朱砂堡二號隧道特大型巖溶空腔處理技術

林本濤 鞏江峰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

朱砂堡二號隧道特大型巖溶空腔處理技術

林本濤 鞏江峰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

350 km/h高速鐵路隧道無砟道床對基礎的工后沉降要求高，隧道通過溶巖地區(qū)巖溶充填溶洞、巨型空腔和暗河時控制基礎沉降將成為關鍵因素。文章結合朱砂堡二號隧道特巨型巖溶空腔及暗河的處理，對比分析了基礎梁跨、棄渣回填和大體積空心混凝土回填等方案，得出大體積空心混凝土回填在處理隧道基底大型空洞上具有便捷、安全、經濟、沉降易控制、施工難度低等特點。給出了巨型巖溶空腔洞壁工程處理措施建議、大體積混凝土施工工法、巖溶暗河水的處理方案等，對類似工程的設計及施工具有良好的借鑒意義。文章創(chuàng)造性地提出了在大體積混凝土中豎向設置孔洞并間隔設置橫向聯(lián)系層的結構，充分利用混凝土抗壓性能，最大限度的節(jié)約混凝土用量，又較好的解決大體積混凝土結構的水化熱問題。

鐵路隧道； 巖溶空腔； 暗河； 大體積混凝土

隨著國民經濟在“十二五”期間的快速發(fā)展，我國鐵路事業(yè)建設發(fā)展迅速。鐵路隧道建設水平得到極大提高，交通建設呈現(xiàn)出從平原微丘向西部山嶺重丘的發(fā)展趨勢，隧道將大量出現(xiàn)，其中在各種復雜和惡劣地質條件下的長大隧道數(shù)量也急劇增加，因此建設過程中遇到的巖溶問題越來越多。雖然巖溶地區(qū)隧道建設風險越來越受到重視，但是由于巖溶隧道的復雜性，不可預測性以及目前的認識水平，特別是在隧道穿越特大型巖溶空腔處理的研究和工程實踐方面幾乎為空白，以長昆線朱砂堡二號隧道建設經驗為例開展隧道特大型巖溶空腔處理研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義，對巖溶地區(qū)類似工程也具有非常重要的指導作用。

1 工程背景

朱砂堡二號隧道位于貴州省凱里市境內，位于長昆鐵路玉屏東—三穗東車站區(qū)間，全長505 m，設計為雙線時速350 km/h，隧底鋪設無砟軌道道床，要求隧道基礎工后沉降小于15 mm。隧道洞身通過寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)薄層灰?guī)r，最大埋深約49 m。2011年5月8日上臺階開挖至里程D2K 473+530(進洞施工約78 m)，上臺階開挖揭示一巨型溶腔，巖溶大廳底部縱向長約90 m，橫向寬約53 m，溶洞呈“梨”狀，向上收窄變小，高約58 m，隧道靠近該溶洞邊頂部通過，隧底距溶洞底部約45 m，溶腔內無水。溶腔以下40 m發(fā)育暗河，暗河與隧道正洞在D2K 473+780處相交，隧道位于暗河頂板以上0～20 m，揭示的暗河、落水洞位于隧道基底以下并向右側發(fā)展，暗河形態(tài)分布變化較大，暗河高度在55～92 m范圍變化，暗河寬度在8～120 m范圍變化，預測暗河最大涌水量為233×104m3/d，對隧道影響極大。具體巖溶空腔及暗河與隧道平面位置關系示意，如圖1所示。

圖1 巖溶空腔及暗河與隧道平面位置關系示意圖

2 工程難點

2.1 巖溶空腔洞壁特點

巨型巖溶空腔的形成，是長時間由于地下水流動或地表水的下滲致使可溶巖不斷的溶解、剝落、坍塌所致。施工揭示的巖溶空腔的洞壁穩(wěn)定性和巖層的產狀、傾角密切相關，朱砂堡二號隧道的巨型巖溶空腔段為水平緩傾巖層，故溶腔頂部穩(wěn)定性較差，而邊墻的穩(wěn)定性較好；空腔頂部的穩(wěn)定性直接影響下部作業(yè)人員及作業(yè)機械的安全，如何保證下部作業(yè)人員及作業(yè)機械的安全將成為巖溶空腔處理措施是否合理的前提條件。

2.2 巖溶空腔洞壁防護措施

一般情況下巨型溶腔洞壁由于跨度大、空間高，實施錨噴防護的措施難度較大，需要施做滿堂支架，且作業(yè)時間較長，不建議采用。施工作業(yè)前應首先采用機械對明顯不穩(wěn)定危石予以清除，然后根據(jù)溶腔穩(wěn)定性較差部位分布的不同可采取立柱支頂減小溶腔臨空面，立柱過高可采取頂部密排設置貝雷梁桁架、于溶洞頂部附近設置被動防護網、于溶腔底部設置拱罩等措施。朱砂堡二號隧道采取的是于頂部附近設置密排貝雷梁桁架+被動防護網的組合措施，施工中頂部掉落的落石大多落在被動防護網上，個別砸穿防護網、緩沖后落在貝雷梁桁架之上，有效確保了底部作業(yè)人員的安全。

3 總體方案研究

朱砂堡二號隧道巖溶空腔主要分布于洞身及基地以下，拱部基本上位于基巖內，所以巖溶空腔處理主要以隧道基底的處理為主，主要方案有：梁跨方案(樁基托梁或拱橋跨越)、棄渣回填方案、混凝土回填方案。

3.1 梁跨方案

梁跨方案是指隧道基底施做樁基托梁或者拱橋方案，其中巖溶大廳段由于跨度太大采用樁基托梁方案，暗河段結合縱向空腔的跨度及深度采用拱橋方案。樁基托梁方案是指將隧道仰拱結構調整為鋼筋混凝土底板結構，然后在底板結構下施作縱向托梁，托梁下部施作樁基礎，如圖2所示。拱橋方案是指將隧道結構整體施作于拱橋之上。

圖2 巖溶大廳段樁基托梁方案(cm)

3.2 棄渣回填方案

采用隧道的硬質巖棄渣分層回填分層壓實的方法，上一分層填筑施工結束后，及時對下一層進行高壓注漿，待其達到一定強度后，進行壓實度檢測，符合密實控制指標壓實系數(shù)K≥0.95，地基系數(shù)K30≥150 MPa/m，動態(tài)變形模量Evd≥40 MPa要求后，再進行下一分層的填筑，直至分層填筑至設計標高。施工結束后應進行沉降觀測。

3.3 混凝土回填方案

采用混凝土對巖溶空腔進行回填，在回填體上施作隧道結構，該方案施工難度較低，可操作性強，工程質量易保障。為了減少回填控制投資，設計采用空心混凝土回填，如圖3所示。

圖3 混凝土回填方案(cm)

3.4 方案比選

各方案的優(yōu)缺點分析，如表1所示，經比較混凝土回填方案具有施工方便、安全、經濟、沉降易控制、施工難度低等特點，設計采用混凝土回填方案。

表1 方案優(yōu)缺點分析表

4 大體積空心混凝土結構受力特點及施工

大體積空心混凝土是一種充分利用混凝土抗壓性能強，在最大限度的節(jié)約混凝土用量的同時又能較好的解決大體積混凝土水化熱問題的結構。如何實現(xiàn)混凝土結構的空心化，又不影響結構整體的穩(wěn)定、安全和使用功能，是大體積空心混凝土的關鍵。結合朱砂堡二號隧道巖溶空腔特點，為解決大體積混凝土水化熱問題，于回填體中設置豎向孔洞，理論上圓形結構更合理，但考慮施作便利性，孔洞最終采用矩形結構?？锥床贾脜?shù)為：矩形孔洞1.8 m×2.2 m，縱橫向間距5 m。另外這種豎向孔洞結構在大體積混凝土回填過程中其豎向精度較難保證，經過計算對比分析，豎向間隔設置1～2 m的整體回填層作為類似群樁的橫聯(lián)，既增強結構的整體穩(wěn)定性，又有效避免由于施工誤差而導致結構局部受拉破壞。

對大體積空心混凝土結構進行建模受力分析，結構周邊的巖體約束視為固端約束，考慮混凝土本體的結構自重、圍巖荷載、隧道結構自重、列車荷載以及溫度應力，經計算分析，橫聯(lián)按照縱向間距10 m，高度為2 m設置較為合理。

以朱砂堡二號隧道D2K 473+550斷面計算結果為例，未設置橫聯(lián)前最大水平位移為0.54 mm，最大豎向位移為6.22 mm；回填混凝土最大壓應力出現(xiàn)在溶洞底部，為3.07 MPa(C20混凝土抗壓強度設計值9.6 MPa)，最大主應力為拉應力，除孔洞頂部應力集中點外總體最小主應力水平較低，為0.82 MPa(C20混凝土抗拉強度設計值1.1 MPa)。設置橫聯(lián)后最大水平位移為0.42 mm，最大豎向位移為5.68 mm，位移有明顯改善?；靥罨炷磷畲髩簯Τ霈F(xiàn)在溶洞底部，為2.85 MPa，最大拉應力為0.39 MPa?；靥顓^(qū)混凝土應力狀態(tài)有所改善。最小主應力拉應力計算云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 未設橫聯(lián)回填砼及孔洞拉應力圖(cm)

圖5 設橫聯(lián)后回填砼及孔洞拉應力圖

混凝土結構的最小幾何尺寸不小于1 m即稱之為大體積混凝土，其施工的難點是如何控制混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮導致混凝土產生有害裂縫，因而如何控制混凝土在澆筑過程中的升溫峰值、里表溫差及降溫速率是大體積混凝土施工技術的關鍵。朱砂堡二號隧道施工澆筑，底部混凝土采用泵送，上部采用溜槽施工，采用整體分層、每層采用推移式連續(xù)澆筑，分層澆筑厚度為1 m，人工振動棒振搗，同時間隔設置了豎向孔洞利于混凝土散熱，有效保證了大體積混凝土的施工質量。經過現(xiàn)場實測，混凝土芯部溫度最大值為44.8 ℃，表面溫度最大值為31.2 ℃，里表溫差為13.6 ℃，滿足大體積混凝土的溫差要求(20°)；升溫峰值為44.8 ℃，滿足大體積混凝土升溫峰值不大于50 ℃，另外隧道巖溶大廳的回填處在一個相對恒溫的環(huán)境里，其降溫速率很容易滿足2 ℃/d的要求。

5 排水方案

朱砂堡二號隧道開挖揭示的是巨型巖溶空腔和巨型管道暗河水，其地下水處理不僅要將233×104m3/d的暗河水引排，還要將洞身范圍內溶腔滲水(地表降雨滲水、局部小型管道巖溶水)穩(wěn)妥引排。根據(jù)近年來巖溶水處理的經驗教訓來看，隧道施工揭穿大型巖溶管道后，原有的有壓排水變?yōu)殚_敞式排水，若僅僅維持原有自然排泄通道的順暢，則極有可能因極端降雨的瞬時水量增加，導致水頭上升淹沒道床或高水壓對隧道結構造成破壞。

故對本隧道溶腔的排水處理時，首先采用泄水洞將暗河入口和暗河下游連接起來，確保暗河通道暢通無阻；其次巖溶空腔在采取大體積空心混凝土回填過程中分層預埋了聯(lián)通隧道左右兩側的鋼筋混凝土管道；再次利用施工導洞作為永久的巖溶水排水通道，并引入泄水洞或者洞外(詳見圖1)，以確保朱砂堡二號隧道巖溶水排泄體系的暢通、完善。

6 結束語

朱砂堡二號隧道已開通運營近1年，經回訪調查，目前結構穩(wěn)定、隧址區(qū)域排水通暢。文中結合朱砂堡二號隧道特大型巖溶空腔及暗河的處理措施及結構分析，歸納了一套相對完善的巨型巖溶空腔處理方案，對類似工程的處理具有良好的借鑒意義。

(1)巨型巖溶空腔底部作業(yè)期間的防護措施，宜采用柔性被動網和剛性防護罩的組合防護方式。

(2)空心混凝土回填方案在處理隧道底部巨型巖溶空腔，具有安全、經濟、施工便捷等優(yōu)點，尤其是針對高速鐵路無砟道床等對沉降較為敏感的區(qū)域，可確保結構安全。

(3)在大體積混凝土中豎向設置孔洞并間隔設置橫向聯(lián)系層，能充分發(fā)揮混凝土抗壓性能強的優(yōu)勢，最大限度的節(jié)約混凝土用量，同時又能較好解決大體積混凝土水化熱問題。

(4)采用整體分層、每層推移式連續(xù)澆筑的施工方法，能較好的解決大體積混凝土因水化熱導致有害裂縫的問題。

(5)對于隧道揭示的巖溶管道或暗河水量較大，可能對隧道結構及運營安全有影響時，除保持原有自然排泄通道的順暢外，還要盡可能采用增設泄水洞、利用輔助坑道等加大其下游宣泄能力的方式引排巖溶水，以確保排水方案的安全、合理、有效。

[1] GB 50496-2009 大體積混凝土施工規(guī)范[S]. GB 50496-2009 Code for construction of mass concrete[S].

[2] 李維，鞏江峰，張海波，等.用于大型空洞回填的大體積空心混凝土結構：中國，3513995 [P].2014-01-08. LI Wei, GONG Jiangfeng，ZHANG Haibo，et.al. Large Volume Hollow Concrete Structure for Large Cavity Backfill：China，3513995 [P]. 2014-01-08.

[3] 薛斌，申志軍. 宜萬鐵路隧道巖溶規(guī)模化處治技術[J].鐵道標準設計, 2010，26(8):68-72. XUE Bin, SHEN Zhijun. The Technology of Karst Tunnel Scale Treatment on Yiwan Railway Railway[J]. Standard Design, 2010,26(8):68-72.

[4] 薛俊峰. 龍麟宮隧道巖溶處理施工技術[J]. 鐵道標準設計, 2008，24(9):89-91. XUE Junfeng. The Karst Treatment Construction Technology of Long Lingong Tunnel[J].Railway Standard Design, 2008，24(9):89-91.

[5] 楊昌宇. 巖溶地區(qū)隧道設計的幾點思考及建議[J]. 現(xiàn)代隧道技術, 2011,48(1):90-92. YANG Changyu. Some Opinions and Suggestions on Tunnel Design in Karst Areas[J].Modern Tunnelling Technology, 2011,48(1):90-92.

[6] 陶偉明. “以堵為主，限量排放”隧道防排水原則的理論基礎及其工程實踐[J]. 鐵道標準設計，2006，22(9):78-82. TAO Weiming . The Theoretical Basis and Engineering Practice of The Principle of "Block based, Limited Discharge" Tunnel Waterproof Principle[J].Railway Standard Design，2006，22(9):78-82.

[7] 孫正兵 岳健，賴新軍，等. 高速鐵路上郭關隧道施工遭遇大型溶洞的處理方案研究[J]. 鐵道標準設計, 2015,31(11):83-87. SUN Zhengbing,YUE Jian，LAI Xinjun ，et al. Study on Treatment of Large Karst Cave during Construction of Shangguoguan High Railway Tunnel[J]. Railway Standard Design, 2015,31(11):83-87.

Treatment Technology of Super Large Larst Cavity in Zhushabao No. Two Tunnel

LIN Bentao GONG Jiangfeng

(China Railway Eryuan Engineering Group Co..Ltd.，Chengdu 610031， China)

Ballastless track of 350km/h high speed railway tunnel has strict requirement on the post-construction settlement of the foundation. When the tunnel is through karst cave, karst filling giant cavity and underground river , control of fundamental settlement will become a key factor. Considering the Zhushabao No.2 tunnel super giant karst cavity and underground river, this article analyzes the schemes such as foundation girder span, spoil backfill and the large volume hollow concrete backfill. The conclusion is that the large volume hollow concrete backfill is convenient, safe, economical, easy to control and build and so on. It discusses on the huge karst cavity wall engineering treatment measures, large volume concrete construction method, karst underground river water solutions, provides engineering design and construction with a good reference. In addition, It creatively puts forward setting the holes in vertical arrangementand structure of the transverse contact layers in the mass concrete, which is a kind of full use of concrete compressive strength, and the maximum limit of the amount of concrete, can be used to solve the problem of hydration heat of mass concrete structure.

railway tunnel； Karst cavity； underground river； mass concrete

2016-03-15

林本濤(1975-)，男，高級工程師。

1674—8247(2016)03—0091—06

U452.1+1

A