高鐵隧道穿越巨型空腔深大溶洞處治施工技術

顧偉

摘要：高鐵隧道穿越巨型溶洞中存在著極大的施工風險，本文以云桂鐵路營盤山隧道穿越巨型溶洞為依托，對繞行、溶洞回填、框架基礎跨越及橋梁跨越四種穿越方案進行對比分析，得出溶洞回填在安全性、工期及造價方面較優的結論。然后依據隧道和溶洞不同斷面分布的特點，綜合采用了基底注漿加固、混凝土回填、土石回填、洞壁錨噴防護、二襯多層防護等措施，確保施工的安全和運營安全。經過數值計算分析，表明結構的安全性滿足要求。該文的研究結論可為類似工程提供參考。

Abstract： Great risks exist in construction of high-speed railway tunnels through huge karst caves. This paper is based on the Yingpanshan tunnel of Yunnan-Guangxi railway， which crosses huge karst cave. Four schemes， bypass， backfill， frame foundation and bridge， are compared， the result of which shows that the backfill scheme has advantage in safety， time limit and cost. According to the characteristics of different sections of tunnels and karst cave， base grouting reinforcement， concrete backfilling， earth and rock backfilling， shotcrete-bolt and lining protection are utilized. Numerical analysis shows that the safety of the structure meets the requirements. The conclusion of this paper can provide reference for similar projects.

關鍵詞：高鐵隧道；巨型溶洞；注漿加固；基底回填；襯砌防護

Key words： speed railway tunnel；huge karst cave；grouting reinforcement；backfill；lining protection

中圖分類號：[U25] 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0104-05

0 引言

隨著我國高鐵建設的進一步向西南地區輻射，而相應的高鐵隧道在線路總長中的占比也越來越高。我國的云貴地區存在著范圍極廣的碳酸鹽分布，巖溶洞穴的處理是高鐵穿越該區域面臨的最為普遍的施工難題。

巖溶洞穴處理應根據隧道與洞穴的位置關系以及洞穴的大小，采取繞避、加固、封閉堵塞、跨越處理措施[1]。國內在處理相應隧道工程中也積累的相應的經驗，如表1所示。

云桂鐵路客運專線云南段營盤山隧道穿越一空腔溶洞，有溶洞規模較大、隧道從溶洞中上部穿越，施工安全和工后沉降難以控制的特點，施工難度極大。當前既有的技術無法滿足隧道穿越該空腔溶洞的要求，必須從基底處置、洞壁排險及襯砌防護等方面進行技術的升級和優化，保證施工及后期運營的安全。

1 工程概況

營盤山隧道全長3481m，進口里程DK394+ 665。設計時速250km/h雙線無碴軌道隧道。該隧道屬構造剝蝕、溶蝕地貌。巖性為二疊系下統（P1）灰巖，巖溶強烈發育。

空腔溶洞分布于DK396+440～DK396+700段。從左向右發育。與線路中線平面交角約11°。溶洞長度260m，寬度10～38m不等，溶洞呈“梨”狀，向上收窄變小，高約10-86m不等。溶洞頂最高處超過拱頂以上35m，軌面以下深度76m，與線路影響范圍170m，溶洞大小約20萬立方米。溶洞內部如圖1所示。溶洞的范圍如圖2所示。

洞壁及洞頂坍塌塊石土層呈棕黃色、潮濕、松散形態，最大塊徑長約20m。溶洞底補勘資料：塊石之間空隙較大，局部充填黏土。DK396+535～ DK396+585段頂板距上層溶洞底板約7～22m塊石土下方發育有不規則空溶洞。溶洞內水文地質特征：溶洞處于巖溶垂直滲流帶，雨季最大積水深約50～100mm，溶洞內底板存在暗河等常年巖溶管道水。底部漏斗垂直巖溶管道下滲消失于DK396+635～+665一帶。匯水面積0.01km2，最大流水量1300m3/d。雨季無明顯積水。

綜合分析，整體的溶洞對隧道結構的穩定性影響如下：

①DK396+540～+655段隧道從溶洞中部穿越。該處溶洞底部遍布塊石土，并有隱伏空溶洞。影響隧道結構安全。

②側壁遍布由層理、節理及溶蝕裂隙切割而形成危石。周邊不穩定巖體厚度約5～10m。在地震、爆破震動等情況下，易出現洞壁巖塊掉落或小型坍方，影響施工安全及運營安全。

③隧道頂至溶洞頂30余米。溶洞頂層理、節理及溶蝕裂隙切割明顯，在外力或風化作用下，掉落巨石會對隧道頂造成巨大沖擊。

因此，本技術主要解決如上所述的三個基本問題。

2 空腔溶洞的處置方案的確定

基于對于安全、工期及投資的方案比選采用：隧道基礎范圍溶洞回填處理方案。

對隧道下部空溶洞進行回填處理，為隧道結構提供基礎，同時維護溶洞壁，避免溶洞壁今后繼續溶蝕坍塌危及運營安全。如圖3所示。

該方案有利隧道洞頂、洞壁防護措施的處理和施做。回填大體積砼施工要克服水化熱等帶來的質量控制問題，同時由于溶洞底分布較厚的塊石土，且塊石之間空隙較大，有可能發生不均勻沉降，需進行必要的處理。增加投資約為0.8億元。

3 施工流程及原則

3.1 施工流程

施工流程如圖4所示。

3.2 施工步驟

① 隧道正洞中施工橫通道進入溶洞；

②搭設小防護棚架對溶洞底大塊石進行爆破分解，震動清危及在洞壁定點定向爆破清危；

③從導洞進入溶洞后在局部進行錨網噴，開始填筑便道；

④平整540-600段場地并開始搭設540-600段防護棚架；

⑤開始對535-585段隱伏溶洞鉆孔并灌注稀釋砼，同時對600-655段用自卸車傾填土石；

⑥防護棚架從600位置隨填土延伸至655段；

⑦開始對640-645段基底進行鋼花管注漿，并對540-640段用袖閥管注漿；

⑧隨注漿的完成從645及540分別開始以縱向10m為單位向中間施工第一層鋼架混凝土，厚度1m；

⑨抬高防護棚架，施工第二層混凝土，厚度2m，按照2m分層依次施工；

⑩施工正洞明洞段拱部防護及砂袋填充；

{11}施工正洞至貫通；

{12}利用橫通道進行剩余空腔土石方回填；

{13}對填土上方及隧道護拱上方12m范圍內進行錨網噴及掛被動網永久防護。

3.3 處置原則

①隧道結構位于溶洞范圍外，溶洞側壁距離隧道開挖輪廓距離在10m以內時，對靠線路側溶洞壁的局部倒懸地段采用混凝土支頂，并結合其形態及施工需要對局部地段采用土石或棄碴回填，對一定范圍溶洞壁采用錨網噴防護。

②隧道結構位于溶洞范圍內或隧道結構位于溶洞上方但溶洞頂板基巖厚度小于5m時，對隧道底部空溶洞采用C20混凝土回填。并在大體積混凝土中設置空心柱降低混凝土水化熱的措施。

③對基底以下有隱伏空溶洞時，采用回填砂礫石、砼及砂漿。

④當回填混凝土基底為土層時，對土層采取注漿處理措施。

⑤隧道邊墻及拱部露空時，必須設置護墻、護拱等保護層及緩沖層等防護措施，其防護厚度不小于3m。

⑥對隧底混凝土回填后剩余的溶洞空腔，采用土石或棄碴對回填混凝土與遠離線路側的溶洞壁之間空腔進行回填，回填高度按隧底以下5m進行控制，并利用土石回填面對溶洞壁進行加固防護。

4 溶洞分段處置措施及內容

4.1 DK396+440～DK396+480（40m）

該段溶洞分布于線路左側，溶洞壁距隧道開挖輪廓線從27m漸變到13m左右，其低于隧道軌面以下約16m。基于處置原則，該部分不做處理。

4.2 DK396+480～DK396+540（60m）

對該段隧道側溶洞壁倒懸部位設置C20砼進行支頂，溶洞處理完成后，利用土石或隧道棄碴對剩余溶洞空腔進行分層回填，在土石最后回填完成后，利用頂面平臺，對溶洞壁進行錨網噴防護，其防護高度為回填頂面以上10m，錨網噴參數為噴C20砼15cm，鋼筋網采用Φ6鋼筋網，網格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。典型處理斷面如圖5所示。

4.3 DK396+540～DK396+655（115m）

K396+540～+655段隧道位于溶洞中部及以上位置，且空溶洞底部分布塊石土、其下部分段落還分布有隱伏空溶洞等，對隧道結構影響大，是處置的主要區域。根據不同的段落及具體處理內容，分別處置如下：

4.3.1 DK396+540～DK396+585段下層隱伏空溶洞處理

①對下層空溶洞處理采用鉆孔泵送礫石、細石混凝土等進行回填；

②鉆孔采用直徑Φ300mm鉆孔，鉆孔時按“灌探結合”原則，兩側孔布置間距為4m×4m，中間孔布置間距為8m×8m；

③回填時按先兩側后中間的順序回填；

④回填完成后，應設置不少于5個檢查孔進行檢查，對空洞較大地段應補孔回填。

4.3.2 空溶洞底部塊石土層的處理

①對塊石土進行注漿加固處理，通過注漿充填塊石土之間的空隙，提高塊石土層的整體性；

②DK396+540～+640段100m，注漿方式為袖閥管注漿，注漿鉆孔采用直徑Φ76mm，注漿管采用Φ51袖閥注漿管；

③DK396+540～+545段5m，注漿方式為鋼管樁注漿，注漿鉆孔采用直徑Φ91mm鉆孔，設置Φ76注漿鋼花管。

④注漿前，需先對溶洞底部的大塊石、孤石等進行破解、清除溶洞底部的淤泥、軟土等沉積物，并對塊石土層進行整平，局部進行硬化，以形成注漿平臺。

⑤注漿材料采用C20水泥砂漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.6：1～1：1。

⑥當鉆孔揭示有較大空腔、裂隙時，可先采用充填砂、碎石等進行充填后再進行注漿。

⑦為確保注漿效果，注漿完成后需設置檢查孔對注漿效果進行檢驗，檢查孔布置按注漿孔的3%進行布置。

4.3.3 隧道底部空溶洞回填處理

①DK396+540～+655段115m，對隧底以下空溶洞采用C20混凝土進行回填。

②混凝土回填應分層、分段實施，回填共分四層進行回填，第一層混凝土厚度為4.5m～12m；施工時從小里程往大里程方向進行回填，縱向分段長度為10～15m，并于回填層內設置型鋼骨架及鋼筋網片，型鋼骨架采用I18型鋼，縱向間距0.5m，鋼筋網片采用Φ22鋼筋網，網格間距20cm×20cm，其中DK396+540～+640段，設置單層型鋼骨架及鋼筋網片，DK396+640～+655段設置雙層型鋼骨架及鋼筋網片；

③第二層混凝土厚7.48m～8.71m，底部最寬約32m，平均寬度約25m，設置1：0.3的外側坡率；

④第三層混凝土厚8m，底部最寬約27m，平均寬度約21m，設置1：0.3的外側坡率；

⑤第四層混凝土厚8m，底部最寬約21m，平均寬度約18m，設置1：0.3的外側坡率，其頂部寬度按襯砌結構外5m保護層基礎寬度及2m施工平臺寬度進行控制；

⑥為減少大體積混凝土澆筑過程中的水化熱，在第二、三、四層混凝土澆筑時分層預留2.2m×1.8m的空心柱；

⑦各層混凝土在縱向分段澆筑時，各段之間需設置變形縫，變形縫寬3cm，其間充填木板或瀝青麻絲；

⑧溶洞處理完成后，利用迂回施工通道中的施工支洞采用土石或隧道棄碴對剩余溶洞空腔進行分層回填；

⑨遠離線路側溶洞壁進行錨網噴防護，其防護高度為回填頂面以上10m，錨網噴參數為噴C20砼15cm，鋼筋網采用Φ6鋼筋網，網格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。

4.3.4 隧道邊墻及拱頂空溶洞處理

①DK396+540～+545段，襯砌外溶洞壁厚度小于2m，在隧道開挖前，先利用混凝土回填頂面對隧底以上10～14m范圍的靠線路側溶洞壁進行錨網噴防護，并于襯砌外設置不小于3m的混凝土保護層，二襯施做完成后，在保護層外側回填1m厚的沙袋緩沖層。

②DK396+545～+590段，襯砌基礎左側露空，右側位于基巖，在隧道開挖前，先利用混凝土回填頂面對拱頂以上4m范圍溶洞壁進行錨網噴防護，并于露空邊墻外側及拱頂設置1.5m厚護拱，護拱采用C25砼澆筑，內側0.5m設置鋼筋，護拱基礎與隧底回填混凝土采用接茬鋼筋連接，拱部與溶洞壁采用錨桿連接；正洞開挖及初支完成后，對護拱進行檢查，在護拱外側回填混凝土形成保護層，保護層采用C25砼澆筑，基礎寬度3.5m，高15m，邊墻外側坡率1：0.3，拱部坡率1：5，確保襯砌外最小保護厚度不小于3m；二襯施做完成后，在保護層頂部及邊墻外側回填沙袋緩沖層，并利用保護層平臺對保護層以上10m范圍內靠線路側溶洞壁進行錨網噴防護；最后在保護層頂部設置一道被動防護網進行加強防護。

③DK396+590～+600段，該段溶洞基礎左側露空，右側位于基巖，拱頂以上空溶洞高度小于4m，在隧道開挖前先利用混凝土回填頂面對隧道開挖范圍外的溶洞壁進行錨網噴防護；正洞開挖后，完善拱墻初支鋼架，對溶洞開挖范圍內的溶洞壁采用錨網噴初期支護；對襯砌外側的空溶洞采用C25砼進行回填；邊墻外側回填混凝土基礎寬度5m，設置1：0.3坡率，拱頂以上空溶洞采用混凝土回填密實。

該區段的處理典型斷面如圖6所示。

4.4 DK396+655～+700（45m）

該段隧道位于溶洞上方，隧底空溶洞頂板厚度超過5m，該段空溶采用土石或隧道棄碴回填，其中溶洞頂部3m范圍采用土石回填較困難區域采用先縱向埋管，后退灌注混凝土方式進行回填，回填材料采用C20砼，其余地段采用土石回填。該段中土石回填與相鄰段混凝土回填同時進行。

為提高該段中溶洞壁的穩定性，對該段溶洞拱部10m范圍的溶洞壁采用錨網噴進行加固，錨網噴參數為噴C20砼15cm，鋼筋網采用Φ6鋼筋網，網格間距25cm×25cm，錨桿采用Φ22砂漿錨桿（設墊板），每根長4m，間距1.2m×1.2m。

該段的典型斷面處置如圖7所示。

5 處置過程安全檢算分析

5.1 計算模型

用ANSYS大型有限元計算軟件，用Plane42模擬圍巖、注漿加固區、混凝土回填及襯砌結構。根據隧道設計圖的斷面情況分析，混凝土回填量最大的斷面位于DK396+570，軌面距離溶洞底部為33.52m。計算模型如圖8所示。計算參數如表2所示。

5.2 列車荷載的選取

高鐵設計規范中對于列車的豎向荷載按照如圖9所示的ZK標準活載和圖10所示的ZK特種活載進行選取。根據最不利原則，考慮兩列列車同時作用在該斷面，豎向力分別為250kN。

5.3 計算結果分析

計算后的豎向應力計豎向位移如圖11和圖12所示。

從兩圖中可以得到：

①在混凝土施作之前，最大的應力區域位于注漿加固區內，且增加的最大應力還不足1MPa，是較小的；

②混凝土施作后，隨著混凝土的逐步施作，其最大的應力主要位于第一層混凝土板的邊緣，且最大應力遠遠未超過混凝土的抗壓強度，當側邊的土石回填后，最大的應力處于襯砌右側墻腳下方，也未超過混凝土的強度；

③隨著混凝土的逐步施作，最大的豎向位移值逐漸增大，且最大位移處隨著混凝土層的逐漸加厚而逐漸向上移動，最終處于第一層和第二層混凝土之間；

④在列車活載作用下，混凝土基礎的沉降為0.3mm，遠小于對無砟軌道的沉降要求（2mm）。

6 結論

以云桂鐵路客運專線營盤山隧道穿越巨型深大溶洞的實際工程為依托，對比分析不同的處置措施，結合工程的實際情況，得到了如下的研究結論。

①營盤山隧道溶洞主要特點為溶洞規模較大、隧道從溶洞中上部穿越，施工安全和工后沉降難以控制，采用隧道基礎范圍溶洞回填處理方案有施工速度快、安全性高、造價低的優點；

②綜合采用了基底注漿加固、混凝土回填、土石回填、洞壁錨噴防護、二襯多層防護等措施，確保施工的安全和運營安全；

③通過數值模擬的計算表明該方法的安全性是滿足要求的。

隨著云桂鐵路的開通，經過2年多的實際運營，表明該施工技術的安全性和可靠性，具有極強的應用推廣價值。

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