鐵路隧道穿越的復雜管道型溶洞處治技術

王秋

中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023

我國喀斯特地貌覆蓋面寬廣，特別是云貴川地區溶蝕分布廣泛，發育強烈［1］。隨著西南地區鐵路路網的建設。隧道穿越可溶巖地層段落越來越長，面臨的喀斯特地質問題愈發突出。

近些年，國內溶洞及巖溶水成功處治的案例越來越多。宜萬鐵路馬鹿箐隧道針對充填富水溶洞采取了加強支護、注漿加固等措施，確保了隧道安全［2-3］；渝貴鐵路東山隧道采取了泄水洞、分區段防排水及跨越溶洞的結構形式對巨型過水溶洞進行了處理［4］；宜萬鐵路龍麟宮隧道對所揭示半充填大型溶洞采取了立柱支頂與錨噴結合加固、復合地基的設計方案［5］；長昆鐵路朱砂堡二號隧道采用空心混凝土對特大型溶腔進行了回填處理［6］；奉巫高速羊角壩隧道采用了繞避大型溶洞的改線方案，取得了良好的經濟技術效果［7］；宜萬鐵路針對規模化溶洞采取了回填、板跨、橋跨等多種處理方式［8］。隨著巖溶隧道的大量修建，在巖溶處治方面逐漸形成了繞避、截排、封堵、跨越的處治原則［9］。但鑒于溶洞及巖溶水的復雜多變性及獨特性，其處理措施不盡相同，若處治不當易對隧道結構及運營安全造成重大影響［10］。

本文以重慶—貴陽鐵路宗家山隧道為依托，結合隧道區域工程地質、水文地質條件，根據揭示的溶洞和巖溶水特性，開展了復雜管道型溶洞處治技術研究。

1 工程概況

宗家山隧道位于貴州省桐梓縣境內，為時速200 km/h的客貨共線雙線隧道，全長2 770 m，隧道線路縱坡為5.9‰、15.5‰的單面上坡。隧址區屬構造侵蝕溶蝕中山峽谷地貌，洞身主要穿越志留系下統石牛欄組地層，巖性為灰色泥灰巖，地表存在溶蝕洼地、落水洞等巖溶形態，巖溶強烈發育，存在涌水危害，最大埋深約170 m。

宗家山隧道施工至D2K171+320時，拱頂左上側揭示出溶洞，溶洞寬約2 m，在拱頂以上約4 m。經測繪發現該溶洞小里程端始于D2K171+260線路左側，大里程端延伸至D2K171+550處巖溶坍塌區，兩端無法進入。

溶洞主通道迂回，支洞發育，與隧道線路交角小。溶洞管道體系與隧道線路多次交叉，在D2K171+450處合并后分成左右兩支洞并繼續向前發展。各交叉處溶洞洞頂高于隧道拱頂0～8 m，底部侵入隧道輪廓最大約6 m。溶洞管道遍布于該段隧道洞身兩側，溶洞與隧道的位置關系如圖1。工程地質與水文地質情況分述如下。

1）工程地質

溶洞段隧道位于中厚層泥灰巖地層，隱晶結構，質硬，隧道邊墻及底部巖體完整，溶蝕不發育；溶洞區域內巖層產狀近水平，溶洞發育的總體方向約為N2°～10°E，巖體溶蝕現象明顯，洞壁局部風化嚴重，穩定性差。

圖1 隧道與溶洞位置關系

溶洞堆積物由化學沉積物、崩積物、沖積物等構成，其中化學沉積物主要為碳酸鈣沉淀物，主要表現為石筍、石柱、石鐘乳及石幔；崩積的塊石在溶洞中零星分布，多為新近崩塌物，塊體體積多為0.5～2.0 m3；沖積物主要分布于溶洞底部低洼區，以黏土、碎石和角礫為主，充填厚度在0～3 m，各組成物比例變化較大，分布規律不強，無明顯的成層特征。

2）水文地質

隨著隧道開挖掘進，陸續揭示了多處溶洞，其中僅D2K171+360處溶洞底部有流水，水流量約10 L/s，水質清澈。其他部位揭示出的溶洞未見流水，但對與之相通的巖溶管道踏勘發現相對低洼的溶洞段有積水。

經洞外調查及一個雨季的洞內觀測，該溶洞在雨季有間歇性流水，水量嚴格受降雨控制，暴雨期水量驟增，且帶有泥沙。調查發現，與該溶洞有直接水力聯系的地表匯水點有兩處：①D2K170+550左側270 m的水井灣消水洞，承接約0.022 km2的匯水面積；②D2K170+080左側460 m的馬孔消水洞，承接約0.213 km2的匯水面積。

2015年5月15日桐梓普降暴雨，降雨量達到118.2 mm，隧道溶洞段水量暴增且出水渾濁，隧道涌水滯后于隧址區降雨約半小時，涌水對降雨高度響應，經測算，極端降雨條件下最大涌水量將達25 350 m3/h。

綜上，隧道揭示溶洞巖溶管道發育，與地表落水洞連通性好，巖溶水具有流域補、徑、排特點，瞬時水量大，且水中帶有泥沙沉積，對隧道結構及運營安全存在重大影響。

2 處治方案比選

隧道溶洞規模大，支洞發育，與隧道交叉關系復雜，局部洞壁穩定性較差，巖溶水受降雨補給強烈，瞬時水量大，洞內水溝已不能滿足巖溶季節性涌水排泄需求，因此，溶洞處理主要考慮巖溶水處治及襯砌結構安全。根據溶洞形態及水文地質條件，可選的處治方案主要有以堵為主的抗水壓襯砌方案和以排為主的泄水洞方案。

1）抗水壓襯砌方案

結合溶洞段隧道與地表的關聯，為獲取安全可靠的襯砌結構參數，采用荷載結構法計算得到結構體系內力與變形，并確定結構的尺寸與配筋。

因水井灣消水洞距隧道垂直高度120 m，按最不利水頭高度計算，該段襯砌承受水壓最大將達1.2 MPa。通過MIDAS GTS軟件對隧道襯砌進行抗水壓設計和配筋，參數如下：襯砌重度25 kN/m3，圍巖豎向荷載84 kPa，側向水平圍巖壓力為6～26 kPa，呈線性分布；水壓1.2 MPa。圍巖彈性反力系數取500 MPa/m。襯砌內力分布見圖2，內力及配筋計算結果見表1。

圖2 襯砌內力分布

表1 內力及配筋計算結果

計算結果表明，若采用抗水壓襯砌方案，襯砌厚度需不小于85 cm，且結構每米最小配筋不小于7根?28 HRB400鋼筋。

2）泄水洞方案

因溶洞分布范圍廣且與隧道多次交叉，結合隧區左高右低地形及水文特點，于溶洞段隧道左側設置集水廊道，橫向下穿隧道段設置泄水洞引排集水廊道內巖溶水至洞外（圖3）。

圖3 集水廊道與泄水洞平面布置

增設泄水洞后溶洞段隧道正洞襯砌不再考慮水壓影響，僅考慮承受周邊圍巖壓力即可。

3）方案比選

根據宗家山隧道地貌，結合溶洞及巖溶水特點，對兩種方案進行分析。方案對比見表2。

表2 方案對比

由表2可知，泄水洞方案雖工期較長，但從交叉段溶腔處理、巖溶水的有效引排、隧道結構及長期運營安全考慮，該方案更優。因此，最終以泄水洞方案為主，同時采用設置局部排水聯絡坑道和排水鉆孔、溶洞內封堵疏排、加強局部襯砌等綜合處治措施。

3 處治方案設計與施工

3.1 集排水設計

1）集水廊道。①于正洞D2K171+255—D2K171+465段左線線路中線左側16.9 m處平行設置集水廊道，全長210 m。集水廊道設置為V形坡，其中JSD2K171+255—JSD2K171+345段為-10‰的下坡，JSD2K171+345—JSD2K171+465段為15‰的上坡。②集水廊道采用模筑襯砌，斷面凈空尺寸為3.5 m×3.5 m（寬×高）。

2）泄水洞。①垂直于隧道正洞線路設置泄水洞（圖4），其起點接集水廊道的最低點JSD2K171+345，泄水洞全長124 m，坡度為-30‰的單面下坡。②泄水洞與正洞交叉段采用箱涵襯砌，其凈空尺寸（寬×高）為2.5 m×1.5 m；其余段落的凈空斷面與集水廊道相同。

圖4 泄水洞與集水廊道、正洞的交叉關系

3）排水聯絡坑道。①為有效引排巖溶水，于集水廊道JSD2K171+280右側、JSD2K171+385左側各設置1條排水聯絡通道，將上游管道水全部截排至集水廊道。②泄水洞XSDK0+033左側設置1條排水聯絡通道與溶腔連通，將管道可能的其他涌水疏排至泄水洞。③于溶洞內合適位置設置多處混凝土封堵，確保將季節性涌水在隧道遠端有效引排入集水廊道內。巖溶水引排平面布置見圖5。④為方便施工及檢修，并避免巖溶水沖刷破壞圍巖，影響隧道結構及運營安全，排水聯絡通道凈空尺寸設為2.0 m×2.0 m（寬×高），襯砌采用鋼筋混凝土，入口段設為喇叭口漸開形。排水聯絡通道布置見圖6。

圖5 巖溶水引排平面布置（箭頭表示水流方向）

圖6 排水聯絡通道布置

4）排水鉆孔。①結合排水聯絡通道的布置，于集水廊道JSD2K171+305、JSD2K171+357、JSD2K171+375里程右側以及泄水洞XSDK0+039右側分別布設?76 mm的排水鉆孔接通溶腔，每斷面鉆設3～6孔，引排溶洞管道內積水至集水廊道或泄水洞。排水鉆孔典型斷面見圖7。②作為集水、排水通道，集水廊道及泄水洞均不設防水層，襯砌施作完成后集水廊道及泄水洞（除箱涵段）沿襯砌內緣徑向施作?50 mm鉆孔，孔深1.0 m，沿襯砌內緣環向及縱向間距均為1.0 m，呈梅花形布置。

圖7 排水鉆孔典型斷面

3.2 溶洞及其影響段正洞處治方案設計

1）溶洞處治措施。①溶洞底部多填充碎石、角礫，為減少巖溶水下滲，對D2K171+255—D2K171+465范圍內溶洞底部進行清理并采用C20混凝土鋪砌，使鋪砌面對排水聯絡通道或排水鉆孔呈下坡。②鑒于溶洞裂隙較發育且局部存在掉塊風險，與正洞交叉段的溶洞應清除洞壁危石和浮渣，并于襯砌外設1.5 m厚C20混凝土護拱，以確保隧道結構及運營安全。隧道下穿溶洞典型橫斷面見圖8。

圖8 隧道下穿溶洞典型橫斷面

2）溶洞影響段正洞處治方案。①D2K171+320—D2K171+340及D2K171+350—D2K171+370段隧道拱部侵入溶洞底部。為防止拱部坍塌和掉塊，拱墻設置I20b型鋼鋼架加強支護，鋼架縱向間距0.6 m，該段隧道采用Vc型鋼筋混凝土襯砌。②D2K171+340—D2K171+350段隧道與泄水洞正交。為減少隧道底部開挖，正洞采用無仰拱型鋼筋混凝土復合襯砌結構，確保隧道與箱涵緊密貼合。因該段隧道周邊基巖完整，隧道底部不必另行加固處理。③D2K171+395—D2K171+417及D2K171+439—D2K171+449段 隧 道邊墻侵入溶洞。拱墻設置I20b型鋼鋼架加強支護，鋼架縱向間距0.8 m，該段襯砌采用Ⅴb型鋼筋混凝土復合襯砌。

3.3 施工要點

1）施工中結合正洞揭示及勘察資料，采用超前地質預報、加深炮眼、水文觀測等措施，進一步查明了巖溶情況，妥善處理了巖溶及地下水，避免了隱伏的巖溶危害。

2）巖溶處理均在旱季施工，由正洞D2K171+345處開辟通道引入。首先施作泄水洞、集水廊道及排水廊道，其次設置排水鉆孔、封堵溶腔各處上游入口。

3）因溶洞洞壁局部風化嚴重且穩定性差，集水廊道及泄水洞采用控爆開挖，并加強監控量測，減少了對溶洞及正洞襯砌結構的影響。

4）排水聯絡通道及鉆孔的位置，可根據情況適當調整。排水鉆孔應在各項工程基本完成之后，各處封堵墻施作之前鉆設，避免堵塞。

4 運營情況

宗家山隧道溶洞已按設計于2016年12月處治完成，并于2018年1月開通運營。運營4年來，隧址區多次出現強降雨天氣，雨量數次達110 mm，最大達150 mm以上，但隧道襯砌未見因季節性巖溶水影響造成的結構性裂縫、滲漏水等病害。排水設施通暢，按照設計目的實現了引排巖溶水的功能，保障了隧道結構的安全。目前該隧道運營良好，今后的類似巖溶隧道設計過程中，可結合施工及運營維護措施對泄水洞凈空做進一步的優化及比選。

5 結論

1）重慶—貴陽鐵路宗家山隧道施工揭示的溶洞管道形態發育、地質條件復雜。根據上述特點，結合其巖溶地下水的獨特特性，采取了增設集水廊道與泄水洞、設置局部排水聯絡坑道和排水鉆孔、加強局部襯砌等措施進行綜合處治，確保了巖溶水的徹底引排，保證了襯砌結構免受溶洞及巖溶水的危害。

2）根據宗家山隧道溶洞發育形態規模，結合其與隧道的交叉關系，采取了溶洞內封堵、鋪底、護拱及局部段落采用鋼筋混凝土襯砌結構，保證了溶洞處理施工安全順利進行及鐵路運營的安全。

3）依托宗家山隧道形成了適用廣泛的隧道巖溶水災害防治、復雜型溶洞綜合處治成套技術。經運營檢驗，溶洞處治措施得當，巖溶水引排合理，結構安全可靠，可作為復雜管道型溶洞的處治范例，為國內外同類隧道工程提供借鑒。