高速鐵路隧道溶洞排水及支護綜合處理技術

張 磊, 范小龍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

高速鐵路隧道施工開挖揭示溶洞時，一方面圍巖條件較差或隧道周邊有空洞，應對溶洞進行回填、支頂、跨越、注漿加固、加強支護結構等(統稱為支護)，確保圍巖和襯砌結構穩定；另一方面，多個工程案例實踐表明[1-2]，溶洞一般裂隙水、管道水豐富，還應對區域性暗河、隧道周邊地下水、襯砌背后積水等進行有效引排(統稱為排水)，防止襯砌結構承受高水壓，降低對區域徑流的影響。支護和排水是溶洞處理的兩個關鍵技術問題，必須同時處理好。但因為溶洞形態各異、巖溶水徑流復雜、且洞內施工空間狹小，一定程度上支護和排水難以統籌兼顧，有時甚至相互矛盾。例如，有的為保證結構穩定回填了溶洞，造成溶洞堵塞；有的對充填溶洞進行注漿加固，封堵了裂隙水，導致地下水位升高；有時遭遇暗河，采用橋梁跨越，但洞內施工極其困難，且工程造價高昂……

巖溶隧道的排水，從宏觀到微觀，可分為三個層次，一是隧道施工會改變地下水徑流，應盡可能保留區域性暗河等自然過水通道，降低對區域自然環境、當地居民生產生活用水的影響；二是應疏排隧道周邊圍巖水，降低水頭高度，如隧道周邊圍巖水沒有得到有效引排，一直處于高水頭狀態，在暴雨季節，地下水位上升，重新疏通各類管道、裂隙等，涌入、滲入隧道襯砌背后，在襯砌薄弱環節產生滲漏水、射水等病害[1]，甚至擊穿襯砌結構，影響運營安全；三是周邊圍巖水滲透進入初期支護，如不能及時引排，襯砌背后“充滿”水后，與洞周圍巖水連通，形成高水壓，危及襯砌結構安全。

因此，應以高速鐵路隧道所在的區域工程地質條件和水文地質條件為基礎，充分考慮洞內施工條件、施工安全、工程投資等因素，從區域排水、洞周排水、襯砌排水三個層面，系統總結和探索溶洞支護及排水的綜合處理技術，保障運營安全，保護環境。

1 排水及支護綜合處理技術

1.1 區域排水及支護

巖溶地區修建隧道，不時揭示巨型溶洞，這類溶洞往往體積巨大，上下、左右、前后延伸幾十米甚至幾百米，隧道往往“上不著天、下不著地”，洞壁穩定性差，經常伴有洞壁垮塌現象，一般巨型溶洞都與暗河相通，有季節性洪水侵襲，這類溶洞施工安全風險高、難度極大、整治周期極長，往往持續三五年。此外，隧道經常遭遇區域性暗河，暗河一般具有洞徑大、洞壁不穩、過水量大、對區域自然環境和群眾生產生活用水影響大的特點。這些巨型溶洞和暗河，如設計施工處理不好，極容易造成暗河堵塞、溶洞垮塌、襯砌沉降開裂等，導致安全事故，留下運營安全隱患，發生社會穩定事件。針對這類工程問題，可采取兩種處理方案：

1.1.1 保留自然過水通道

在暗河、溶洞等縱向長度不大，對正洞施工影響可控的情況下，應盡可能保留自然過水通道，降低對區域性徑流和地表、地下水環境的影響。首選跨越結構，洞內設橋跨越暗河、溶洞，如貴廣高鐵油竹山隧道[3](圖1)；但暗河通道、溶洞還應考慮岸坡穩定性影響，有時跨度過大，采用橋梁結構，施工難度大，可采用過水型回填結構。如采用混凝土回填，保證洞壁穩定和隧道結構安全，同時，在回填體里埋設大直徑管道，保證過水通暢。貴南高鐵大方山隧道經深入研究論證比選后，即采用了這一方案(圖2)。

圖1 貴廣高鐵油竹山隧道采用拱橋跨越暗河

圖2 貴南高鐵大方山隧道采用混凝土回填+埋設涵管方式處理暗河

1.1.2 局部改移暗河

針對一些規模特別巨大、洞內空間狹小無施工條件、施工安全風險極大的暗河或溶洞等，則回填暗河、溶洞作為施工平臺和隧道支撐基礎，并對暗河進行局部改移。

以朱砂堡二號隧道為例[4](圖3、圖4)，巨型溶洞底部縱向長約80 m，橫向寬約53 m，高約58 m，隧道從溶洞頂部通過，隧底距溶洞底部高約45 m；該隧道還揭示一條暗河，隧道位于暗河頂板以上0～20 m，暗河底板位于隧底60～110 m深，縱向長約20～35 m，暗河水流量約233×104m3/d。經多方案比選論證，最終通過施工導洞、施工支洞采用C20混凝土對巨型溶洞和暗河回填至隧底，作為施工和隧道結構支撐的平臺，并增設泄水洞，對暗河進行局部改移，保證了隧道結構和區域性徑流的穩定，降低了環境影響。該方案的成功實施，開創了該類溶洞和暗河整治的新思路，后續陸續揭示的南昆客專營盤山隧道巨型溶洞、成貴高鐵玉京山隧道巨型溶洞等，都延續了這一基本思路。

圖3 滬昆高鐵朱砂堡二號隧道局部改移暗河平面布置

圖4 滬昆高鐵朱砂堡二號隧道巨型溶洞回填斷面

1.2 洞周排水及支護

隧道開挖后，如揭示或探測發現溶洞，則應充分引排隧道周邊的裂隙水、管道水、溶腔水、溶洞水等，降低洞周的地下水位。洞周排水有兩種形式，一是引排到正洞之外的排水通道，如平導或泄水洞，有條件時應盡量采用這種方式，沒有條件的，則采用第二種方式，即埋管或打孔引入正洞。

第一種方式，應設過水通道，直接將管道、溶腔等接入泄水洞，特殊情況下則直接設泄水洞引出洞外，實現正洞排水降壓。存在空溶洞的，則應設混凝土護墻或護拱，保證結構安全(圖5)。

圖5 溶洞增設排水通道及護墻斷面

第二種方式，則比較復雜，需對各類溶洞進行針對性設計(圖6)。

針對巖溶管道：一般開槽埋設較大直徑如φ500 mm以上的排水管，將管道直接引入正洞水溝；如排水不暢，則可能影響襯砌結構安全，但如果管道水量大、水壓高、泥沙含量高的，則運營期間可能頻繁涌水涌砂，淤堵水溝，淹沒道床[5]。這時候，往往要在巖溶管道處擴挖設置沉淀池等，對管道水進行緩沖消能和泥沙沉淀，運營期間定期維護清理。

圖6 大型巖溶管道水處設置沉淀池緩沖效能和泥沙沉淀

針對拱墻空溶洞：沒有明顯的巖溶管道的，一般應在拱頂設置護拱，邊墻上設置護墻，防止襯砌背后大面積脫空或上方落石沖擊或溶洞垮塌破壞襯砌，并埋設若干排水管直接引入中心水溝或引入襯砌背后縱環向盲管；如果空洞較小的，則可采用透水的砂卵石、干砌片石等充填空洞，既保證了結構的穩定性、也保證了圍巖的透水性；如考慮施工方便、快速、安全，則可采用混凝土回填密實，再打設集水鉆孔，同樣防止了襯砌周邊空洞，同時保證了洞周排水通暢(圖7)。

圖7 混凝土回填溶洞后設集水鉆孔引排巖溶水

針對拱墻充填溶洞：位于拱墻的，應采取超前注漿或徑向注漿加固措施，改善圍巖物理力學性能，提高圍巖彈性抗力，保證結構安全，但注漿的同時，也往往封堵了地下水，留下了安全隱患。因此，可在注漿加固范圍內，增設一定間距、一定長度的集水鉆孔，或者拱部注漿堵水、邊墻鉆孔排水，做到“有堵有排、堵排結合”。

一般可巖溶地層：鑒于巖溶水發育的不確定性，巖溶隧道兩側邊墻均應設泄水孔[6](圖8)，縱向間距2～4 m不等，且一般應入巖不小于50 cm。實踐證明，邊墻泄水孔是降低水頭、充分排水的一項關鍵措施。

圖8 邊墻泄水孔設計

1.3 襯砌排水及支護

襯砌結構是隧道開挖后控制圍巖變形、支撐圍巖的一種支護措施，在保證圍巖穩定、結構穩定的同時，還應充分引排周邊圍巖滲透到襯砌背后的地下水，否則，襯砌可能承受高水壓。

復合式襯砌由初期支護和二次襯砌構成，兩者之間設置了一層防水板，防水板背后設置了縱向、環向排水盲管等排水措施，以充分引排滲透到初期支護和二次襯砌之間的地下水，做到“防排結合”。無集中管道、大面積裂隙水發育地段，要加密、加粗盲管，或增加凸殼型排水板，施工縫還可采用排水型止水帶，施工縫滲漏水直接通過止水帶排到洞內水溝。復合式襯砌是目前最常用的襯砌結構體系，適用于對絕大多數地段，但由于初期支護和二次襯砌是密貼的，混凝土澆筑過程中，縱環向盲管容易擠壓變形，運營中常有結晶和泥沙淤堵，排水能力有限，有特殊排水要求的則不一定適用。

離壁式襯砌多用于基巖完整穩定地段，基巖和襯砌之間分離設置，中間的空間即可作為排水通道(圖9)。如果圍巖較差，可設置錨噴襯砌對圍巖進行支護，確保圍巖穩定，二次襯砌與初期支護之間分離設置作為排水通道。對于離壁式襯砌，在鐵路隧道中，從工程投資、施工方便等角度，難以大范圍實施，但對于拱頂密集分布多個巖溶管道和出水點，難以逐點引排的，可參照離壁式襯砌的理念，對隧道縱向5～8 m范圍內向外擴挖2～3 m，進一步揭示巖溶管道，設初期支護保證圍巖穩定，讓巖溶水順暢排出，設護拱和襯砌作為結構安全儲備和防水結構，兩者之間留出高度1 m左右的排水通道，引排至附近的泄水洞。貴南高鐵德惠隧道拱頂巖溶管道即按此方案設計施工，取得了良好的效果。

圖9 離壁式襯砌排水示意

隧道開挖揭示溶洞地段，一般圍巖條件較差，地下水豐富，要加強排水，也要加強結構支護，但無論是噴射混凝土還是澆筑模筑混凝土，都可能封堵裂隙和管道，造成排水不暢，留下安全隱患。尤其是泄水洞，設置的主要目的就是為正洞排水降壓，但揭示溶洞地段，為保證結構安全，增設了二次襯砌，可能堵住了地下水。在常規的打孔引排不能滿足排水要求時，可采用“花襯”來解決這一難題。有的設置在拱部，有的設置在邊墻，或者縱向間隔設置襯砌等，既能解決結構穩定問題，又能解決排水問題。

2 結論

(1)巨型溶腔、暗河等，可采用洞渣、混凝土回填的方式創造施工平臺，降低施工風險和難度，可在回填體中埋設過水管道，也可以局部改移暗河，保證暗河排水暢通，盡量減少對區域徑流的影響，保護環境。

(2)應結合具體情況選用排水通道、埋管、集水鉆孔、沉淀池、邊墻泄水孔等方式充分引排巖溶水，降低洞周水位，并采用支頂、回填、護墻(拱)、注漿等措施支護溶洞。

(3)特殊條件下，可采用離壁式襯砌、間隔設置二次襯砌等，保證排水暢通和結構安全。