鐵路隧道跨越巖溶管道處理技術

王 婷

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300000）

1 隧道概況

某鐵路隧道全長2 631m，最大埋深約350m，隧道穿越地層為寒武系上統耗子沱組（3hz）和奧陶系下統南津關組（O1n）弱風化灰巖、白云質灰巖，部分含有泥質條帶和方解石脈，中厚層～厚層狀，節理裂隙、溶溝及溶槽發育。圍巖級別以Ⅲ級為主。隧道處于巖溶垂直滲流帶中，地下水為巖溶裂隙水，受大氣降水的補給，裂隙、溶洞水較發育，隧道洞身位于向斜核部，屬儲水構造，存在巖溶裂隙和管道，隧道正常涌水量為5 516m3/d，最大涌水量為34 421m3/d。

2 巖溶發育特征

2.1 巖溶管道形態與規模

當隧道進洞施工長度約150m 時，下臺階掌子面底部右側揭示一處寬約8m、縱向長約3m 的溶洞口，溶洞口侵入隧道開挖輪廓線內3m，向下4m 發育為與隧道正交的大型溶洞。溶洞在隧道影響范圍內最寬處20m、高12m，溶洞底面在隧道軌面以下16～20m，溶洞橫向長約140m，隧道中線右側發育長度約20m，端頭有一小溶洞口往右繼續發展，深度不詳，無法探測；隧道中線左側發育長120m 處分成兩部分，一部分向隧道前進方向發育，另一部分向小里程方向并向下發育，深度未知，無法探測。溶洞發育平面圖如圖1 所示。

圖1 溶洞平面圖（單位：cm）

2.2 工程地質與水文地質條件

3 隧底地層穩定性分析

隧道施工過程中揭示的巖溶管道位于隧道下方，溶洞頂板與隧底間存在2～7m 厚的弱風化白云質灰巖巖層，分析溶洞頂板與隧道底部之間的巖層穩定性是否滿足隧道結構安全需要，從而制訂安全、經濟的巖溶處置方案是處理該溶洞的關鍵。

3.1 影響隧道與溶洞間地層穩定的主要因素

隧道與溶洞安全距離的主要影響因素包括溶洞形態和巖體各項物理力學參數：黏聚力、內摩擦角、彈性模量、泊松比、容重等。

3.2 計算參數選取

根據巖溶發育和隧道設計情況，建立跨度為12m 的隧道底部溶洞有限元計算模型，考慮巖溶發育不規則，將溶洞形態簡化為近圓形。溶洞與隧道間巖層厚度取最大值7m，見表1。

表1 計算中采用的材料參數

3.3 計算模型范圍和邊界條件處理

有限元法以有限的圍巖范圍作為研究對象，當所選范圍過大時，精度較高，但同時增加了單元數量、求解方程的數目和計算時間；范圍過小則會因邊界條件影響降低計算精度。本次分析在保證精度的前提下，結合以往類似工程實踐及其理論分析結果，模型水平方向長度按隧道跨度的8 倍確定，即100m；因下部存在溶洞，垂直方向由隧道到底部邊界為隧道跨度的5 倍，即65m；隧道頂部至模型上部邊界按隧道埋深確定。模型左、右和下部邊界均施加法向約束，上部為自由邊界，除均布荷載外，未受任何約束。

3.4 開挖與支護過程模擬

隧道巖溶發育段圍巖級別屬Ⅲ級，施工方法為上、下兩臺階開挖方式。在分析與計算時，首先計算溶洞存在時巖體的自重應力場，然后再模擬開挖過程。整個隧道的開挖和支護模擬步驟如下：第一，開挖隧道上臺階。第二，施作上臺階初期支護（錨桿、噴射混凝土初期支護）。第三，開挖隧道下臺階。第四，施作下臺階初期支護（錨桿、噴射混凝土初期支護）。第五，施作二次襯砌。第六，施加列車荷載。利用以上隧道開挖模擬方法研究隧道施工引起的隧道、溶洞和圍巖的力學性狀變化，判斷隧道與溶洞間巖層是否穩定。考慮掌子面的三維約束作用，采用上述方法模擬隧道開挖時不宜將開挖釋放荷載一次性全部釋放，根據以往經驗，計算中采取了以下釋放比例，即開挖后首先釋放總開挖荷載的60%，初期支護完成后再釋放剩余的40%。

3.5 計算分析結論

3.5.1 隧道開挖引起的位移變化情況

從圖2 可以看出，隧道開挖引發地應力釋放，圍巖向隧道內壓。隧道開挖后，隧道頂部、側墻和溶洞頂板附近均發生明顯位移，開挖引起的最大位移發生在隧道頂部，位移方向均指向隧道。距離隧道和溶洞3倍洞徑以外的巖體位移量很小，基本不受隧道開挖影響。

圖2 開挖引起的巖體變形等值線圖

3.5.2 隧道開挖引起的圍巖應力變化情況

開挖前，溶洞周圍存在較小的應力集中。從圖3 中可以看出，隧道開挖后，隧道和溶洞周圍應力集中情況加劇，除隧道側墻、拱腳外，連接隧道與溶洞的巖體也成為高應力的危險區。

圖3 開挖后圍巖應力圖

3.5.3 隧道開挖引起的圍巖塑性區變化情況

在隧道開挖前，溶洞周圍僅存在較小的塑性區。從圖4 可以看出，當隧道開挖后，塑性區范圍明顯增大，隧道側墻和拱腳高應力部位出現部分塑性區，且由于隧道的開挖，溶洞周圍的塑性區也明顯增大，其周圍塑性區向隧道拱腳位置發展并逐漸與隧道周圍塑性區貫通。

圖4 開挖后圍巖塑性區圖

通過對隧道開挖引發的圍巖變形、應力變化、塑性區變化等情況分析，隧道與溶洞間的巖層厚度不能滿足結構安全要求，隧底與溶洞頂板間的巖層不能直接作為持力層，應采取加固措施，以防止溶洞頂板坍塌影響隧道安全。

4 巖溶處理方案

本次根據溶洞形態、規模和工程地質、水文地質條件，綜合考慮隧道施工和運營安全，采取維持原排水路徑，加強隧底結構的總體設計思路。隧道跨越巖溶管道段主要采取以下處理措施：

4.1 溶洞監測及防護

加強溶洞頂部穩定性監測，設置監測點，監測溶洞頂部危石松動和頂板位移、變形情況；根據施工需要，對工程活動影響范圍內的洞壁危石進行清理，清危后，對溶洞壁及孤立巖體進行防護，對溶洞壁局部進行噴錨網防護，噴C20 混凝土厚10cm，Φ8 鋼筋網，網格為20cm×20cm，Φ22 砂漿錨桿長2.5m，間距為1.2m×1.2m，梅花形布置。

4.2 隧道結構

考慮該段隧道施工揭示圍巖情況較好，僅隧底發育溶洞，故溶洞段隧道拱墻采用Ⅲ級圍巖曲墻復合式襯砌（初期支護為15cm 厚C20 噴射噴混凝土，拱部Φ25 中空注漿錨桿，邊墻Φ22 砂漿錨桿，錨桿長2.5m，間距為1.2m×1.2m；二次襯砌采用35cm 厚C25 模筑混凝土）。為減小隧道開挖高度，增加隧底與溶洞頂板間距離，最大限度地保留溶洞頂板與隧道結構間的巖盤厚度，對隧道跨越隧底溶洞采用底板加強型襯砌結構（隧底結構采用100cm 厚C30 鋼筋混凝土板）。DK238+785、DK238+815 結構變化處設置變形縫。溶洞段隧道結構如圖5 所示。

圖5 底板加強型襯砌斷面設計圖（單位：cm）

4.3 隧底溶洞處理

為保證隧道與溶洞間巖層穩定，并考慮維系原有古暗河的排水路徑及排水能力，在隧底溶洞內修筑拱涵結構。拱涵內凈空寬度為11m、高度不小于2m，拱部采用1.5m厚C30鋼筋混凝土澆筑，邊墻采用2m 厚的C25 混凝土直邊墻，邊墻腳伸入穩定基巖深度不小于1m，拱涵作為巖溶水排水通道，排水坡度不小于3%。拱涵邊墻根據溶洞形態確定，左側為2m、右側為3.2～5.6m。對拱涵頂空腔部分采用C15 混凝土回填。溶洞底局部低洼處采用漿砌片石回填平順，將局部淤及處清理干凈，以保證后期排水通暢。隧底溶洞處理典型縱斷面如圖6 所示。

圖6 隧道中線縱斷面

4.4 施工工序及注意事項

4.4.1 主要施工工序安全監測→洞壁危石清理→錨噴網防護→施作拱涵→隧道開挖及襯砌結構。

4.4.2 注意事項

溶洞發育形態不規則，在溶洞內進行拱涵結構施工前必須對溶洞局部爆破開挖。此時，應控制爆破，短進尺、少裝藥，減少對溶洞頂板巖層的擾動。拱涵結構外局部巖溶空腔處混凝土回填要密實，以保證隧底地層運營期穩定。

總之，本隧道隧底巖溶管道處理的總體思路是維系古暗河通道的排水路徑及過水能力，保證巖溶水不積聚。巖溶管道處理的關鍵是判斷隧道與溶洞間巖層的穩定性，制訂安全經濟的處理方案。設計中充分考慮巖溶隧道水文地質條件的復雜性，采取隧底修筑過水拱涵的處理措施，保證了隧道運營安全。根據隧底溶洞與隧道結構的空間關系，對溶洞段隧道結構進行了調整，采用的底板型襯砌結構最大限度地保留了溶洞頂板與隧底間的巖盤厚度，有利于結構安全，節省工程投資。