鐵路隧道巨型溶洞綜合處治技術研究

王秋

中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶400023

我國西南地區巖溶發育強烈，具有巖溶形態發育齊全、巖溶地質問題特別突出的特征［1］。隨著西南地區鐵路建設不斷發展，鐵路隧道不可避免要穿越溶蝕區，面臨更多大（巨）型巖溶問題，如何有效處治巨型溶洞、保證施工運營安全是亟待解決的重大問題。

近年來，隨著巖溶隧道的大量修建，在巖溶處治方面逐漸形成了“繞、截、排、堵、越、分步開挖與加強支護相結合”的處治原則［2］。“繞”主要指隧道改線繞過溶洞。“截”指的是將巖溶地下水提前截斷，改變其引流方向。“排”指的是對巖溶地下水以排為主，合理導流。“堵”指的是隧道周邊注漿堵水以及采取土石填料、混凝土或其他填充物進行回填的方法形成人工路基。“越”指運用板跨、梁跨、拱跨等方式跨越溶洞。“分步開挖，加強支護”是指隧道開挖過程中嚴格控制沉降變形，同時對支護結構采取加強措施。隧道穿越溶蝕區時，應根據溶洞發育特征采取一種或多種方式相結合的綜合處治方法［3-4］。

關于巨型溶洞處治方法已積累了很多應用實例。黔張常鐵路高山隧道高位斜穿巨型溶洞采用回填洞砟+上部注漿加固的治理方案［5-7］。成貴鐵路玉京山隧道巨型溶洞處治采取五臺階法開挖+多種支護方式并存+模板法施作二次襯砌等施工措施［8-9］。云桂客專營盤山隧道、長昆客專朱砂堡二號隧道巨型溶洞采用大體積空心混凝土分層、分段回填的處治方案［10-11］。龍麟宮隧道巨型溶洞處置采用硬質隧道棄渣回填后再注漿加固處理的方法［12］。羊橋壩隧道巨型溶洞處置采用左線左偏繞避溶洞方案［13］。巖灣隧道特大型溶洞處置采用底部洞渣回填＋上部搭橋跨越的方法，并對隧道結構設置拱形防護［14］。山乾隧道采用設置長泄水洞+集水通道方案，在后期施工和運營中隧道未再發生集中涌水涌泥，治理方案合理有效［15］。對門寨隧道大型溶洞群采用棄渣+C20混凝土分層間隔回填、樁筏結構、混凝土護墻、錨網噴防護、設置泄水洞等措施，整治效果良好［16］。

已經取得的科研成果能夠較好地指導巖溶治理，但渝貴鐵路東山隧道地質構造極為復雜，溶洞廳室最大處面積達11 500 m2，尚無直接可參考借鑒的工程經驗。因此，針對東山隧道實際情況，采用設置前瞻性泄水洞、綜合超前地質預報、注漿堵水、分區段防排水體系、溶洞段立體排水系統、樁板式明洞結構、加強結構及溶洞（腔）壁支護等綜合技術措施，并通過數值模擬驗證方案的合理性。

1 工程概況

重慶—貴陽鐵路擴能改造工程東山隧道位于遵義市桐梓縣婁山關鎮行政管轄區，全長2 748 m。隧道區屬中低山溶蝕構造龍崗谷地地貌，位于東山背斜西翼，巖性多樣，主要穿越可溶巖區段。區內共發育兩條斷層，均具有導水性。地表范圍發育有溶蝕洼地、落水洞、溶洞等巖溶形態，巖溶強烈發育，地質構造極為復雜。東山隧道施工過程中，共揭示溶腔、溶洞多達16處，最大溶洞廳室面積達11 500 m2，屬于巨型溶洞。巖溶主要分布于DK165+900—DK166+300段，并以DK166+260處巖溶洞群為典型，如圖1所示。

圖1 溶洞分布平面示意

由圖1可知，DK166+260處溶洞群整體上由兩個巨型大廳溶洞和伴生小型溶洞、管道及溶隙匯集而成，主廳部分位于線路左側200 m處，廳室面積達到10 800 m2，洞高10～60 m，底部為積水深潭，處上游位置；次廳位于線路右側，廳室面積達11 500 m2，洞高10～30 m，處主廳下游處位置；兩廳之間為小型洞、管道和溶隙所聯通，局部溶孔較密；下游為半隱伏和隱伏溶洞，巖溶水自主廳向右橫穿線路及次廳至下游溶洞消落。

溶洞內分布有以石鐘乳、石筍、石幔等形態存在的化學沉積物，其結構疏松，穩定性差，洞內地形復雜。洞底充填有崩塌成因的塊石土以及沖積成因的黏土和細角礫土，以軟塑狀為主，局部呈流塑狀，絮狀結構，無沉積規律，有流失可能。在沉積黏土層與溶洞巖壁交界處多見流水痕跡，存在多處巖溶泉水、消水洞，隧道左側的巖溶潭水靜儲量約4 000 m3。

2 巖溶水處治方案研究

針對巖溶的不確定性，區分不同情況分別或綜合采取注漿堵水、坑道引流等防排水措施；通過強化綜合超前地質預報，針對具體巖溶情況，深化巖溶突水突泥災害防治及巖溶處理措施。

2.1 綜合超前地質預報

開展施工綜合超前地質預報，并針對巖溶地段特別予以加強預報。根據分段地質及水文條件，詳細設計了不同的組合預報方法。利用地震波探測儀、地質雷達、紅外探水儀等綜合物探手段和深孔水平鉆孔、超前5 m長孔釬探進行超前地質預報，并定量取芯，以準確判定開挖面前方和周邊地質情況，重點關注巖溶地質和地下水的探測，以掌握巖溶具體分布位置、規模、特征及其與隧道的空間位置關系，從而適時調整或強化工程措施以及防排水方案。

2.2 泄水洞超前施工

基于勘察成果預判巖溶及地下水的危害，在出口端線路右側設置泄水洞，并超前于正洞施工，為進一步探明地質條件、排泄雨洪涌水和正洞施工提供保障。

2015年1月，出口工區泄水洞超前正洞施工至XSDK166+250（XS代表泄水洞）附近，超前地質預報即發現巖溶，進一步強化探測，揭示一巨型溶洞。因此，設置繞避不安全地質和溶腔形態的迂回通道（圖2，其中YH表示迂回），以開辟后續正洞工作面，避免了隧道施工與溶洞段補勘及施工作業的干擾，并利用其協調處理當前和后續巖溶問題，實施溶腔段落隧道工程。

圖2 迂回通道示意

2.3 綜合性防排水措施

1）分段區別、各部適應、整體協調治水

針對巖溶管道水，按以排為主的方針疏導引流，采取鞏固和接通既有徑流通路的措施，原路排泄地下徑流，并設置排水坑道以防路徑受阻和雨洪超量。

針對導水斷裂構造、儲水破碎圍巖、零散溶隙，按以堵為主的方針，采取超前注漿、針對性注漿，防止地下水突破薄弱圍巖導致突水突泥災害和環境破壞。針對隧道所臨近的巖溶空腔管道、溶孔溶隙、破碎和軟弱區域，按排堵結合、保證安全的方針綜合采取超前注漿、實地注漿以及局部引排的措施。

引流排水系維持地下水的排泄，不影響環境安全；存在涌水突泥風險地段，以超前注漿進行地層加固和防水；關聯地段，亦堵亦排且固化加強。全隧道結合超前地質預報和氣象條件進行區域水文監測，并聯動采取洞內外防排水措施，從而減少地層內地下水的排放，防止涌水突泥、地表失水和塌陷，規避施工與環境災害。

2）分區段引排水

針對施工揭示的DK165+900—DK166+300段巖溶，采取分區段引排水方案。根據該范圍內不同情況，分為溶洞小里程段、溶洞大里程段及溶洞段三個區段分別引排地下水，見圖3。在線路右側溶洞內設消能匯水池，溶洞小里程段正洞中心溝水流和小型溶腔水分別由排水聯絡通道和泄水孔引入迂回通道排至溶洞內匯水池；線路左側溶洞段地下水由深基礎明洞上方橫向引至右側匯水池，再經由泄水洞排出。溶洞大里程段地下水分別由正洞中心溝和泄水洞直接排出洞外。為防止淤塞，溶洞下游既有消水洞整體維持原狀，不作為主要排水目標方向。

圖3 分區段排水示意（單位：m）

3）綜合立體防排水體系

經施工中補充勘察查明，東山隧道溶洞段DK166+216—DK166+280受巖溶水影響較大。巖溶水系由DK166+200左200 m的溶洞主廳發育，至線路所在溶洞次廳，并于DK166+220—DK166+280橫穿線路至右側，在次廳下游進入消水洞及后續半隱伏和隱伏溶洞。巖溶水包括DK166+250左100 m的溶潭水和DK166+248右25 m巖溶泉水，其中巖溶潭水靜儲量約為4 000 m3。溶洞內常年流水點及間歇性出水點水量變化與地表降雨密切相關，巖溶管道水具有就近補給的特點，溶洞次廳段最大涌水量為78 280 m3/d。為保證巖溶水有效排泄，采取了隧頂截排水溝+邊墻底及拱腰截排水管+隧底過水涵洞的綜合立體排水系統（見圖4和圖5），確保了隧道排水的暢通，保證襯砌結構免受巖溶水危害。

圖4 綜合立體排水示意

圖5 隧頂過水渠示意

3 隧道支護及結構措施研究

3.1 方案比選

正洞及溶腔采取合理的支護及結構措施，保障隧道施工、襯砌結構及運營安全。

1）對于已揭示地下水豐富及溶腔（群）地段、下穿洼地、隱伏巖溶漏斗段，由于水量的急聚性特點，為避免襯砌背后一段時間內較大水量聚集產生開裂現象，襯砌背后不僅預留了排水通道，還采用了鋼筋混凝土結構，且局部空溶腔處設置混凝土護拱，能夠承受一定的水壓力，確保長期運營安全。

2）巨型溶洞段結構選取

東山隧道溶洞發育規模大，空間分布差異大，隧道洞身穿越溶洞段長約60 m，高10～20 m。洞底充填有崩塌成因的塊石土以及沖積成因的黏土和細角礫土，以軟塑狀為主，局部呈流塑狀，有流失可能。在DK166+260處呈V形溶蝕充填深切槽狀侵蝕發育形態。隧道結構及其基底處理是巖溶處理的關鍵工程之一。

根據溶洞的分布形態與地質特征等，設計主要研究了動靜分離橋跨+明洞方案、樁板明洞跨越方案、基底處理+明洞方案，各方案優缺點見表1。綜合考慮巖溶發育特征、施工機具展開等條件，隧道最終采用樁板明洞跨越溶洞的結構形式。

表1 方案優缺點

3.2 結構設計

結合現場溶洞形態及基底狀態，為獲取技術可行、安全可靠、經濟適用的結構尺寸和形式，設計上建立結構體系力學模型，通過受壓彈簧模擬結構與圍巖的相互作用，采用荷載-結構法數值模擬計算得到結構體系內力與變形，并確定結構的尺寸與配筋。

3.2.1 計算模型

60 m溶洞地段擬采用樁基托梁形式穿越，隧道拱頂2 m采用C20素混凝土進行回填，樁基托梁平面布置如圖6所示，典型橫斷面如圖7所示。

圖6 樁基托梁平面布置（單位：mm）

圖7 樁基托梁典型橫斷面（單位：cm）

3.2.2 荷載計算

1）橫向荷載計算

①明洞襯砌所受荷載

參照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［17］附錄G中明洞荷載計算方法，計算明洞拱圈回填土垂直壓力。參照TB 10003—2016中表6.1.9建筑材料的標準重度或計算重度，混凝土及片石混凝土的重度取23 kN/m3，配筋率在3%以內的鋼筋混凝土的重度取25 kN/m3。假定回填C20素混凝土的計算摩擦角為40°，計算得出側壓力系數為0.218。因此，襯砌所受回填土垂直壓力最大值為208 kPa，最小值為46 kPa；回填土側壓力最小值為10.03 kPa，最大值為71.47 kPa。

②列車活載計算

參照文獻［18］，列車活載采用客貨共線的UIC圖式，見圖8。按照最不利荷載處理，假定列車活載為均布線荷載156.25 kN/m，傳遞至底板時，列車荷載分布情況見圖9。

圖8 客貨共線UIC圖式（單位：m）

圖9 列車荷載傳遞至底板的傳遞圖式（考慮沖擊系數）

根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》［19］，列車豎向活載包括列車豎向動力作用，該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數（1+μ），其動力系數為鋼與鋼筋混凝土板結合梁的動力系數，即

式中：L為梁跨度。

當跨度為8 m時，動力系數為1.46；當跨度為7 m時，動力系數為1.47。動力系數應取最大值1.47，因此列車荷載傳遞至隧道底板時的均布荷載為78.3 kPa。

③軌道鋪底荷載

隧道軌頂以下有厚1.629 m的混凝土鋪底，鋪底按照均布荷載37.49 kPa考慮。

④襯砌受力模式及荷載大小

根據明洞所受荷載及荷載分布形式，得出明洞襯砌所受荷載大小及分布，見圖10。圖中，qmin為豎向荷載最小值，qmid為豎向荷載中間值，qmax為豎向荷載最大值，e1為水平荷載最小值，e2為水平荷載最大值，p列車為列車荷載，p鋪底為軌道板荷載。

圖10 明洞襯砌所受荷載大小及分布形式

2）縱向荷載計算

按照橫向荷載計算所求得的樁頂軸力施加在縱梁上，得出縱梁的縱向內力及樁內力。此時縱梁所受荷載已考慮圍巖對其支撐作用，因此縱向荷載計算時不再考慮。

3.2.3 計算參數

1）橫向荷載計算參數。考慮對隧道周圍的填充物進行加固，假定其彈性抗力為50 MPa，圍巖對底板的彈性抗力取30 MPa。考慮溶洞填充物對樁的側摩阻力較小，將樁嵌入基巖（灰巖）2 m，圍巖對其彈性抗力取100 MPa，2 m以上部位的彈性抗力取30 MPa。明洞襯砌及底板材料為C30鋼筋混凝土，樁身材料為C40鋼筋混凝土，根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［18］，材料的物理力學參數見表2。

表2 材料物理力學參數

橫向荷載計算中襯砌和樁的內力與樁長、樁縱向間距有關。可將樁基托梁的橫向荷載計算拆成7個計算工況，綜合選取其中3個典型工況，其縱向長度與荷載見表3。在計算中將縱梁高于明洞底板部分的重量等效成底板重度的增加，換算后可知底板等效重度為36.834 kN/m3。

表3 橫向荷載計算工況的基本參數

2）縱向荷載計算所對應的豎向力見表4。縱向計算參數同橫向計算參數，樁底以上2 m處的圍巖彈性抗力取100 MPa，2 m以上部位的彈性抗力取30 MPa。

表4 縱向荷載計算所對應的豎向力

3.2.4 計算結果

通過有限元軟件MIDAS GTS進行荷載-結構法數值模擬計算，襯砌結構采用梁單元。通過襯砌荷載分布云圖計算得到襯砌結構配筋參數，見表5。其中，裂縫寬度不需驗算，滿足要求；配筋為22@200。

表5 襯砌關鍵截面內力及驗算結果

板梁采用梁單元，通過板梁荷載分布云圖計算得到板梁結構配筋參數，見表6。

表6 連續板梁關鍵截面內力

3.2.5 工程措施

根據計算結果，設計采取了三種措施：

1）隧道穿越溶洞段采用鋼筋混凝土樁板明洞形式，取消中心溝設置，其中明洞拱墻厚80 cm、底板厚150 cm（內設縱橫梁）；基底采用直徑1.5 m的鉆孔樁，樁間距4～8 m。施工中以現場開挖實際情況決定樁長與基礎埋深，同時加強現場勘驗工作，保證隧底結構安全可靠。

2）為提高樁的相對剛度，約束樁頂位移，改善基底性能，溶洞深V形溶槽段基底采用φ75鋼花管注漿加固，鋼管樁間距1.2 m×1.2 m，梅花形布置，長10 m，見圖11。

圖11 典型橫斷面（單位：m）

3）正洞DK166+216—DK166+280段隧道中線左右各10 m范圍，迂回施工通道溶洞內明挖段中線左右各7 m范圍，溶腔頂板設置噴錨支護，噴厚10 cm的C25混凝土；鋼筋網網格間距25 cm×25 cm。φ32全長黏結砂漿錨桿長3～4 m，間距1.5 m×1.5 m，正方形布置。當監測表明需要加強時，再在方形中心增設φ32錨桿或錨索。溶腔頂部支護施工前，須先清除洞頂石鐘乳等松動巖塊，確保施工及后期運營安全。

4 結論

1）根據渝貴鐵路東山隧道巖溶發育特征以及水文地質條件，針對巖溶地下水，采用了前瞻性泄水洞的設置、綜合超前地質預報、注漿堵水、分區段防排水體系以及溶洞段隧頂截排水溝+邊墻底及拱腰截排水管+隧底過水涵洞的綜合立體排水系統，確保了隧道排水的暢通，保證襯砌結構免受巖溶水危害。

2）從施工安全和經濟成本角度出發，結合東山隧道巨型溶洞發育規模、形態及其與隧道空間關系，通過結構數值模擬計算、方案比選，隧道最終采用樁板明洞跨越溶洞的結構形式，同時加強結構及溶洞（腔）壁支護，保證了溶洞處理施工順利進行。

3）東山隧道遭遇巨型溶洞，地質條件復雜，采取了一系列的技術措施，確保了施工安全，降低了施工成本，并形成隧道巖溶水災害防治以及技術合理、經濟最優、廣泛適用的巨型溶洞綜合處理成套技術，可為國內外同類隧道在工程探測、設計以及施工方面提供借鑒。