 m、寬6～11 m，近方形。溶洞大廳巖層產(chǎn)狀N85°E/30°SE，節(jié)理產(chǎn)狀N50°E/90°，N60°W/90°。該溶洞主軸與線路交角40°～54°，主軸長約189 m（線路左側(cè)、右側(cè)分別長67，122 m），溶洞最深約46 m，最寬約38 m。該溶洞沿區(qū)域性張節(jié)理（產(chǎn)狀N60°W/90°）延伸，溶洞走向與巖層傾向基本一致。石鐘乳、石柱發(fā)育，溶洞底可見積水潭，洞頂坍塌嚴重。DK34+164 隧底溶洞主軸斷面如圖3所示。

3.1.2 物探及鉆探補勘

圖3 DK34+164隧底溶洞主軸斷面示意圖

經(jīng)物探及鉆探補勘［6-7］，隧底溶洞口高程1 376.85 m，溶洞底部最低高程1 323.81 m，溶洞頂板厚度0 ～19.3m，溶洞高度5～53 m。溶洞高程1 376.85 ～1 330.10 m 段無充填物，高程1 330.10～1 323.81 m 段有充填物，充填物為松散的碎塊石，碎塊石表面有沖積的薄層黃色黏土。

3.1.3 地下水觀測

溶洞大廳底部可見出水點和積水潭，出水點高程1 338.5 m，水量約3 000 m3/d，水質(zhì)清澤，洞壁可見水淹痕跡線。DK34+120.92 左側(cè)50.106 m 處溶腔壁水淹痕跡線高程1 338.99 m；DK34+126.85左側(cè)12.23 m處溶腔壁水淹痕跡線高程1 341.351 m，隧底距溶洞內(nèi)最高水位痕跡線的垂直距離為35.50 m。

3.2 DK34+340—DK34+450段溶洞

3.2.1 溶洞大廳測量

DK34+340—DK34+450 段施工中揭示出空溶洞（圖 4），溶洞壁巖層產(chǎn)狀N80°E/30°SE。溶洞分布：①DK34+345—DK34+390 左側(cè)邊墻及拱部，溶洞寬0.3～5.2 m，高 2～10 m，無 充 填 。 ② DK34+405—DK34+430 段左側(cè)19.0 m 至右側(cè)0.5 m 范圍及拱頂以上，溶洞長約42 m，寬3～5 m，高5～15 m，無充填，溶洞底部為過水通道。DK34+415 右側(cè)2 m 處的溶洞向右斜穿線路，并延伸出右邊墻外，溶洞長約11 m，寬0.3～2.0 m，高0.5～5.0 m。

圖4 DK34+340—DK34+430段隧道左邊墻縱斷面示意

3.2.2 溶洞地質(zhì)補勘

經(jīng)地質(zhì)補勘，隧底溶洞頂板厚度0～10 m，高度1.0～5.4 m，溶洞分布于 DK34+360—DK34+430 段左邊墻及線路左右線，高程1 362.50～1 375.79 m。

3.2.3 地下水觀測

DK34+405—DK34+440段溶洞底部左側(cè)有地下水流動，水深約1 m，水流量約60 m3/d。DK34+409—DK34+415段左側(cè)10～19 m溶洞底部有積水潭，水深約10.1 m，洞腔壁最高水位線高程1 371.768 m。旱季水位高程1 368.648 m，比隧底約低6.4 m；暴雨時積水潭水位上升至高程1 374.074 m，比隧底約低1.0 m。

3.3 XDK34+380—XDK34+495段溶洞

本隧道進口至DK34+425段線路右側(cè)30 m設(shè)計泄水洞，泄水洞起止里程XDK33+818—XDK34+478，全長660 m。泄水洞開挖至XDK34+444 時，坑底發(fā)現(xiàn)一溶洞，溶洞口長約5 m，寬約5 m，深不見底。溶洞向線路右側(cè)和左側(cè)都有較長的延伸，溶洞內(nèi)部呈不規(guī)則形狀，巖溶管道發(fā)育且復(fù)雜，有塌陷風險［8］。

3.3.1 溶洞測量及補勘

XDK34+380—XDK34+495 段揭示溶洞主軸與泄水洞交角為20°，40°，主軸長約155 m，隧底溶洞最深約43.6 m，最寬約35 m，巖層產(chǎn)狀N45°E/35°SE，溶洞順巖層面斜向下發(fā)育，為半充填型溶洞。隧底以下35 m 范圍為空溶洞，溶洞底部有洞頂坍塌的碎塊石及粉土堆積，堆積物厚度0～20 m。粉土層呈飽和狀，厚0～3 m。該溶洞已伸入鐵路隧道底以下，頂板厚18 m，寬1～8 m，高4.5～20.0 m，溶洞與隧道相交后逐漸尖滅。XDK34+444處坑底溶洞主軸斷面如圖5所示。

圖5 XDK34+444處坑底溶洞主軸斷面示意

3.3.2 地下水觀測

XDK34+380—XDK34+495 段溶洞上游可見臺階狀陡崖，陡崖腳可見積水塘，積水塘面積約324 m2，水塘深約3～5 m，水位高程1 328.07 m，積水塘水位距泄水洞坑底垂直距離為43.27 m。推測地下水位位于泄水洞坑底以下15～20 m。

4 溶洞群形成機理分析

4.1 有利的碳酸鹽巖組

永寧鎮(zhèn)組一段中～厚層隱晶質(zhì)灰?guī)r地層為巖質(zhì)純的碳酸鹽巖組，該巖組巖溶化程度高。

4.2 受構(gòu)造節(jié)理裂隙控制

位于六枝向斜北東翼的對門寨隧道受向斜構(gòu)造影響，測區(qū)N50°E/90°和N60°W/90°兩組張節(jié)理發(fā)育，巖層面及張節(jié)理為地下水活動和巖溶作用提供了有利條件。

4.3 大氣降雨及地下水的作用

測區(qū)降雨豐沛，年平均降雨量1 200 mm，植被發(fā)育。大氣降雨在通過空氣和土壤時水中的游離CO2增加，增強了對碳酸鹽巖的溶蝕作用［9］。富含大量CO2的地下水順著巖層面和張節(jié)理下滲，朝向斜核部的溝槽移動，增強了隧道巖溶的發(fā)育程度。

4.4 可溶巖與非可溶巖分界線的影響

隧道洞身兩側(cè)巖溶受可溶巖與非可溶巖地層接觸帶的影響和控制。隧道洞身位于兩套非可溶巖地層夜郎組（T1y）和關(guān)嶺組一段（T2g1）之間的永寧組一段（T1yn1）可溶巖地層中，巖溶及巖溶水特別發(fā)育。

4.5 地下暗河徑流控制溶洞發(fā)育方向

大煤山匯集的地表水沿上二疊統(tǒng)煤系地層和夜郎組非可溶巖地表沖溝徑流，流至T1yn1灰?guī)r地層時，在耳紅村大溶洞口和蘇家寨村龍?zhí)犊诜謩e匯入地下，形成2條地下暗河。地下暗河由線路右側(cè)流經(jīng)對門寨隧底，在 DK34+110—DK34+215，DK34+340—DK34+450 和XDK34+380—XDK34+495 形成大型溶洞群。溶洞群主軸方向與地下暗河徑流方向一致。

5 溶洞群整治方案設(shè)計

5.1 隧底低水位溶洞分層間隔回填處理

對地下水位低的DK34+120—DK34+190 和XDK34+380—XDK34+495 隧底溶洞采用“棄渣+C20 混凝土”分層間隔回填［10-11］，回填層厚度3 m（圖6）。其中棄渣層回填分層進行，分層厚度1 m，并碾壓密實，壓實度K≥ 0.95。

圖6 DK34+120—DK34+190段隧底巖溶處理（高程單位：m）

巖溶空腔大，為避免回填完成后基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，回填施工前對擋墻及回填體基礎(chǔ)采用φ76 mm鋼管樁加固。鋼管樁間距1 m（縱向）×1 m（橫向），加固深度應(yīng)嵌入完整基巖1 m。

回填體兩側(cè)設(shè)置C25混凝土擋墻，擋墻頂寬1.5 m，胸坡坡度1∶0.3。擋墻內(nèi)設(shè)置鋼管腳手架，用以外掛模板澆筑混凝土。

溶洞內(nèi)地下水總體由北向南流動，在底層（C20混凝土回填層）底部及頂部、第2 層（C20 混凝土回填層）頂部，分別埋設(shè)3 排鋼筋混凝土管，每排3 根，間距1.5～2.0 m，其中第1 排、第3 排管直徑100 cm，第2 排管直徑150 cm。排水坡坡度為2%。

DK34+164處隧底巖溶處理完成后，在隧底設(shè)置沉降觀測點，共布置 5 個斷面（DK34+145，DK34+150，DK34+155，DK34+160，DK34+170），每個斷面埋設(shè)3個觀測點。經(jīng)過1 年多觀測，工后沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。

5.2 隧底高水位溶洞樁筏結(jié)構(gòu)處理

對地下水位高的DK34+340—DK34+450 隧底溶洞采用樁筏結(jié)構(gòu)通過。鉆孔樁樁徑1.25 m，樁長4～12 m，樁間距3.5 m（橫向）×3.5 m（縱向），采用C35 鋼筋混凝土，樁底嵌入基巖深度2 m。

樁頂筏板橫向?qū)?3.30～17.80 m，筏板厚1.5 m，采用C35 鋼筋混凝土。筏板橫向施工縫間距10 m，且設(shè)置于2排樁中間位置。

5.3 隧道洞身巖溶處理

洞身DK34+340—DK34+450 左邊墻及拱肩溶洞空腔設(shè)2 m 厚C20 混凝土護墻。左墻腳溶洞空腔、拱部及右拱肩溶洞空腔采用C20混凝土回填密實。空腔壁采用錨網(wǎng)噴防護［12］：噴C25 混凝土，厚10 cm；φ8 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm；φ22砂漿錨桿長4 m，間距1.0 m（縱向）×1.0 m（橫向）。

為加強地下水引排，環(huán)向盲管每間隔3 m 設(shè)一環(huán)。中心水溝與側(cè)溝連接處設(shè)φ100 PVC橫向?qū)?，縱向間距為5 m。邊墻溶洞設(shè)置護墻，護墻施作前預(yù)埋φ100 HDPE波紋管，縱向間距2 m，波紋管直接引入中心水溝。波紋管端頭外裹無紡布，并伸入護墻外50 cm。

5.4 設(shè)置泄水洞及集水廊道引排地下水

為確保隧道施工及運營的安全，充分發(fā)揮泄水降壓作用，于隧道進口至DK34+425段右側(cè)30 m設(shè)置1個泄水洞，泄水洞起止里程XDK33+818—XDK34+478，全長660 m。為有效引排正線DK34+404—DK34+440段左側(cè)溶洞積水及過水通道內(nèi)的積水，于泄水洞XDK34+454.97（對應(yīng)鐵路隧道里程DK34+404.75）處設(shè)置了集水廊道和下穿鐵路隧道的框架涵。

6 結(jié)語

通過水文地質(zhì)補充勘察，查明了對門寨隧道大型溶洞群位置、形態(tài)、水文地質(zhì)特征及形成機理，為溶洞整治設(shè)計提供了依據(jù)。

對門寨隧道隧底低水位溶洞采用“棄渣+C20混凝土”分層間隔回填，對高水位溶洞采用樁筏結(jié)構(gòu)處理，并加強隧道引排水設(shè)置了泄水洞及集水廊道。經(jīng)實施該方案安全可靠。