鐵路隧道基底巖溶處理技術研究

楊凡

中交隧道工程局有限公司第三工程公司

鐵路隧道基底巖溶處理技術研究

楊凡

中交隧道工程局有限公司第三工程公司

巖溶主要是由于地下水以及地表水通過對可溶性的巖層進行化學以及機械侵蝕造成破壞而形成的各種地下溶蝕現(xiàn)象的總稱。巖溶發(fā)育的基本條件是巖石的可溶性以及裂隙性，我國地域遼闊，巖溶地區(qū)也分布非常廣泛，而隨著我國經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，鐵路項目也得到了極大的發(fā)展，因此在巖溶地區(qū)進行鐵路隧道施工也在逐漸增加，基于此本文以實際工程作為案例，詳細討論了鐵路隧道巖溶處理技術。

鐵路隧道；基底；巖溶；處理技術

1 工程概況

麗香鐵路Ⅴ標正線長18.73km，其中交尼山隧道長7055m，隧道穿越巖層以板巖和灰?guī)r為主，灰?guī)r為可溶巖，造成地下巖溶發(fā)育良好，而且?guī)r溶基本上處于隱伏狀態(tài)，具體表現(xiàn)為：溶洞、連通好的溶蝕破碎帶，使得基巖與覆蓋層接觸界面附近形成了易塌陷區(qū)和極易塌陷區(qū)，施工期間存在高度的洞內塌方，隧底塌陷及突水突泥風險。

2 巖溶隧道可能出現(xiàn)的問題分析

由于巖溶隧道的具體環(huán)境不同，其發(fā)育形態(tài)也非常多，而且由于巖溶發(fā)育存在不均衡性以及不規(guī)則性，所以在鐵路巖溶隧道的設計施工方面非常困難，尤其是施工階段的突水、突泥等現(xiàn)象造成了極大的安全隱患，而且還對施工進度產生非常大的影響，筆者結合工作經(jīng)驗，具體總結了隧道巖溶問題，可以分為下面三種：

(1)隧道施工過程中出現(xiàn)突水、突泥問題；

(2)隧道施工過程中出現(xiàn)頂板溶洞填充物陷落問題

(3)隧道施工過程中底板塌陷問題

3 巖溶隧道施工對策

3.1 超前地質預報

在本隧道施工中，為了探明前方圍巖情況，采用了TSP超前探測技術、地質雷達技術、超前鉆孔技術并結合加深炮眼技術。通過TSP技術，可以推斷出巖層、巖性以及巖體的完整性，而且可以有效推測出溶洞以及哪些地段可能存在突水或突泥現(xiàn)象，同時還可以對圍巖的級別進行初步判斷，進而采取有針對性的建議。地質雷達技術主要是為了對TSP技術進行補充，通過地質雷達技術，可以對撐子面、底板進行全程覆蓋，而且可以將檢測到的結果匯成圖。在對巖溶富水破損帶進行探測時，可以采用超前水平地質鉆探技術，在鉆孔分布上，按照上、中、下、左右拱腰等部位各布置一個鉆孔，在一個斷面上至少要安排5個鉆孔。在開挖輪廓線外5m設置終孔，同時為了防止出現(xiàn)隧道出口反坡開挖以及突水、突泥等現(xiàn)象，要在隧道超前鉆孔設置孔口管以及控制閘閥。每循環(huán)上臺階打不少于10個加深炮眼，爆破眼要和孔徑大小要保持一致，孔深要比爆破眼深超過3m，這樣可以有效防止有壓力的泥水沖垮，造成突水、突泥事故。

底板巖溶探測采用徑向鉆孔的方式進行，探孔深度5m，橫向間距3m，縱向間距5m，一旦發(fā)現(xiàn)巖溶，加密探孔，并加以雷達進行探測，探明巖溶埋深、填充物情況、排水路徑等情況，再確定整治措施。

3.2 預報涌水量

炮眼爆破后的出水量與爆破前炮眼水噴距之間具有一定的比例關系，因此在對涌水量進行預測時，可以根據(jù)其與噴距之間的數(shù)學比例關系進行計算，水平噴射距離的計算公式如下：

上式中，s代表水平噴射的距離，炮眼和路面的垂直距離用y代表，V是噴射速度，g是重力加速度。

3.2.1 工作方法與步驟

進行涌水量預測的工作步驟主要有以下幾步：(1)將噴射距離最遠的炮眼留下，將其余的炮眼全部堵死；(2)測量水平的噴射距離；(3)計算出當y=1m時，水平噴射距離；(4)預測出開挖后的涌水量級別

3.2.2 噴射距離概略預報涌水級別

(1)如果噴射距離s小于5m，則說明涌水量會小于100/h，所以是裂隙水以及小股或者中股涌水級。所以經(jīng)過探放水后，就可以放心掘進；(2)如果噴距在5-9m之間，那么涌水量就是100-300/h，突水級為小型，經(jīng)過探放水后，可以利用放小炮，進行試探掘進；(3)如果噴距在9-12m，就是中型突水級，需要立刻停工，并調查清楚原因后，才能進行試探性的掘進；(4)如果噴距在12m以上，那么涌水量已經(jīng)超過400/h，已經(jīng)屬于大型的突水級，相關的施工單位必須馬上停止施工，并撤出相關的施工機械，對于突水原因要盡快查明，并采取相應的處理措施。

3.2.3 突泥量的預報

在對突泥量進行預報時，可以根據(jù)泥漿的不同比重，并乘以對應的系數(shù)，從而計算出噴距范圍，最終計算出突泥量的級別。

3.3 突水、突泥的防治

3.3.1 處治原則

在對突水、突泥進行防治時，要秉承保護生態(tài)環(huán)境的原則，在施工安全的前提下，盡可能的不破壞原有的水系，在實際工作中，要遵循“防、排、截、堵相結合”的處理原則。

3.3.2 突水、突泥的防治措施

在防止突水、突泥過程中，主要利用以下幾項措施：(1)利用超前地質預報工作，將溶洞以及暗河的具體位置調查清楚，而且還要詳細了解到巖溶水的發(fā)育情況。(2)當隧道開挖到水源體附近時，不可盲目的放炮，要用大口徑的超前鉆孔對其進行探測并釋放地下水。(3)等到涌水量減少時，用帷幕灌漿技術固結圍巖，這樣可以防止地下水的過度流出從而造成地下水的流失；(4)如果在巖溶隧道中遇到有高壓或者富水充填溶腔時，要采取釋能降壓的方法對其進行排放。

3.3.3 釋能降壓排放

目前針對高壓富水充填溶腔，如果填充介質的可流性比較好，同時壓力不大，水量也不大的情況下，一般采用注漿施工技術取得的效果比較好，但是如果壓力高，水量大，通過注漿技術雖然可以在一定程度上抑制，但是受到目前技術的限制，在開挖過程中，一些注漿的盲區(qū)可能會被高壓水擊穿，造成突水突泥事故。所以在遇到高壓富水溶腔時，一般采用釋能降壓排放，在合適的時機采取有計劃有目的的精確爆破，通過將溶腔炸開，對其進行排水降壓操作，對于一些有條件的，還可以采用地質超前鉆孔技術進行排水降壓操作。

3.4 隧道頂板溶洞充填物陷落和底板塌陷處理措施。

⑴跨越處理：當溶洞的規(guī)模比較大時，而且溶洞內的填充物也比較松軟，導致在進行基礎施工時比較困難，那么就可根據(jù)具體條件采用相應的梁跨、板梁、樁等形式跨越巖溶地段。

⑵錨桿、鋼管加固處理：在清除溶洞內松動的巖石時，為了防止出現(xiàn)溶洞頂板塌陷的危險，一般都會采取用錨桿對巖體進行加固處理，如果隧道高度比較大，要設置橫向鋼軌進行橫撐，對于一些寬敞的巖溶大廳可以采用人字形鋼軌柵架。

(3)底板注漿加固：隧道底部溶洞較小且存在填充物、或底板下溶洞埋深淺、且為分散的小溶洞時，底板以下填充物采用注漿加固處理，加固深度不小于5m，范圍超出隧道拱腳1m。

3.5 巖溶水處理

巖溶隧道的處治原則可總結為：“繞、截、排、越與分部開挖，加強支護相結合”。

(1)繞：如果在施工中遇到特別大的溶洞，或者溶洞難以處理時，為了不停工，可以通過增加出口作業(yè)面或者迂回導坑的方法繞過溶洞區(qū)，這樣就可以一邊施工一邊對溶洞進行處理。

(2)截：根據(jù)勘測結果顯示，如果隧道內的地下水有補給來源時，比如存在有溶穴、落水洞、豎井等，而且會隨著季節(jié)的不同對其補充量也不同時，一般是采用攔截地表水的方法對其進行處理。如果是自然溝槽，就可以在溶穴、落水洞等周圍施作漿砌片石排水溝。如果地表就是一個溶蝕封閉的洼地，那么就可以利用截水溝、泄水暗管等，將水引到隧道的滲泄區(qū)之外。

(3)排：在對隧道進行掘進時，如果遇到溶洞有流水時，盡量排水而不是堵水，第一要對水源進行探測，通過對涌水量的計算，綜合考慮水流的流向以及隧道位置，采取以排水為主，截引相結合的方法。常年流量大的巖溶地下水，即隧道排水溝無法正常完全排走的水，隧道可設排水通道排水，排水通道必須與原有的泄水路徑相連。隧道橫穿溶洞時，隧道占據(jù)原有通道，在隧道側面開挖設置通道與原通道相連，不允許堵塞，防止襯砌背后形成承壓水。排水通道需穿越隧道的，從隧道底部通過，隧道改變底板設計，保證底板不沉陷。溶洞較大但開挖時水量較小時，盡量不將水引入隧道內，必須根據(jù)溶洞形狀，流向及與隧道關系，預留排水通道，確保水能順利排出。即使為干涸的溶洞時，也不允許采取回填，以防出水時無排泄途徑，防止在襯砌背后形成承壓水，危及今后施工和運營安全。

4 巖溶處理實例

4.1 現(xiàn)場施工情況

交尼山隧道出口正在洞內上臺階爆破開挖后，線路左側邊墻下部出現(xiàn)溶洞。實測該溶洞最大深度20m，寬度約2m～8m。溶腔內有少量泥土，且有少量巖溶水，流量約60m3/d。

溶洞平面布置圖

典型斷面

4.2 處理方案

(1)邊墻處設C25砼護拱，厚1.0m，端墻底嵌入基巖內1m。

(2)基底下存在溶洞空腔部位，在隧底架設1m厚底板支撐進行跨越，該段襯砌取消仰拱結構。

(3)對溶洞空腔部分采用清除處理，空腔壁采用錨噴網(wǎng)防護，C25混凝土，厚10cm；Φ22砂漿錨桿，間距1.0×1.0m，每根長3.5m；Φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20×20cm。

(4)在底板處預留Φ200排水管，間距3m，梅花型布置，以用作運營期間空腔內地下水下滲通道。

4.3 治理效果

該溶洞處理采用鋼筋混凝土底板跨越方式，并預留排水通道，確保隧道成功跨越溶洞，目前隧道排水正常，且隧道未發(fā)生大的沉降，滿足今后鐵路運營安全要求。

5 結束語

鐵路隧道基底巖溶施工是一項復雜的技術，施工時必須根據(jù)地質、地下水路徑及水量、填充物等因素，因地制宜綜合制定應對措施，確保隧道底板基礎牢固、周邊承壓水較小，支護結構受力穩(wěn)定。特別時對干涸的溶洞，切記盲目的采用回填，造成排水不暢，產生承壓水，造成支護結構或底板破壞，影響隧道運營安全。

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