高速鐵路巖溶隧道大型溶洞綜合勘察及處理技術(shù)研究

聶信輝

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

高速鐵路巖溶隧道施工過程中可能遭遇大型溶洞或溶洞群，受地質(zhì)情況復(fù)雜性及目前勘探手段對地質(zhì)判識的局限性影響，勘察期間無法完全探明溶洞的準(zhǔn)確位置及規(guī)模，施工過程中采用綜合勘察技術(shù)探明溶洞的形態(tài)，并采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理是巖溶隧道設(shè)計施工的重難點問題。

張家界—吉首—懷化鐵路(以下簡稱“張吉懷鐵路”)位于湖南省湘西地區(qū)，線路自張家界西站引出，經(jīng)湘西州吉首市，南連懷化南站，線路正線長約246 km[1]。某隧道全長4 381 m，隧道洞身穿白云巖、灰?guī)r等可溶巖地層，最大埋深約為88 m。

在進(jìn)行隧道進(jìn)口段施工時，于掌子面左側(cè)拱底揭示一處溶洞，洞口孔徑約2 m，部分隧道巖渣漏入溶洞，總方量約300 m3，后期勘察過程中于溶洞左側(cè)、右側(cè)通往蘭花洞方向均發(fā)現(xiàn)了規(guī)模較大的溶洞。

為確保鐵路隧道安全，需詳細(xì)查明溶洞工程地質(zhì)特性及水文地質(zhì)特性，并確定合理的溶洞處理方法。目前，已有研究者結(jié)合具體項目進(jìn)行了一些研究工作[2-9]，對隧底巖溶的勘察技術(shù)及加固技術(shù)方案進(jìn)行了探討，但對連通地下暗河的隧底大型溶洞群勘察及處理技術(shù)涉及的不多。通過詳細(xì)查明蘭花隧道溶洞群的規(guī)模、相互關(guān)系及隧底巖溶發(fā)育情況，對溶洞的勘察、處理方法進(jìn)行探討。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

隧道穿越構(gòu)造侵蝕-溶蝕中低山區(qū)，臺地內(nèi)地勢相對平緩，殘留有峰叢洼地地貌，山脈走向、地形地貌主要受區(qū)域構(gòu)造線及地層巖性控制，大體呈北東向展布，與區(qū)域構(gòu)造線走向基本一致[10]。地面高程為450～640 m，相對高差為50～100 m。

2.2 地層巖性

隧道洞身分布地層為寒武系上統(tǒng)追屯組(∈3z)灰色厚層-巨厚層細(xì)晶白云質(zhì)灰?guī)r；比條組(∈3b)深灰色薄-中層泥質(zhì)條帶灰?guī)r，偶夾薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r。區(qū)內(nèi)地層巖質(zhì)整體較硬，屬硬質(zhì)巖，巖體較完整，表面溶蝕溝槽發(fā)育，地表分布巖溶洼地及落水洞，巖溶強(qiáng)發(fā)育。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)主體構(gòu)造為松柏向斜，該向斜寬緩開闊，軸向約NE45°，核部由奧陶系純灰?guī)r和白云巖組成，兩翼由寒武系地層組成，兩翼傾角為15°～30°，寒武系各組地層依次呈北東向帶狀展布。

隧道位于松柏向斜東南翼，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。巖體主要發(fā)育3組裂隙：第一組受地層巖性控制的層面裂隙，總體傾向北西，傾角20°～30°，延伸性好，多呈閉合狀；第二組為縱張裂隙，總體沿地層走向呈北東向展布，走向40°～60°，傾角一般>60°，張開性和延伸性較好，是本區(qū)巖溶及地下水運(yùn)移的主控結(jié)構(gòu)面；第三組為橫張裂隙，總體垂直地層走向呈北西向展布，走向300°～320°，傾角>70°，張開性和延伸性中等?？v張裂隙、橫張裂隙呈“X”形展布，基本控制了本區(qū)巖溶暗河、溝谷的展布方向。實測線路右側(cè)的蘭花洞暗河展布方向與兩組節(jié)理裂隙走向基本一致。

2.4 水文地質(zhì)條件

地下水主要為巖溶水，分布于可溶巖溶隙、溶洞中。隧道小里程段為地下暗河-巖溶管道極強(qiáng)含水層，隧道進(jìn)口段線路附近為蘭花洞暗河，高程為499～545 m，位于線路右下方，之后距隧道越來越遠(yuǎn)。地表多分布巖溶洼地、串珠狀洼地、落水洞，洼地直接連通蘭花洞暗河支流，并從隧道下方橫穿。小里程段洼地積水沿著節(jié)理、層間裂隙入滲，經(jīng)溶孔、溶隙最終匯入蘭花洞暗河系統(tǒng)，對隧道影響較大。

3 大型溶洞綜合勘察

隧道進(jìn)口段施工時，于掌子面左側(cè)拱底揭示一處溶洞，洞口孔徑約2 m，部分隧道巖渣漏入溶洞。對于大型溶洞的調(diào)查，一般采用地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探等綜合勘察方法[11-17]。

3.1 綜合勘察方法

開展隧道進(jìn)口段附近的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪，查明地層巖性特征、節(jié)理裂隙發(fā)育情況；調(diào)查地表巖溶發(fā)育特征，洞內(nèi)溶溝、溶槽、充填物等特征；查明溶洞與蘭花洞的連通關(guān)系；分析地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征。采用地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁兩種方法開展溶洞底部及洞周的物探工作。在物探基礎(chǔ)上，對溶洞底部進(jìn)行鉆探，準(zhǔn)確查明溶洞底部的巖溶發(fā)育特征，評價溶洞底部的穩(wěn)定性。采用鋼釬探查明溶洞周壁的隱伏巖溶發(fā)育特征，評價溶洞側(cè)壁穩(wěn)定性。精確測量溶洞的形態(tài)特征和鉆孔定位測量。

根據(jù)調(diào)查成果，掌子面附近共分布3個溶洞(圖1)，Ⅰ號溶洞為隧道開挖最初揭示的溶洞，位于線路下方；Ⅰ號溶洞左側(cè)發(fā)育Ⅱ號溶洞，與Ⅰ號溶洞以直徑約1 m的巖溶管道相連；Ⅰ號溶洞右側(cè)發(fā)育Ⅲ號溶洞，為蘭花暗河溶洞的一個支洞，通過落水洞與Ⅰ號溶洞連通。

圖1 溶洞分布

3.2 Ⅰ號溶洞的特性

(1)溶洞內(nèi)部特性

溶洞整體呈近圓柱體狀，溶洞頂部較平，分布大量石鐘乳，小溶洞、溶孔、溶蝕裂隙發(fā)育，未見垂直貫通型溶洞。巖層節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙有滴水現(xiàn)象，水量不大。溶洞周壁較陡直，巖體受垂直節(jié)理控制明顯，表面有流水痕跡，有鈣質(zhì)殘留物，多溶溝、溶槽，局部呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)。溶洞底部總體低洼不平，溶溝、溶槽、垂直型溶洞十分發(fā)育，零星分布大量灰?guī)r塊石，部分塊徑3～5 m。

溶洞底部大里程方向左側(cè)發(fā)育一小溶洞，巖層面近水平狀，寬約4 m，高0.5～1 m，頂部分布大量石鐘乳，為溶洞底部的過水通道。

(2)物探結(jié)果

溶洞底部共布置6條物探測線，采用地質(zhì)雷達(dá)和瞬變電磁兩種方法分別施測。根據(jù)物探成果綜合分析解釋可知，溶洞底部巖溶裂隙發(fā)育，局部異常帶主要集中在溶洞底部20 m以內(nèi)，即溶洞底至蘭花洞暗河底部之間的部分。隧道大里程方向及蘭花洞方向局部溶洞發(fā)育，發(fā)育深度均在距溶洞壁4 m以外。沿溶洞環(huán)向布置27孔釬探，間距5 m，孔深5 m，未見溶洞發(fā)育。

(3)鉆探結(jié)果

溶洞底部共完成7孔鉆探，鉆孔見洞率71.42%，線巖溶率12.9%，巖溶強(qiáng)發(fā)育，最大溶洞高13.1 m，溶洞底板以下5.6～18.7 m為砂夾碎石充填型巖溶。

(4)溶洞底部綜合評價

綜合分析Ⅰ號溶洞底部至蘭花支暗河范圍的巖體以溶蝕化灰?guī)r為主。溶洞、溶蝕裂隙均十分發(fā)育，溶洞以充填型為主，充填物為細(xì)砂和石鐘乳。蘭花支暗河以下巖溶弱發(fā)育。

3.3 Ⅱ號溶洞的特性

溶洞整體位于線路左邊墻下部，底部分布厚0.3～0.5 m的黏土層，為長期積水所致。溶洞頂靠左側(cè)及中間部位發(fā)育管道型小溶腔，底部中間位置為漏斗狀凹地，推測為淤積落水洞，水流不暢。觀測期間芙蓉鎮(zhèn)地區(qū)均有暴雨，溶洞內(nèi)有積水，水流來自于側(cè)壁滲水，積水消退緩慢。

Ⅱ號溶洞為受垂直節(jié)理控制發(fā)育的垂直型巖溶通道的一部分，為豎向過水通道。

3.4 Ⅲ號溶洞特性

Ⅲ號溶洞為蘭花洞支暗河的主通道，走向352°，溶洞高15 m，橫向?qū)?0 m，由多個相互連通的溶洞組成，呈串珠狀分布，底部為暗河水流。該溶洞與Ⅰ號溶洞通過落水洞連通，兩溶洞間巖盤厚度局部僅2 m左右，Ⅰ號溶洞處理時應(yīng)充分考慮其影響。

3.5 水文地質(zhì)

根據(jù)示蹤試驗成果，溶洞地下水主要補(bǔ)給來源為隧道左側(cè)的澤豪溝。

根據(jù)洞內(nèi)水文地質(zhì)調(diào)繪，溶洞內(nèi)共存在4處水點：①號水點為蘭花支暗河；②號水點為側(cè)壁常年來水；③號水點為消水洞，②號水點的水經(jīng)此處入滲，最終匯入①號暗河；④號水點為Ⅱ號溶洞內(nèi)積水，雨時有水，平時多無水，部分下滲，下滲能力不足時，經(jīng)橫向通道進(jìn)入Ⅰ號溶洞流入③號水點，匯入①號暗河。地下水徑流如圖2所示。

圖2 溶洞地下水徑流示意

3.6 綜合評價

(1)Ⅰ號溶洞影響鐵路工程安全，應(yīng)采用回填或梁跨方案處理。

(2)根據(jù)厚跨比分析，Ⅱ號溶洞對鐵路影響較小，但考慮到Ⅰ、Ⅱ號溶洞之間及上部安全巖盤也可能發(fā)育溶洞，建議直接進(jìn)行處理。

(3)Ⅲ號溶洞對鐵路工程無直接影響，但其靠近Ⅰ號溶洞，局部巖盤厚度僅2 m，提供抗力有限，相當(dāng)于Ⅰ號溶洞在右下方存在臨空面，Ⅰ號溶洞處理時應(yīng)充分考慮其影響。

(4)溶洞內(nèi)共存在4處水點，溶洞處理應(yīng)保證現(xiàn)有排水點排水通暢，應(yīng)將①號水點處的落水洞擴(kuò)大，增強(qiáng)整體排水能力。若采取回填方案，應(yīng)埋設(shè)橫向過水涵管，確保地下水通暢。

4 綜合處理方案

根據(jù)溶洞發(fā)育規(guī)模、工程及水文地質(zhì)條件，結(jié)合以往溶洞處理經(jīng)驗[18-21]，經(jīng)綜合分析、方案評審，確定對該溶洞采取預(yù)留過水通道、回填混凝土的處理方案，如圖3所示。

圖3 溶洞處理方案示意

(1)引排巖溶水

利用灰?guī)r洞渣對溶洞底部回填整平。整平前，首先沿溶洞底部鋪設(shè)鋼筋混凝土排水管維系原水路；預(yù)埋排水管周邊2 m范圍，采用C20混凝土澆筑。溶洞回填C20混凝土?xí)r，預(yù)留寬2.5 m、高4.0 m的排水涵，增強(qiáng)溶洞底部排水能力。

向Ⅲ號溶洞及蘭花洞打設(shè)φ200 mm鉆孔，設(shè)計鉆孔為10孔，排水孔開孔間距不應(yīng)小于1 m，具體可根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整，后期溶洞回填混凝土?xí)r不得堵塞排水鉆孔。

(2)溶洞回填

溶洞內(nèi)引排水系統(tǒng)施作完成后，方可開始Ⅰ號溶洞空腔回填。溶洞混凝土回填采取整體分層連續(xù)澆筑施工，澆筑層厚50 cm，豎向間隔2.0 m在回填面鋪設(shè)一層20 cm×20 cm鋼筋網(wǎng)。每回填8 m左右，在回填面鋪設(shè)一層φ200 mm打孔波紋管，并通過豎向打孔波紋管與下部排水涵連通。

Ⅰ號溶洞與Ⅲ號溶洞接近處混凝土澆筑應(yīng)分層進(jìn)行，每層厚30 cm；回填施工中應(yīng)加強(qiáng)側(cè)壁穩(wěn)定性監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測及施工情況，必要時在側(cè)壁較薄處設(shè)置橫、豎向Ⅰ18型鋼網(wǎng)格，形成剛性骨架，避免洞壁局部薄弱處破壞。

Ⅱ號溶洞下部采用大塊石碼砌，以利溶洞水下滲；塊石碼砌層以上回填C20混凝土，回填混凝土注意不能堵塞預(yù)留的引排水鉆孔。

溶洞回填前應(yīng)對溶洞底部局部分布的軟弱巖土(鵝卵石夾黏土、淤泥等)先行挖除。

(3)沉降監(jiān)測

溶洞混凝土回填過程中加強(qiáng)回填層沉降監(jiān)測；隧道開挖后加強(qiáng)隧底沉降監(jiān)測，建議觀測周期按1年考慮；無異常后方可施工隧道結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

(1)對于隧道遭遇的大型溶洞，應(yīng)采取綜合勘察方法，詳細(xì)查明隧底的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，為方案確定提供依據(jù)。

(2)對于小型的溶洞，且底板比較穩(wěn)定，可采取回填混凝土的方法進(jìn)行處理，但隧道底部應(yīng)預(yù)留足夠的過水通道，防止巖溶積水。

(3)綜合分析確定對該大型溶洞采取預(yù)留過水通道、回填混凝土的處理方案。經(jīng)過后期多次暴雨檢驗，本處理方案安全可靠。