高速鐵路隧道喀斯特發育區處理關鍵技術研究

【中圖分類號】：U455.49 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）05-37-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.009

Research on Key Technology of Karst Development Zone Treatment in High-speed Railway Tunnel

WANG Bingyan，ZU Xiaoying

（ChinaRailway15th Bureau Group 5th Engineering Co.，Ltd.，Tianjin ，China）

【Abstract】：As acommon special bad geology，karst is very easy to cause surrounding rock deformation and tunel collapse in tunnel construction，which has a serious impact on engineering safetyand later line operation safety. In this paper，anew high-speed railway tunnel in Jilin Province is taken as anexample.The geological radar is usedto detect the hidden karst in the karst tunnel section.According tothe development degree of karst， the construction and disposal technology of karst cave and karst fissure is formulated.The karst tunnel section is treated by adding protective wall，strengthening tunnel support parameters ，advanced grouting support， karst cavity backfilling，backfiling grouting and other measures.At the same time，the numerical simulation of the disposal scheme is carried outto analyze the stresscharacteristics of surrounding rock and tunnel structure.In the construction process，real-time monitoring is strengthened，and the development oflava is continuouslydetected，whichverifies theconstructiondisposal efectand effectively ensures the smooth implementation of the project.

【Key words】： karst;tunnel;high-speed railway

喀斯特洞穴將圍巖切割成不連續的地質體，降低圍巖強度，在新建隧道的掘進穿越過程及與運營列車動荷載的疊加作用下造成巖層應力場變化，支護結構受力不均，影響列車的行車安全。我國高速鐵路建設過程中會遇到喀斯特地質，暗挖施工時正確處理溶洞，避免造成巖體坍塌，對保證隧道結構的施工和運營安全十分重要。

本文以吉林省某新建高速鐵路隧道施工為背景，通過揭示喀斯特發育情況，對溶腔和裂隙部位采取處治措施，保證了隧道工程的順利建設。

1技術路線

先對喀斯特發育段進行勘探，做好喀斯特發育揭示及描繪工作，根據喀斯特現狀及發育情況，采取措施對溶腔及裂隙進行處理，同時加強初期支護及襯砌結構，保證隧道結構安全。見圖1。

圖1技術路線

2喀斯特處理方案

2.1準備工作

為了有效保障施工安全，并做好喀斯特發育情況繪制，在喀斯特地區隧道工程建設過程中進行超前地質預報是必不可少的環節和步驟2]

2.1.1地質探測

采用地質雷達法對隧道進行隱伏喀斯特探測3，根據現場施工和掌子面情況布置測線。雷達探測數據采用濾波、點平均、道間均衡等方法進行處理，以提高資料的信噪比。

2.1.2潛孔鉆探

根據掌子面的地質情況，結合地質雷達探測圖像分析、推測圍巖地質狀況。如探測結果顯示該里程段存在喀斯特反應，對物探喀斯特反應區域進行鉆探及潛孔鉆探驗證，在隧道周邊按照 4m 間距風槍探測隧道周邊 5m 范圍內的喀斯特發育情況，結合物探及風槍探孔綜合分析后，可以得到隧道喀斯特基本特征，并對喀斯特發育分布位置及規模進行繪制。見圖2。

圖2喀斯特發育平面

2.1.3洞頂地表處理

在洞頂地表的沖溝處增設排水溝，排水溝底部鋪設厚度為 1.5mm 的防水板，防止地表水下滲，排水溝順至下游與隧道截水天溝順接。

2.2安全風險評估

喀斯特隧道的安全風險評估是保證工程順利實施并有效降低突發事故概率的主要管理方法。根據喀斯特發育情況、隧道設計參數、隧道施工對圍巖的擾動情況等評估可能對隧道結構產生的影響，提出控制指標、加固措施、施工控制建議等，為施工、監測方案的確定提供依據。

采用有限元數值計算對溶洞處理段隧道進行數值模擬分析，驗證溶洞處治措施的可靠性。在模型底部施加豎向位移約束，左右兩側施加水平位移約束，前后邊界施加水平位移約束，頂部施加應力邊界條件，位移約束邊界通過限制指定范圍內單元節點的速度實現。為盡量保證數值模擬結果的精確，隧道圍巖處網格設置加密區5]。

在隧道掘進前需要考慮模型的初始地應力，主要包括自重應力和構造應力在巖體上產生的初始應力。隧道數值模型的初始應力條件結合工程所在地區地應力的特點取值，垂直應力沿模型高度呈均勻變化。

以隧道某斷面為例，圍巖以頁巖為主、夾灰巖、砂巖，弱風化，節理裂隙發育～很發育，巖體較破碎，呈碎石狀鑲嵌結構。溶腔位于開挖輪廓右側，腔口高14m、縱向長度 9m 最大可視深度 18m ，腔內無水。隧道分4個階段依次掘進，每個階段的掘進長度為3.5m ，分別計算隧道圍巖位移峰值的變化量、拱頂和拱肩位置處的位移變形量等，判斷隧道圍巖變形量在混凝土噴層和錨桿作用下控制效果。

2.3喀斯特處治措施

回填施工前應對溶洞內主要孔洞、裂隙等進行有效封堵，防止回填混凝土嚴重流失及溶洞排水通道堵塞；重點關注最下層回填混凝土有無下滲問題，回填施工時應增加觀察，估算定量回填，發現異常及時停止施工，檢查原因。

在溶洞一側的初支外側增設防護墻并延伸至穩固基巖處，防護墻和初期支護逐層施工，確保噴射混凝土密實。見圖3。

圖3防護墻鋼拱架

遠離溶洞方向的防護墻根據喀斯特發育情況進行擴大，防護墻墻角設置在穩定的巖體上，并在溶洞處隧道初期支護邊墻適當位置設施工窗，施工窗為相鄰3榀（ 1.5m， 鋼架C、D單元部分，為后期溶洞處理提供條件。見表1。

表1防護墻支護參數

續表1

防護墻及隧道初期支護完成后對溶腔底部采用20cm 厚C20噴射混凝土整平，并對巖體裂隙封閉。然后對溶腔采用C20混凝土分層回填，每層高度 ρ_?1 m ，回填至隧道拱頂 5m 范圍。見圖4。

圖4溶洞回填

2.4施工控制措施

2.4.1技術準備

根據數值計算的結果確定具體處置方案，并對溶洞處理方案進行論證，判斷是否能夠解決現場實際問題，技術參數、加固措施等是否滿足設計單位要求，對設計圖紙進行會審，并組織專業人員熟悉圖紙。制定詳細的技術交底及作業指導書，并對所有技術人員進行詳細的技術交底，制定專項應急預案。

2.4.2超前支護

掌子面掘進前采用超前支護對隧道圍巖進行加固支撐。利用隧道鑿巖機在隧道拱部 140^° 的范圍內鉆孔，外插角控制在 10^°～15^° ，插入 ?50mm 的無縫鋼管，采用注漿泵壓注水泥漿液進行固結，用以支承隧道開挖后臨空的巖體，維持開挖面的圍巖穩定，超前支護配合鋼架使用，從鋼架斷面腹部穿過，尾部與鋼架焊接牢固，起到加固圍巖并擴散圍巖壓力的作用。

2.4.3開挖控制

隧道掘進采用鉆爆法進行三臺階開挖，并設置臨時仰拱，上臺階高度 ?5.5m ，中下臺階高度宜為 3m 左右。上臺階長度控制在 3～5m ，中臺階長度 5～8m ，下臺階長度根據安全步距進行控制，仰拱至掌子面安全步距原則上 ?65m 。見圖5。

圖5三臺階施工工序

以機械開挖為主，輔以人工配合。爆破時控制裝藥量，以松動爆破為主，盡量減少開挖對圍巖的擾動。先用挖掘機開挖大的輪廓，再采用人工用風鎬開挖修邊成型。溶洞段開挖時要注意縮短安全步距。

2.4.4襯砌加強

拱墻初期支護內側增設一層臨時加強肋，加強肋采用工 25a 型鋼，沿拱墻范圍設置，間距 1m ，采用20cm寬、 .30cm 厚C30噴射混凝土封閉。加強肋間不設縱向連接筋，不采用噴射混凝土填充。加強肋與隧道初期支護之間設一層土工布隔離層，以便于后期拆除。加強肋拆除在二次襯砌施工前，根據監控量測情況，適時逐榀拆除。上臺階施工時設置臨時豎撐，每榀鋼架增加2根 4m 長 ?50mm 鎖腳錨管，角度向下40^° 。上臺階臨時支撐體系完成后，對應中臺階施工臨時仰拱，對應雙側豎向支撐，與臨時仰拱封閉成環形成整體支撐體系。隧道拱墻二次襯砌厚度在溶腔范圍內由 50cm 調整為 60cm ，環向主筋由 ?22mm@ 200mm 調整為 ?25mm@150mm 。

在邊墻增設碎石盲溝和中心深埋檢查井。環向盲管加密至 2m 一道，直接引人中心深埋水溝；隧道拱部每 2m 設2個泄水管，泄水管采用 ?90mm 鉆孔，環向間距 3m ，泄水孔位置與環向盲管位置對應，泄水孔埋設 6m 長 ?80mm 透水盲管，與環向盲管通過三通連接。排水管路施工完成后，向隧道拱頂溶洞內吹2m 厚粗砂緩沖層。

2.4.5基底加固

對于仰拱下部存在發育喀斯特的情況，在基底下部 9m 范圍采用 ?159mm 鋼管樁進行加固，通過加固樁將荷載傳遞到基巖上，保證圍巖承載力。管樁頂部設置C35鋼筋混凝土墊層，墊層內上下各設置一排?16mm 鋼筋網片，網格 20cm×20cm ，凈保護層厚度50mm 。鋼管樁采用 ?159mm 無縫鋼管，樁徑為194mm ，管壁厚 6cm ，樁間距 0.8m×0.5m （橫斷面方向 × 線路方向），按梅花形布置。見圖6。

圖6基底加固橫斷面

2.5監控量測

2.5.1沉降監測

為保證隧道巖溶段施工安全和隧道穩定，避免發生圍巖變形、坍塌或失穩破壞，需要進行拱頂下沉、拱肩收斂和地表沉降監測。沉降變形分為快速沉降和沉降收斂2個階段。采集不同沉降階段隧道拱頂、拱肩和地表的沉降變形量，與數值模擬的變形趨勢對比。溶洞洞身開挖施工中，每 3m 設立一組監測點，每7h量測一次，并進行數據分析，將量測結果及時反饋至相關部門，從而指導施工。見圖7。

圖7喀斯特隧道沉降變形

2.5.2應力監測

喀斯特處理段前后 10m 范圍內每隔 5m 設一道測線，布置應力監測點，在溶腔位置增設2個測點；測點布置于鋼拱架拱背位置，避免二次襯砌施工對監測結果造成影響，應力監測時間為3個月。根據監測結果，對比溶洞處理段橫斷面各測點處應力分布情況及溶洞處理段與正常施工段落的應力值，若應力值變動很小，則說明圍巖承受應力分布均勻，無應力集中現象出現，處理結果滿足要求。

2.6效果檢查

對施工完成段落實施監控量測，根據量測結果判斷圍巖變形是否在允許范圍內。埋設監測點對圍巖進行應力監測，判斷圍巖應力是否均勻。在溶腔處理后二次襯砌澆筑前采用地質雷達法對隧道進行隱伏喀斯特探測，探測是否存在空洞、不密實及未處理溶腔。觀察喀斯特發育段二襯外觀，檢查是否滲漏水。

3結論

1）溶腔發育地段在初期支護前增設防護墻，采用臨時支撐、加勁肋等方式增強初期支護，減少隧道開挖對周圍圍巖的擾動，保證隧道暗洞開挖工程安全，保證隧道支撐體系完整，減少圍巖變形；在后期采取“溶洞回填 + 裂隙封閉”的方法將已發育的溶腔進行回填封堵，防止回填混凝土嚴重流失及溶洞排水通道堵塞，防止溶洞內有水流沖刷隧道巖體及復合襯砌，增加隧道安全性。

2）如溶腔發育至隧道下臺階外側，為避免對隧底圍巖有擾動，影響運營安全，采取隧道基底打設鋼管樁加固的方式，加強基底承載力，增加隧底安全性。針對有裂隙水問題的溶洞采用“增設碎石盲溝 + 中心深埋檢查井\"的施工方法，措施針對性強，有效排導溶腔。在實際施工中可根據喀斯特探測情況及安全風險評估對方案進行選擇，使其既能保證喀斯特發育區安全，又能節約成本。

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