鐵路隧道穿越充填型溶洞處理技術研究

劉 黎

（中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031）

1 引言

巖溶現象在我國南方地區廣泛發育，主要涉及寒武紀、奧陶紀、二疊紀、三疊紀等碳酸鹽巖地層[1]。隨著我國高速鐵路網的規劃，跨越巖溶地區的高速鐵路將會逐漸增多，同時遇到巖溶工程問題也是無法避免的，特別是修建隧道工程時，巖溶問題往往是威脅隧道建設、地下工程建設安全的重要因素之一[2-4]。巖溶洞穴按照洞內充填物的狀態和形式，可分為非充填型溶洞和充填型溶洞。非充填型溶洞基本是溶洞壁裸露，洞中地下水較少且沉積物較少，該類型較容易處治且對隧道施工安全影響較小；而充填型溶洞是指整個溶洞大部分被沉積物或地下水充填，由于溶洞內部物質的不穩定性，通常導致隧道施工過程中的力學狀態不穩定，若溶洞中充填粉細砂或泥質物質時，易在隧道開挖過程中發生突發性突水及涌泥現象，對隧道工程施工安全影響極大，且處治難度大，工程代價高，例如：渝懷[5-7]、宜萬[8-9]、黔昆[10]、南昆[11]等鐵路線都發生充填型溶洞突水涌泥等事故，威脅隧道施工安全。因此，對于穿越充填型巖溶的隧道工程，如何處治該類型溶洞關乎于工程的成敗。本文以我國西南山區的云桂高速鐵路的石林隧道作為充填型巖溶洞穴的典型工點，分析了充填型巖溶的危害性及一般處理原則，探討了該類型巖溶的處治方法，為今后我國類似巖溶處治提供一定的借鑒意義。

2 工程概況

石林隧道處于滇東南石林期剝夷面巖溶地貌區，隧道埋深約為105 m，主要穿越泥盆系中統曲靖組（D2q）石灰巖，呈中厚層狀，垂直節理裂隙發育，為弱風化狀態，且含水豐富，巖溶強烈發育。通過地質雷達探測發現，石林隧道里程DK658 + 920 ～ DK659 + 060段右側發育巖溶洞穴（圖1），該地段穿越第四系全新統溶洞充填物（Q4ca）黏土、泥盆系中統曲靖組（D2q）石灰巖及斷層角礫（Fbr）。巖溶洞穴中充填的黏土呈棕紅～褐黃色，軟塑狀態，其黏性較強，同時含有灰巖質碎塊石充填于溶洞內。該地段在隧道施工中未見地下水發育，且該地段處于垂直滲流帶～季節變動帶，雨季以“過路水”為主運動方向以垂直運動為主。由于該地段穿越充填型溶洞，且充填大量軟塑紅黏土，在隧道施工過程中主要出現2次涌泥過程，現場涌泥量約2500m3，涌泥體坡腳至DK658+950m，具體闡述如下：

（1）第一次涌泥：DK658+981～ +976 m段右側拱部出現大量紅黏土涌出，并有塊石不斷掉落，致使該段的初期支護鋼架被巨大推力推垮，鋼架掉落至溶洞充填物（涌泥）之上，同時涌泥侵入整個隧道斷面，縱向長度約10m，涌泥量約680m3。

（2）在第一次涌泥過后10小時，現場涌泥災害持續擴大，掌子面被全部封堵，涌泥坡腳至DK658+958 m，涌泥縱向長度約18m，涌泥量約1200m3。

（3）第二次涌泥：掌子面再次出現涌泥情況，涌泥為塑狀黏土，整個隧道斷面被向前推動，縱向長度約8m，涌泥量約700m3。

3 充填型巖溶隧道的處理原則與方法

對于巖溶隧道必須查明隧道工程線路穿越或受影響的巖溶洞穴的分布范圍、發育程度、充填物質類型、影響距離及地下水滲流情況。巖溶的治理必須遵循“以疏為主、堵排結合、經濟合理、綜合治理、不留后患”的原則進行處理，在處治過程中必須盡量減少巖溶水徑流路徑，防止巖溶水對隧道襯砌產生高壓環境而使隧道襯砌開裂或受到損毀，同時在施工過程中需要堅持“早預報、短進尺、強支護、緊襯砌、勤量測”的原則采取多種綜合方案處治巖溶區，以便隧道安全經濟的通過危險區。

對于隧道穿越充填型溶洞的處理，一般情況需考慮洞穴的大小、規模、圍巖穩定性、地下水水量、充填物物理性質狀態等情況，主要可采取跨越、加固、清除充填物并回填夯實、注漿加固、地下水疏排等綜合措施，其主要需考慮以下幾點要求：

（1）對于充填型溶洞，需探明充填物的類型、物理性質狀態，了解充填物是否會形成突水涌泥等事故災害，若必須穿越軟弱性充填物溶洞，需利用注漿技術防止洞穴巖壁或洞頂坍塌。可將充填物挖除并充填穩定性較好的塊石或用注漿技術加固洞穴充填物的物理力學性質。

（2）若有地下水滲流進入充填型溶洞，則需采用泄水洞或迂回導洞等技術將地下水排泄，同時疏排地下水，禁止堵塞地下水通道，防止地下水高水壓對隧道襯砌產生壓裂或破壞作用。

（3）根據充填型溶洞的大小、規模和與隧道的相對位置，選擇跨越、邊墻加固、大管棚注漿支護措施等治理措施。

4 隧道巖溶具體整治措施

根據前述石林隧道的充填型巖溶的充填物的物理狀態、涌泥的規模，確定涌泥整治的步驟為：確保安全的前提下，對涌泥體坡腳采用砂袋碼砌，噴砼封閉涌泥體坡面，清理部分上部涌泥體值接近掌子面，建立施工平臺，進行橫向加固右邊溶洞，并采用縱向大管棚注漿技術通過充填型巖溶區。

4.1 邊墻及右邊溶洞加固處理

在溶洞右側設置導洞，在導洞左側拱腰位置向正洞方向施作φ108橫向大管棚（圖2），管棚施工仰角20°，從導洞左側拱腰至隧道中線拱頂以上約2m的施工范圍，管棚的施工長度為34m，嵌入基巖深度不小于3m，管棚縱向間距40cm，管棚內設置鋼筋籠，并采用1:1水泥砂漿注漿加固，注漿壓力0.5～1.0MPa，同時施工過程中必須根據鉆進記錄優化調整管棚的施作長度及施作范圍。利用形成的橫向大管棚，利進行橫向注漿加固隧道右側邊墻的溶洞，此時導洞左邊墻向正洞呈輻射狀施作5排φ75鉆孔對溶洞充填物采用1:1水泥砂漿進行注漿加固，注漿方式采用后退式注漿，注漿壓力0.5～1.0MPa。施作長度為導洞邊墻至隧道右側開挖輪廓線，豎向間距45cm，縱向間距80cm。為保證鉆孔成孔效果，位于溶洞范圍內鉆孔采用φ75鋼花管跟管鉆進。

4.2 對涌泥的反壓減載

對涌泥體坡腳采用砂袋碼砌，噴10cm厚的C25混凝土封閉涌泥體坡面，同時對涌泥體進行分段分部清除，每次清除縱向長度不宜大于2.0m，并噴10cm厚度的C25混凝土臨時封閉坡面，對涌泥達到反壓減載的作用。當涌泥清除至溶洞范圍內時，在涌泥上搭建施工平臺，形成上臺階作業條件。

4.3 縱向大管棚注漿處理

對橫向大管棚進行注漿加固之后，對隧道右側溶洞進行邊墻封堵工作，同時利用封堵墻作為導向墻在溶洞范圍內施作φ108大管棚，設置環向間距為40cm，長度為40m，且嵌入基巖不小于5m，注漿采用1:1水泥砂漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，以達到對隧道頂部和側邊巖溶加固處理。此時清除涌泥，在隧道拱部位置需設置環向間距0.4m，每環38根，長度為4.5m的φ42的超前小導管，通過壓入1:1的水泥砂漿來環向加固充填巖溶區。

在整個施工過程中，需根據監控量測的情況動態調整初期支護參數，當累計變形量達到10cm或變形速率發生較大突變或初期支護因變形出現噴砼剝落、鋼架扭曲及剪斷等或其它影響施工安全的跡象時，應采取初期支護的補強措施。

5 結論

（1）隧道巖溶是隧道工程中的不良地質現象，特別是充填型巖溶對隧道施工和安全通過巖溶地區具有極大的威脅性，必須因地制宜的對充填型巖溶中的充填物進行加固之后再對隧道邊墻與襯砌進行加固處理，便于安全穿越巖溶洞穴。

（2）充填型巖溶中充填物物理力學指標極低，開挖施工揭露時通常會產生涌泥現象，為確保后續施工順利進行，必須對涌泥進行加固。

（3）實踐證明，在隧道側面開挖導洞，利用橫向大管棚注漿技術加固巖溶洞穴，之后進行縱向大管棚注漿加固和環向大外插角小導管注漿處理來加固隧道，以便安全的穿越充填型溶洞是可行的，為類似工程可以提供一定技術處理措施的參考。

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