鐵路隧道巨型溶洞綜合處治技術(shù)研究

王秋

中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023

我國(guó)西南地區(qū)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，具有巖溶形態(tài)發(fā)育齊全、巖溶地質(zhì)問(wèn)題特別突出的特征［1］。隨著西南地區(qū)鐵路建設(shè)不斷發(fā)展，鐵路隧道不可避免要穿越溶蝕區(qū)，面臨更多大（巨）型巖溶問(wèn)題，如何有效處治巨型溶洞、保證施工運(yùn)營(yíng)安全是亟待解決的重大問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著巖溶隧道的大量修建，在巖溶處治方面逐漸形成了“繞、截、排、堵、越、分步開挖與加強(qiáng)支護(hù)相結(jié)合”的處治原則［2］?！袄@”主要指隧道改線繞過(guò)溶洞?！敖亍敝傅氖菍r溶地下水提前截?cái)啵淖兤湟鞣较??！芭拧敝傅氖菍?duì)巖溶地下水以排為主，合理導(dǎo)流?！岸隆敝傅氖撬淼乐苓呑{堵水以及采取土石填料、混凝土或其他填充物進(jìn)行回填的方法形成人工路基?！霸健敝高\(yùn)用板跨、梁跨、拱跨等方式跨越溶洞?！胺植介_挖，加強(qiáng)支護(hù)”是指隧道開挖過(guò)程中嚴(yán)格控制沉降變形，同時(shí)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)采取加強(qiáng)措施。隧道穿越溶蝕區(qū)時(shí)，應(yīng)根據(jù)溶洞發(fā)育特征采取一種或多種方式相結(jié)合的綜合處治方法［3-4］。

關(guān)于巨型溶洞處治方法已積累了很多應(yīng)用實(shí)例。黔張常鐵路高山隧道高位斜穿巨型溶洞采用回填洞砟+上部注漿加固的治理方案［5-7］。成貴鐵路玉京山隧道巨型溶洞處治采取五臺(tái)階法開挖+多種支護(hù)方式并存+模板法施作二次襯砌等施工措施［8-9］。云桂客專營(yíng)盤山隧道、長(zhǎng)昆客專朱砂堡二號(hào)隧道巨型溶洞采用大體積空心混凝土分層、分段回填的處治方案［10-11］。龍麟宮隧道巨型溶洞處置采用硬質(zhì)隧道棄渣回填后再注漿加固處理的方法［12］。羊橋壩隧道巨型溶洞處置采用左線左偏繞避溶洞方案［13］。巖灣隧道特大型溶洞處置采用底部洞渣回填＋上部搭橋跨越的方法，并對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置拱形防護(hù)［14］。山乾隧道采用設(shè)置長(zhǎng)泄水洞+集水通道方案，在后期施工和運(yùn)營(yíng)中隧道未再發(fā)生集中涌水涌泥，治理方案合理有效［15］。對(duì)門寨隧道大型溶洞群采用棄渣+C20混凝土分層間隔回填、樁筏結(jié)構(gòu)、混凝土護(hù)墻、錨網(wǎng)噴防護(hù)、設(shè)置泄水洞等措施，整治效果良好［16］。

已經(jīng)取得的科研成果能夠較好地指導(dǎo)巖溶治理，但渝貴鐵路東山隧道地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，溶洞廳室最大處面積達(dá)11 500 m2，尚無(wú)直接可參考借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。因此，針對(duì)東山隧道實(shí)際情況，采用設(shè)置前瞻性泄水洞、綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、注漿堵水、分區(qū)段防排水體系、溶洞段立體排水系統(tǒng)、樁板式明洞結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及溶洞（腔）壁支護(hù)等綜合技術(shù)措施，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證方案的合理性。

1 工程概況

重慶—貴陽(yáng)鐵路擴(kuò)能改造工程?hào)|山隧道位于遵義市桐梓縣婁山關(guān)鎮(zhèn)行政管轄區(qū)，全長(zhǎng)2 748 m。隧道區(qū)屬中低山溶蝕構(gòu)造龍崗谷地地貌，位于東山背斜西翼，巖性多樣，主要穿越可溶巖區(qū)段。區(qū)內(nèi)共發(fā)育兩條斷層，均具有導(dǎo)水性。地表范圍發(fā)育有溶蝕洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態(tài)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜。東山隧道施工過(guò)程中，共揭示溶腔、溶洞多達(dá)16處，最大溶洞廳室面積達(dá)11 500 m2，屬于巨型溶洞。巖溶主要分布于DK165+900—DK166+300段，并以DK166+260處巖溶洞群為典型，如圖1所示。

圖1 溶洞分布平面示意

由圖1可知，DK166+260處溶洞群整體上由兩個(gè)巨型大廳溶洞和伴生小型溶洞、管道及溶隙匯集而成，主廳部分位于線路左側(cè)200 m處，廳室面積達(dá)到10 800 m2，洞高10～60 m，底部為積水深潭，處上游位置；次廳位于線路右側(cè)，廳室面積達(dá)11 500 m2，洞高10～30 m，處主廳下游處位置；兩廳之間為小型洞、管道和溶隙所聯(lián)通，局部溶孔較密；下游為半隱伏和隱伏溶洞，巖溶水自主廳向右橫穿線路及次廳至下游溶洞消落。

溶洞內(nèi)分布有以石鐘乳、石筍、石幔等形態(tài)存在的化學(xué)沉積物，其結(jié)構(gòu)疏松，穩(wěn)定性差，洞內(nèi)地形復(fù)雜。洞底充填有崩塌成因的塊石土以及沖積成因的黏土和細(xì)角礫土，以軟塑狀為主，局部呈流塑狀，絮狀結(jié)構(gòu)，無(wú)沉積規(guī)律，有流失可能。在沉積黏土層與溶洞巖壁交界處多見流水痕跡，存在多處巖溶泉水、消水洞，隧道左側(cè)的巖溶潭水靜儲(chǔ)量約4 000 m3。

2 巖溶水處治方案研究

針對(duì)巖溶的不確定性，區(qū)分不同情況分別或綜合采取注漿堵水、坑道引流等防排水措施；通過(guò)強(qiáng)化綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，針對(duì)具體巖溶情況，深化巖溶突水突泥災(zāi)害防治及巖溶處理措施。

2.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

開展施工綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并針對(duì)巖溶地段特別予以加強(qiáng)預(yù)報(bào)。根據(jù)分段地質(zhì)及水文條件，詳細(xì)設(shè)計(jì)了不同的組合預(yù)報(bào)方法。利用地震波探測(cè)儀、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀等綜合物探手段和深孔水平鉆孔、超前5 m長(zhǎng)孔釬探進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并定量取芯，以準(zhǔn)確判定開挖面前方和周邊地質(zhì)情況，重點(diǎn)關(guān)注巖溶地質(zhì)和地下水的探測(cè)，以掌握巖溶具體分布位置、規(guī)模、特征及其與隧道的空間位置關(guān)系，從而適時(shí)調(diào)整或強(qiáng)化工程措施以及防排水方案。

2.2 泄水洞超前施工

基于勘察成果預(yù)判巖溶及地下水的危害，在出口端線路右側(cè)設(shè)置泄水洞，并超前于正洞施工，為進(jìn)一步探明地質(zhì)條件、排泄雨洪涌水和正洞施工提供保障。

2015年1月，出口工區(qū)泄水洞超前正洞施工至XSDK166+250（XS代表泄水洞）附近，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)即發(fā)現(xiàn)巖溶，進(jìn)一步強(qiáng)化探測(cè)，揭示一巨型溶洞。因此，設(shè)置繞避不安全地質(zhì)和溶腔形態(tài)的迂回通道（圖2，其中YH表示迂回），以開辟后續(xù)正洞工作面，避免了隧道施工與溶洞段補(bǔ)勘及施工作業(yè)的干擾，并利用其協(xié)調(diào)處理當(dāng)前和后續(xù)巖溶問(wèn)題，實(shí)施溶腔段落隧道工程。

圖2 迂回通道示意

2.3 綜合性防排水措施

1）分段區(qū)別、各部適應(yīng)、整體協(xié)調(diào)治水

針對(duì)巖溶管道水，按以排為主的方針疏導(dǎo)引流，采取鞏固和接通既有徑流通路的措施，原路排泄地下徑流，并設(shè)置排水坑道以防路徑受阻和雨洪超量。

針對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褬?gòu)造、儲(chǔ)水破碎圍巖、零散溶隙，按以堵為主的方針，采取超前注漿、針對(duì)性注漿，防止地下水突破薄弱圍巖導(dǎo)致突水突泥災(zāi)害和環(huán)境破壞。針對(duì)隧道所臨近的巖溶空腔管道、溶孔溶隙、破碎和軟弱區(qū)域，按排堵結(jié)合、保證安全的方針綜合采取超前注漿、實(shí)地注漿以及局部引排的措施。

引流排水系維持地下水的排泄，不影響環(huán)境安全；存在涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)地段，以超前注漿進(jìn)行地層加固和防水；關(guān)聯(lián)地段，亦堵亦排且固化加強(qiáng)。全隧道結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和氣象條件進(jìn)行區(qū)域水文監(jiān)測(cè)，并聯(lián)動(dòng)采取洞內(nèi)外防排水措施，從而減少地層內(nèi)地下水的排放，防止涌水突泥、地表失水和塌陷，規(guī)避施工與環(huán)境災(zāi)害。

2）分區(qū)段引排水

針對(duì)施工揭示的DK165+900—DK166+300段巖溶，采取分區(qū)段引排水方案。根據(jù)該范圍內(nèi)不同情況，分為溶洞小里程段、溶洞大里程段及溶洞段三個(gè)區(qū)段分別引排地下水，見圖3。在線路右側(cè)溶洞內(nèi)設(shè)消能匯水池，溶洞小里程段正洞中心溝水流和小型溶腔水分別由排水聯(lián)絡(luò)通道和泄水孔引入迂回通道排至溶洞內(nèi)匯水池；線路左側(cè)溶洞段地下水由深基礎(chǔ)明洞上方橫向引至右側(cè)匯水池，再經(jīng)由泄水洞排出。溶洞大里程段地下水分別由正洞中心溝和泄水洞直接排出洞外。為防止淤塞，溶洞下游既有消水洞整體維持原狀，不作為主要排水目標(biāo)方向。

圖3 分區(qū)段排水示意（單位：m）

3）綜合立體防排水體系

經(jīng)施工中補(bǔ)充勘察查明，東山隧道溶洞段DK166+216—DK166+280受巖溶水影響較大。巖溶水系由DK166+200左200 m的溶洞主廳發(fā)育，至線路所在溶洞次廳，并于DK166+220—DK166+280橫穿線路至右側(cè)，在次廳下游進(jìn)入消水洞及后續(xù)半隱伏和隱伏溶洞。巖溶水包括DK166+250左100 m的溶潭水和DK166+248右25 m巖溶泉水，其中巖溶潭水靜儲(chǔ)量約為4 000 m3。溶洞內(nèi)常年流水點(diǎn)及間歇性出水點(diǎn)水量變化與地表降雨密切相關(guān)，巖溶管道水具有就近補(bǔ)給的特點(diǎn)，溶洞次廳段最大涌水量為78 280 m3/d。為保證巖溶水有效排泄，采取了隧頂截排水溝+邊墻底及拱腰截排水管+隧底過(guò)水涵洞的綜合立體排水系統(tǒng)（見圖4和圖5），確保了隧道排水的暢通，保證襯砌結(jié)構(gòu)免受巖溶水危害。

圖4 綜合立體排水示意

圖5 隧頂過(guò)水渠示意

3 隧道支護(hù)及結(jié)構(gòu)措施研究

3.1 方案比選

正洞及溶腔采取合理的支護(hù)及結(jié)構(gòu)措施，保障隧道施工、襯砌結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

1）對(duì)于已揭示地下水豐富及溶腔（群）地段、下穿洼地、隱伏巖溶漏斗段，由于水量的急聚性特點(diǎn)，為避免襯砌背后一段時(shí)間內(nèi)較大水量聚集產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，襯砌背后不僅預(yù)留了排水通道，還采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且局部空溶腔處設(shè)置混凝土護(hù)拱，能夠承受一定的水壓力，確保長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。

2）巨型溶洞段結(jié)構(gòu)選取

東山隧道溶洞發(fā)育規(guī)模大，空間分布差異大，隧道洞身穿越溶洞段長(zhǎng)約60 m，高10～20 m。洞底充填有崩塌成因的塊石土以及沖積成因的黏土和細(xì)角礫土，以軟塑狀為主，局部呈流塑狀，有流失可能。在DK166+260處呈V形溶蝕充填深切槽狀侵蝕發(fā)育形態(tài)。隧道結(jié)構(gòu)及其基底處理是巖溶處理的關(guān)鍵工程之一。

根據(jù)溶洞的分布形態(tài)與地質(zhì)特征等，設(shè)計(jì)主要研究了動(dòng)靜分離橋跨+明洞方案、樁板明洞跨越方案、基底處理+明洞方案，各方案優(yōu)缺點(diǎn)見表1。綜合考慮巖溶發(fā)育特征、施工機(jī)具展開等條件，隧道最終采用樁板明洞跨越溶洞的結(jié)構(gòu)形式。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溶洞形態(tài)及基底狀態(tài)，為獲取技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)尺寸和形式，設(shè)計(jì)上建立結(jié)構(gòu)體系力學(xué)模型，通過(guò)受壓彈簧模擬結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用，采用荷載-結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬計(jì)算得到結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力與變形，并確定結(jié)構(gòu)的尺寸與配筋。

3.2.1 計(jì)算模型

60 m溶洞地段擬采用樁基托梁形式穿越，隧道拱頂2 m采用C20素混凝土進(jìn)行回填，樁基托梁平面布置如圖6所示，典型橫斷面如圖7所示。

圖6 樁基托梁平面布置（單位：mm）

圖7 樁基托梁典型橫斷面（單位：cm）

3.2.2 荷載計(jì)算

1）橫向荷載計(jì)算

①明洞襯砌所受荷載

參照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［17］附錄G中明洞荷載計(jì)算方法，計(jì)算明洞拱圈回填土垂直壓力。參照TB 10003—2016中表6.1.9建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)重度或計(jì)算重度，混凝土及片石混凝土的重度取23 kN/m3，配筋率在3%以內(nèi)的鋼筋混凝土的重度取25 kN/m3。假定回填C20素混凝土的計(jì)算摩擦角為40°，計(jì)算得出側(cè)壓力系數(shù)為0.218。因此，襯砌所受回填土垂直壓力最大值為208 kPa，最小值為46 kPa；回填土側(cè)壓力最小值為10.03 kPa，最大值為71.47 kPa。

②列車活載計(jì)算

參照文獻(xiàn)［18］，列車活載采用客貨共線的UIC圖式，見圖8。按照最不利荷載處理，假定列車活載為均布線荷載156.25 kN/m，傳遞至底板時(shí)，列車荷載分布情況見圖9。

圖8 客貨共線UIC圖式（單位：m）

圖9 列車荷載傳遞至底板的傳遞圖式（考慮沖擊系數(shù)）

根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［19］，列車豎向活載包括列車豎向動(dòng)力作用，該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動(dòng)力系數(shù)（1+μ），其動(dòng)力系數(shù)為鋼與鋼筋混凝土板結(jié)合梁的動(dòng)力系數(shù)，即

式中：L為梁跨度。

當(dāng)跨度為8 m時(shí)，動(dòng)力系數(shù)為1.46；當(dāng)跨度為7 m時(shí)，動(dòng)力系數(shù)為1.47。動(dòng)力系數(shù)應(yīng)取最大值1.47，因此列車荷載傳遞至隧道底板時(shí)的均布荷載為78.3 kPa。

③軌道鋪底荷載

隧道軌頂以下有厚1.629 m的混凝土鋪底，鋪底按照均布荷載37.49 kPa考慮。

④襯砌受力模式及荷載大小

根據(jù)明洞所受荷載及荷載分布形式，得出明洞襯砌所受荷載大小及分布，見圖10。圖中，qmin為豎向荷載最小值，qmid為豎向荷載中間值，qmax為豎向荷載最大值，e1為水平荷載最小值，e2為水平荷載最大值，p列車為列車荷載，p鋪底為軌道板荷載。

圖10 明洞襯砌所受荷載大小及分布形式

2）縱向荷載計(jì)算

按照橫向荷載計(jì)算所求得的樁頂軸力施加在縱梁上，得出縱梁的縱向內(nèi)力及樁內(nèi)力。此時(shí)縱梁所受荷載已考慮圍巖對(duì)其支撐作用，因此縱向荷載計(jì)算時(shí)不再考慮。

3.2.3 計(jì)算參數(shù)

1）橫向荷載計(jì)算參數(shù)。考慮對(duì)隧道周圍的填充物進(jìn)行加固，假定其彈性抗力為50 MPa，圍巖對(duì)底板的彈性抗力取30 MPa?？紤]溶洞填充物對(duì)樁的側(cè)摩阻力較小，將樁嵌入基巖（灰?guī)r）2 m，圍巖對(duì)其彈性抗力取100 MPa，2 m以上部位的彈性抗力取30 MPa。明洞襯砌及底板材料為C30鋼筋混凝土，樁身材料為C40鋼筋混凝土，根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［18］，材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

橫向荷載計(jì)算中襯砌和樁的內(nèi)力與樁長(zhǎng)、樁縱向間距有關(guān)。可將樁基托梁的橫向荷載計(jì)算拆成7個(gè)計(jì)算工況，綜合選取其中3個(gè)典型工況，其縱向長(zhǎng)度與荷載見表3。在計(jì)算中將縱梁高于明洞底板部分的重量等效成底板重度的增加，換算后可知底板等效重度為36.834 kN/m3。

表3 橫向荷載計(jì)算工況的基本參數(shù)

2）縱向荷載計(jì)算所對(duì)應(yīng)的豎向力見表4。縱向計(jì)算參數(shù)同橫向計(jì)算參數(shù)，樁底以上2 m處的圍巖彈性抗力取100 MPa，2 m以上部位的彈性抗力取30 MPa。

表4 縱向荷載計(jì)算所對(duì)應(yīng)的豎向力

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)有限元軟件MIDAS GTS進(jìn)行荷載-結(jié)構(gòu)法數(shù)值模擬計(jì)算，襯砌結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?。通過(guò)襯砌荷載分布云圖計(jì)算得到襯砌結(jié)構(gòu)配筋參數(shù)，見表5。其中，裂縫寬度不需驗(yàn)算，滿足要求；配筋為22@200。

表5 襯砌關(guān)鍵截面內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果

板梁采用梁?jiǎn)卧?，通過(guò)板梁荷載分布云圖計(jì)算得到板梁結(jié)構(gòu)配筋參數(shù)，見表6。

表6 連續(xù)板梁關(guān)鍵截面內(nèi)力

3.2.5 工程措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采取了三種措施：

1）隧道穿越溶洞段采用鋼筋混凝土樁板明洞形式，取消中心溝設(shè)置，其中明洞拱墻厚80 cm、底板厚150 cm（內(nèi)設(shè)縱橫梁）；基底采用直徑1.5 m的鉆孔樁，樁間距4～8 m。施工中以現(xiàn)場(chǎng)開挖實(shí)際情況決定樁長(zhǎng)與基礎(chǔ)埋深，同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)工作，保證隧底結(jié)構(gòu)安全可靠。

2）為提高樁的相對(duì)剛度，約束樁頂位移，改善基底性能，溶洞深V形溶槽段基底采用φ75鋼花管注漿加固，鋼管樁間距1.2 m×1.2 m，梅花形布置，長(zhǎng)10 m，見圖11。

圖11 典型橫斷面（單位：m）

3）正洞DK166+216—DK166+280段隧道中線左右各10 m范圍，迂回施工通道溶洞內(nèi)明挖段中線左右各7 m范圍，溶腔頂板設(shè)置噴錨支護(hù)，噴厚10 cm的C25混凝土；鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距25 cm×25 cm。φ32全長(zhǎng)黏結(jié)砂漿錨桿長(zhǎng)3～4 m，間距1.5 m×1.5 m，正方形布置。當(dāng)監(jiān)測(cè)表明需要加強(qiáng)時(shí)，再在方形中心增設(shè)φ32錨桿或錨索。溶腔頂部支護(hù)施工前，須先清除洞頂石鐘乳等松動(dòng)巖塊，確保施工及后期運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)論

1）根據(jù)渝貴鐵路東山隧道巖溶發(fā)育特征以及水文地質(zhì)條件，針對(duì)巖溶地下水，采用了前瞻性泄水洞的設(shè)置、綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、注漿堵水、分區(qū)段防排水體系以及溶洞段隧頂截排水溝+邊墻底及拱腰截排水管+隧底過(guò)水涵洞的綜合立體排水系統(tǒng)，確保了隧道排水的暢通，保證襯砌結(jié)構(gòu)免受巖溶水危害。

2）從施工安全和經(jīng)濟(jì)成本角度出發(fā)，結(jié)合東山隧道巨型溶洞發(fā)育規(guī)模、形態(tài)及其與隧道空間關(guān)系，通過(guò)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬計(jì)算、方案比選，隧道最終采用樁板明洞跨越溶洞的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及溶洞（腔）壁支護(hù)，保證了溶洞處理施工順利進(jìn)行。

3）東山隧道遭遇巨型溶洞，地質(zhì)條件復(fù)雜，采取了一系列的技術(shù)措施，確保了施工安全，降低了施工成本，并形成隧道巖溶水災(zāi)害防治以及技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)、廣泛適用的巨型溶洞綜合處理成套技術(shù)，可為國(guó)內(nèi)外同類隧道在工程探測(cè)、設(shè)計(jì)以及施工方面提供借鑒。