黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞處理技術(shù)研究

劉同江， 唐 鋼， 王 軍， 孫亞飛

(1. 中鐵十四局集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250101； 2. 黔張常鐵路有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410008； 3. 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101； 4. 中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司, 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求不斷增多，我國西南地區(qū)的高鐵建設(shè)逐年穩(wěn)步增加。西南地區(qū)山嶺眾多、巖溶地貌分布廣泛，高鐵隧道建設(shè)過程中，常遇到各種大小不一、形態(tài)各異的溶洞，其中，大型或巨型溶洞地質(zhì)條件復(fù)雜且穩(wěn)定性差給高鐵隧道施工帶來巨大考驗(yàn)，致使溶洞處理存在施工困難、成本高且風(fēng)險(xiǎn)大等一系列難題[1]。

在溶洞處理方面，云桂客專營盤山隧道巨型溶洞[2]采用C20大體積混凝土分段、分層回填處理，混凝土內(nèi)預(yù)留2.2 m×1.8 m×6 m(縱×橫×高)的空心柱；長昆客專朱砂堡2號隧道巨型溶洞[3]也采用了大體積混凝土分段、分層回填處理方案；宜萬線龍麟宮隧道巨型溶洞[4]采用軌面以上溶腔放坡開挖形成路塹，軌面以下采用硬質(zhì)巖渣回填后再注漿加固處理的方案；宜萬鐵路野三關(guān)隧道大型高壓富水塊石充填型溶洞[5]，采用釋能降壓解除溶腔突水突泥風(fēng)險(xiǎn)，然后采用注漿封堵溶洞潰口并加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌的方式通過溶洞；宜萬鐵路下村壩隧道大型半充填型溶洞[6]，采用“拱部回填砂漿穩(wěn)定危巖+隧底樁基承臺結(jié)構(gòu)跨越溶洞+洞身加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)”相結(jié)合的綜合處理技術(shù)；田德鐵路隴外隧道大型溶洞[7]采用分層振搗碾壓回填方案；正在施工的成貴高鐵玉京山隧道巨型溶洞采用橋跨+下部回填處理的方案；重慶奉節(jié)至巫溪高速公路羊橋壩隧道巨型溶洞采用改線躲避處理方案[8]；湖北恩利高速公路巖灣隧道特大型溶洞[9]采用洞石碴回填作施工通道，防護(hù)基礎(chǔ)、連續(xù)組合橋梁跨越和上部鋼筋混凝土拱形防護(hù)相結(jié)合的處治措施；湖南省永吉高速公路那丘隧道廊道廳堂式特大型溶洞[10]采用分階段回填處理方案。

以上研究對巨型溶洞處理具有良好的借鑒意義，但對于隧道高位斜穿的巨型溶洞采用超厚回填處理的研究目前還比較少。本文針對黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞處治施工技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)比選最終采用“超厚洞砟回填+上部注漿加固”的處理方案，該方案施工安全、成本經(jīng)濟(jì)，取得了良好工程效果。

1 工程概況

黔張常鐵路高山隧道為Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)隧道，全長3 958.2 m，最大埋深約365 m。隧道通過地層主要為寒武系灰?guī)r、灰?guī)r夾白云巖、奧陶系中厚—厚層狀灰?guī)r夾頁巖。隧道地處咸豐斜歪背斜的南東翼，總體表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。隧道進(jìn)口為土落坪溶蝕洼地，出口附近發(fā)育林家坪F3斷層；隧址區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表巖溶漏斗、落水洞呈串珠狀分布，隧道縱斷面如圖1所示。2016年8月在平導(dǎo)PK53+678處揭示，巨型溶洞處在灰?guī)r夾頁巖地層中，溶洞上方近地表附近兩側(cè)各發(fā)育1條管道流，大氣降雨多被其截走，僅有少量通過節(jié)理裂隙下滲。溶洞內(nèi)部水的補(bǔ)給主要通過落水洞裂隙，深部徑流通道為巖溶裂隙，整體表現(xiàn)為干溶洞。

圖1 高山隧道縱斷面

巨型溶洞由主溶洞、廳堂狀廊道及1#支洞3部分構(gòu)成，主溶洞伴生有2#支洞，如圖2所示。

1)主溶洞： 長約450 m，寬7～45 m，高5～46 m。底部堆積體中間高、兩端低，順通道發(fā)育有3處陷坑，穩(wěn)定性差，大范圍坍塌不斷。主通道南側(cè)發(fā)育2#支洞，洞口頂高程約693 m，寬5～8 m，高3～8 m，近水平延伸長度約120 m，相對穩(wěn)定。

2)廳堂狀廊道： 廊道長124 m，寬32～63 m，高46～65 m，底部堆積體由1#支洞口向主溶洞呈13°下坡發(fā)展。靠正洞小里程側(cè)洞壁危巖較多，溶洞頂部呈天然吊頂狀，凈空較大，寬達(dá)40 m，對施工及運(yùn)營有極大安全隱患。

隧道正洞跨越廳堂狀廊道及主溶洞，長度約71 m，與溶洞走向約呈42°夾角，隧道底板以上空腔高12～16 m，以下空腔深30～55 m，洞底塌落塊石及堆積物厚37～66 m。溶洞發(fā)育規(guī)模巨大，巖溶處理、施工期防護(hù)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

圖2 巨型溶洞分布圖

2 溶洞穩(wěn)定性評價(jià)

溶洞揭示后，采用無人機(jī)探測、人工踏勘、鉆探、三維激光掃描監(jiān)測[11]和爆破振動(dòng)監(jiān)測等對溶洞穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)研究。

2.1 危巖體分布

經(jīng)全面探測發(fā)現(xiàn)溶洞底部塊石堆積，四壁危巖體眾多，頂部巖體形成大平層，將溶洞分為穩(wěn)定平頂區(qū)A1—A2和非穩(wěn)定側(cè)壁區(qū)B1—B7，如圖3所示。其中，B1區(qū)側(cè)壁巖體多呈直立狀，頂部為不穩(wěn)定坍落拱，如圖4(a)所示；B2區(qū)存在數(shù)條縱向裂縫和眾多橫向裂縫，側(cè)壁巖體拱形向上發(fā)展；B3區(qū)側(cè)壁巖體垂直懸掛、垮落趨勢大，如圖4(b)所示；B4區(qū)側(cè)壁巖體豎向與水平節(jié)理裂隙眾多，豎向裂縫寬度大；B5區(qū)與B4區(qū)類似，但存在多塊貼壁或懸掛式小型危巖，掉落風(fēng)險(xiǎn)大；B6區(qū)與B7區(qū)相似，存在多塊突出懸掛危巖體，側(cè)壁中部存在多數(shù)疊坐式危巖體。

(a) 三維掃描圖 (b) 洞頂穩(wěn)定性分區(qū)圖

圖3溶洞三維外形圖

Fig. 3 Three dimensional profile of karst cave

(a) 直立式危巖 (b) 懸掛式危巖

圖4側(cè)壁危巖體照片

Fig. 4 Photos of dangerous rocks in sidewall

2.2 溶洞變形分析

利用三維激光掃描儀[12]3D色譜對比功能對溶洞掃描結(jié)果進(jìn)行位移差值分析，形成色譜，如圖5所示，紅色表示溶洞巖壁向內(nèi)位移。通過3個(gè)月內(nèi)多次掃描分析可知，溶洞內(nèi)部分巖體向洞內(nèi)位移，施工支洞入口側(cè)洞壁變形范圍大，位移值高，形成紅色面域；主洞2個(gè)入口處變形明顯，個(gè)別位置位移量較大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3個(gè)月內(nèi)溶洞頂部及側(cè)壁位移超過30 mm的危巖體共22處，最大位移超過80 mm。

圖5 溶洞內(nèi)巖體表面位移(單位： m)

2.3 溶洞爆破擾動(dòng)分析

溶洞揭示后，隧道主洞、平導(dǎo)繞洞和橫通道繼續(xù)爆破開挖，對溶洞產(chǎn)生爆破擾動(dòng)。采用磁電式振動(dòng)傳感器和DH5922N爆破測振儀進(jìn)行了巖體爆破振動(dòng)監(jiān)測，在溶洞側(cè)壁選取4處巖體布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖6所示，主要監(jiān)測溶洞側(cè)壁巖體表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度[13]。

圖6 溶洞爆破振動(dòng)測點(diǎn)布設(shè)

Fig. 6 Layout of blasting vibration monitoring points in karst cave

監(jiān)測表明，主洞爆破影響最大，爆破振動(dòng)速度最大值反映在1#測點(diǎn)1-1和1-2傳感器，其監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。當(dāng)主洞掘進(jìn)掌子面距1#測點(diǎn)63 m時(shí)，爆破振動(dòng)速度超過1 cm/s，溶洞內(nèi)開始出現(xiàn)落石；爆破掘進(jìn)面繼續(xù)靠近，當(dāng)1#測點(diǎn)爆破振動(dòng)速度超過1.5 cm/s時(shí)，溶洞內(nèi)落石范圍擴(kuò)大，落石數(shù)量增加且尺寸增大，落石和爆破振動(dòng)相關(guān)分析如圖7所示。

表11#測點(diǎn)受主洞爆破影響的振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

Table 1 Monitoring data of blasting vibration of main hole in No.1 monitoring points

測試日期爆心距R/m最大一段藥量Q/kg振速v/(cm/s)1-1傳感器1-2傳感器2016-12-21120210.470.392016-12-22117190.460.392016-12-23114200.490.412016-12-24111180.460.432016-12-25108210.500.472016-12-26105180.490.482016-12-27102200.540.502016-12-2899170.520.522016-12-2996190.550.542016-12-3093210.610.602016-12-3190180.600.632017-01-0187190.640.672017-01-0284210.690.722017-01-0381200.770.742017-01-0478180.760.782017-01-0575210.830.872017-01-0672180.810.892017-01-0769190.890.952017-01-0866180.940.992017-01-0963210.991.072017-01-1060201.151.242017-01-1157211.281.392017-01-1254191.321.452017-01-1351201.491.642017-01-1448211.681.872017-01-1545201.712.042017-01-1642202.192.07

圖7 落石和爆破振動(dòng)速度相關(guān)分析

Fig. 7 Correlation analysis of rock fall and blasting vibration velocity

綜上，巨型溶洞整體穩(wěn)定性較差，特別是洞壁，危巖分布較多，溶洞抗擾動(dòng)性差，落石風(fēng)險(xiǎn)大，處理方案需可靠性高并注重施工防護(hù)。

3 巨型溶洞處理方案研究

一系列穩(wěn)定評價(jià)和鉆探研究支持了巨型溶洞處理方案研究。根據(jù)巖溶發(fā)育規(guī)模、形態(tài)、工程水文地質(zhì)特征及其與隧道空間關(guān)系，結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)[14-15]，研究了局部調(diào)整線路的繞避方案及針對原線位溶洞的橋跨方案、回填方案，具體如下。

3.1 繞避方案

溶洞揭示時(shí)正洞施工902 m，剩余3 056.2 m；高山平導(dǎo)施工1 584 m，剩余1 078 m；高山隧道前后相鄰工程除林家坪大橋尚未施工外，其余已基本完成。為降低工程風(fēng)險(xiǎn)，研究了線路縱坡調(diào)整和平面改線方案。

3.1.1 線路縱斷面調(diào)整

根據(jù)溶洞與線路空間位置關(guān)系，隧道基本位于該溶洞頂部，隧道拱頂部分與溶洞頂板相切，部分頂板侵入隧道，為降低溶洞處高度，按照盡量不產(chǎn)生廢棄工程的原則研究調(diào)坡方案。由于隧道內(nèi)已采用足坡，只能將坡段長由730 m調(diào)為400 m,坡高-12‰，調(diào)整后溶洞處高程降低約1.78 m，隧道穿越溶洞長度沒有變化，縱斷面調(diào)整效果不明顯。

3.1.2 線路平面調(diào)整

結(jié)合本隧道施工進(jìn)度，基于繞避溶洞的程度、廢棄工程量、未施工段地質(zhì)情況等，擬定了2個(gè)改線方案，如圖8所示。

圖8 改線方案示意圖

1)方案1： 線路左繞，不廢棄已施工工程。 該方案完全利用正洞已施工段，不廢棄正洞工程，局部改線后未完全繞避溶洞，僅將正線跨越溶洞跨度縮小至40 m左右(原跨度71 m)。改線后廢棄平導(dǎo)218 m，使正洞加長9.8 m。

2)方案2： 線路左繞，廢棄正洞已實(shí)施工程。該方案完全繞避了溶洞大范圍發(fā)育空腔區(qū)，但完全廢棄已實(shí)施正洞工程902 m，代價(jià)重大。平面改線不能繞過線路左側(cè)的山間溶蝕洼地，工程潛在風(fēng)險(xiǎn)大，且區(qū)間使用2處曲線過渡，線路標(biāo)準(zhǔn)有所降低。

3.2 回填方案

對隧道下部空溶洞進(jìn)行回填處理，不僅能為隧道結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)，同時(shí)能夠反壓溶洞側(cè)壁。根據(jù)填筑材料不同共研究了洞砟回填+上部注漿、級配碎石回填+下部注漿、級配碎石+混凝土板+下部注漿、大體積空心混凝土回填+下部注漿4個(gè)方案。

3.2.1 洞砟回填+上部注漿方案

從施工支洞進(jìn)入溶洞，在溶洞底部回填洞砟至730 m高程(施工支洞口地面高程)，然后施作50 cm厚鋼筋混凝土止?jié){板，繼續(xù)回填洞砟至750 m高程并對洞砟回填體上部20 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固處理。洞砟回填體上部采用摻5%水泥級配碎石回填，回填厚度5 m，再在上面設(shè)置3 m厚鋼筋混凝土路基板至主洞底板758 m高程，如圖9所示。根據(jù)溶洞的發(fā)育特征及其與隧道的空間關(guān)系，線路左側(cè)廳堂狀廊道全部回填，線路右側(cè)主溶蝕裂隙通道按1∶1.5放坡回填，并確保底部消水洞不被掩埋。

圖9 洞砟回填+上部注漿方案縱斷面示意圖

Fig. 9 Longitudinal cross-section of ballast backfill+upper grouting scheme

3.2.2 級配碎石回填+下部注漿方案

從施工支洞進(jìn)入溶洞，分層填筑摻5%水泥的級配碎石至溶洞730 m高程下2 m處，然后采用φ76 mm×5 mm袖閥管進(jìn)行底部注漿加固，注漿深度55～65 m。完成基底處理后，沿730 m高程設(shè)置2.0 m厚鋼筋混凝土板，板上分層填筑摻5%水泥的級配碎石，填筑至主洞底板以下3 m，邊坡坡率1∶1.5，分級高度10 m，邊坡平臺寬2.0 m，邊坡以外采用洞砟回填，如圖10所示。

3.2.3 級配碎石+混凝土板回填+下部注漿方案

從施工支洞進(jìn)入溶洞，完成基底處理后，沿溶洞730 m高程設(shè)2.0 m厚C30鋼筋混凝土板，由此向上至755 m高程(隧道底板)每隔8～10 m設(shè)1道2.0 m厚C30鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土板之間填筑摻5%水泥的級配碎石，隧道底板為3.0 m厚鋼筋混凝土板，如圖11所示。隧道中線左右12 m寬度范圍以外設(shè)邊坡，邊坡坡率1∶1.5，分級高度10 m，邊坡平臺寬2.0 m，邊坡以外采用洞砟回填。

圖10 級配碎石回填溶洞空腔縱斷面示意圖

Fig. 10 Longitudinal cross-section of cavity filled with graded crushed stone

圖11 級配碎石+混凝土板回填處理縱斷面示意圖

Fig. 11 Longitudinal cross-section of graded crushed stone and concrete slab backfill treatment

3.2.4 大體積空心混凝土回填+下部注漿方案

從施工支洞進(jìn)入溶洞，完成基底處理后，沿溶洞730 m高程設(shè)3.0 m厚型鋼骨架混凝土板。板采用C20混凝土，骨架采用工18型鋼，沿線路方向布置，橫向間距0.5 m;其上采用φ22 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。

采用C20混凝土澆筑大體積基礎(chǔ)；基礎(chǔ)回填橫截面采用梯形，外輪廓采用高5 m、寬1 m的臺階；為減少大體積混凝土澆筑水化熱，在混凝土內(nèi)部預(yù)留2.2 m×1.8 m×6 m(長×寬×高)的空心柱，空心柱橫、縱中心間距均為5 m；每層空心柱間設(shè)1層2 m厚的混凝土隔板?；A(chǔ)沿線路縱向每隔10 m留1道變形縫，如圖12所示。大體積混凝土基礎(chǔ)回填后，在周邊溶洞采用洞砟分層回填。

圖12 大體積混凝土回填溶洞縱斷面示意圖

Fig. 12 Longitudinal cross-section of large volume concrete backfill cave

3.3 橋跨方案

采用橋跨可以減少基底處理，總工程量相對較少。共提出框架橋、簡支梁橋、T性剛構(gòu)橋和拱橋4種橋跨方案。為防止運(yùn)營期間洞壁及洞頂溶蝕導(dǎo)致的小型塊石掉落危及運(yùn)營安全，所有橋跨方案的橋面上均需設(shè)置防護(hù)結(jié)構(gòu)，防護(hù)結(jié)構(gòu)采用Ⅰ40a柔性鋼架防護(hù)，設(shè)置于梁面兩側(cè)，鋼架每3 m設(shè)置1處，縱向鋼架之間加設(shè)鋼管梁，鋼架外包厚度5 mm的鋼板。

3.3.1 鋼筋混凝土框架方案

溶洞空腔內(nèi)采用鋼筋混凝土連續(xù)框架結(jié)構(gòu)，框架柱縱向間距10.5 m，橫向10.86 m，矩形截面柱尺寸2.5 m×2.0 m，柱高39～50 m，高度方向柱間每12.3 m左右設(shè)置縱、橫向系梁，柱頂設(shè)2.5 m厚的鋼筋混凝土梁板作為軌道基礎(chǔ)板，其上設(shè)置橋面防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.3.2 簡支梁方案

采用1跨24 m+1跨32 m+1跨24 m三跨簡支梁方案跨越溶洞，簡支梁采用預(yù)制架設(shè)，按常規(guī)簡支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，橋臺置于隧道內(nèi)。

3.3.3 單T剛構(gòu)橋方案

采用兩跨43 m單T剛構(gòu)橋，橋梁全長90.2 m，兩側(cè)橋臺均位于隧道中，1號墩墩身高度38 m，采用空心墩，墩底實(shí)體段9.0 m，擬采用掛籃懸臂方法施工。

3.3.4 上承式空腹拱橋方案

采用一跨上承式空腹拱橋跨越溶洞，跨度74 m，矢高14.8 m，拱橋矢跨比1∶5，橋梁全長80 m。拱腳施工時(shí)需對溶洞兩側(cè)進(jìn)行爆破開挖，拱底距離溶洞底25～55 m，施工時(shí)需搭設(shè)平均40 m高的支架，高支架施工風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.4 方案比選分析

對高山隧道巨型溶洞提出線路調(diào)整、回填和橋跨3類共11個(gè)研究方案。3類方案優(yōu)缺點(diǎn)對比如下：

1)線路調(diào)坡對改善溶洞處理施工作用不大，平面改線方案在工程廢棄量、改線后的線位工程地質(zhì)條件等方面均存在較大風(fēng)險(xiǎn)，可行性較差，經(jīng)研究確定維持原線位處理方案。

2)由于隧道高位穿越巨型溶洞，洞內(nèi)堆積體厚度大，給橋梁樁基施工和高支架搭設(shè)造成很大困難，施工質(zhì)量難以保證；溶洞周壁存在多處不穩(wěn)定區(qū)域，橋梁墩身抗沖擊能力弱，難以應(yīng)對來自洞頂及周壁不可預(yù)見的落石沖擊，威脅運(yùn)營安全；橋跨方案成本較高，且施工工期較長?；谝陨峡紤]，經(jīng)研究決定，橋跨方案不予采用。

3)回填方案能為隧道結(jié)構(gòu)提供較為穩(wěn)定的基礎(chǔ)，同時(shí)能夠利用回填體反壓溶洞側(cè)壁，減小溶洞空間，降低運(yùn)營期溶洞溶蝕坍塌對隧道的影響?；靥顚θ芏吹拇紊绊懶?，施工工藝簡單，施工成本低，施工人員少，利于施工安全防護(hù)管理。回填之后，可利用回填平臺對溶洞內(nèi)洞頂及洞壁進(jìn)行必要的防護(hù)，通過加強(qiáng)上部明洞隧道結(jié)構(gòu)，能夠保證高鐵運(yùn)營安全。因此，重點(diǎn)對比4種回填方案優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。

表2 回填方案優(yōu)缺點(diǎn)對比

通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，最終采用洞砟回填+上部注漿方案。針對該方案缺點(diǎn)，制定了超厚回填體沉降監(jiān)測和明洞隧道健康監(jiān)測2類監(jiān)控措施，前者包括回填體表層監(jiān)測、回填體及底部堆積體分層監(jiān)測、水平位移監(jiān)測、鋼筋混凝土路基板下脫空監(jiān)測和路基板內(nèi)力監(jiān)測；后者包括溶洞頂板壓力監(jiān)測、頂板錨桿錨固力監(jiān)測、明洞初期支護(hù)鋼架應(yīng)力監(jiān)測、明洞襯砌鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變監(jiān)測，全面監(jiān)控工后運(yùn)營安全。為預(yù)防工后沉降，進(jìn)行了溶洞底部洞砟分層碾壓回填、鋼筋混凝土路基板上堆載預(yù)壓、路基板預(yù)留沉降注漿孔、路基板預(yù)留自調(diào)整沉降技術(shù)和明洞結(jié)構(gòu)預(yù)留凈空等多項(xiàng)預(yù)控措施，保障工后沉降滿足使用要求。

4 溶洞處理施工過程

考慮到溶洞發(fā)育規(guī)模巨大，勘察、處理周期長，確定預(yù)處理方案為： 平導(dǎo)繞行繼續(xù)施工，設(shè)置通向溶洞底部的施工支洞，并且針對溶洞“洞砟回填+上部注漿加固”的處治方案制定詳細(xì)的施工組織方法，確保溶洞處理過程順利。

4.1 預(yù)處理措施

4.1.1 平導(dǎo)繞行

平導(dǎo)揭示溶洞后，為保證工程進(jìn)度，采用平導(dǎo)繞行施工，繞行段中線與線路左線的間距為85 m，繞行范圍438 m。

4.1.2 設(shè)置施工支洞及施工橫通道

為便于溶洞內(nèi)補(bǔ)充勘察、探測和后期施工，設(shè)置1座長295 m的施工支洞連接平導(dǎo)(高程758 m)至溶洞底面(高程730 m)，施工支洞綜合坡度9.5%，采用雙車道斷面。另外增加1#、2#、3#施工橫通道輔助正洞施工，如圖13所示。

圖13 施工平面布置圖

4.2 回填處理

溶洞空腔回填之前先破解底部大孤石，并在底部埋設(shè)了2路排水管，分別導(dǎo)入主溶蝕裂隙兩側(cè)支洞，所有消水洞附近均設(shè)透水性良好的碎石層，確保排水通暢。溶洞730 m高程以下部分采用洞砟回填，由自卸汽車裝載經(jīng)施工支洞運(yùn)入溶洞，如圖14(a)所示?；靥盍蠑偲?、振動(dòng)碾壓，回填至730 m高程后施作鋼筋混凝土止?jié){平臺。在此期間，針對風(fēng)險(xiǎn)級別高的危巖體先行打錨桿掛網(wǎng)加固，所有施工均采用臨時(shí)安全防護(hù)措施。然后，繼續(xù)使用施工支洞回填2～3 m厚洞砟，再改由隧道主洞大小里程洞口和平導(dǎo)口拋填洞砟，如圖14(b)所示。每拋填5～8 m厚洞砟量，設(shè)備進(jìn)入溶洞攤平碾壓1次，如圖14(c)所示?；靥钪?50 m高程后改為摻5%水泥級配碎石并回填5 m。摻5%水泥級配碎石層采用振動(dòng)碾壓施工如圖14(d)所示，每層回填30 cm，壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，實(shí)測壓實(shí)系數(shù)為0.978～0.996，滿足施工及質(zhì)量要求。底部空腔回填完成后，進(jìn)行洞壁洞頂全面防護(hù)。

(a) 施工支洞回填

(b) 主洞口拋填

(c) 回填料攤平

(d) 摻5%級配碎石層碾壓

4.3 溶洞頂板與側(cè)壁安全防護(hù)施工

溶洞安全防護(hù)分為臨時(shí)防護(hù)和全面防護(hù)。臨時(shí)防護(hù)采用可移動(dòng)型鋼棚架，服務(wù)于短時(shí)間、小范圍在溶洞內(nèi)施工的人員；全面防護(hù)即永久防護(hù)，采用錨桿和鋼筋網(wǎng)，要在溶洞內(nèi)大范圍施工前完成，局部危巖體防護(hù)提前進(jìn)行。

4.3.1 噴錨網(wǎng)防護(hù)方案

采用錨網(wǎng)索對正洞中心線兩側(cè)各20 m(對應(yīng)正洞里程DIK53+634～+721)、758 m高程以上范圍的洞頂及洞壁進(jìn)行永久防護(hù)。側(cè)壁防護(hù)采用φ22 mm砂漿錨桿+噴層+鋼筋網(wǎng)片+局部主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)；洞頂防護(hù)采用漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿+噴層+主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)+鋼筋網(wǎng)片，支護(hù)參數(shù)如表3所示。

表3 永久支護(hù)參數(shù)表

在溶洞回填至750 m高程時(shí)，根據(jù)設(shè)備作業(yè)高度及支護(hù)范圍,利用洞砟填筑噴錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)平臺、多臂鉆、濕噴噴射手、曲臂式自行式高空作業(yè)平臺，以“先洞壁后洞頂，先兩側(cè)后中間”的原則進(jìn)行噴錨網(wǎng)防護(hù)。

4.3.2 噴錨網(wǎng)防護(hù)施工

1)洞壁防護(hù)施工如圖15(a)所示。完成噴錨網(wǎng)施工作業(yè)后，進(jìn)行洞壁穩(wěn)定性監(jiān)測分析，確定不穩(wěn)定區(qū)域并做好標(biāo)識。在洞壁穩(wěn)定區(qū)域自上而下進(jìn)行錨桿施作，同時(shí)空出危險(xiǎn)區(qū)域暫不施作。先在穩(wěn)定區(qū)域鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片，然后在危險(xiǎn)區(qū)域利用周邊錨桿掛設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)張緊后由周邊向中心加密錨桿。最后，噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。

2)洞頂防護(hù)施工如圖15(b)、15(c)所示。洞頂防護(hù)以順線路方向自兩側(cè)向中間方式進(jìn)行施工，首先施工漲殼式錨桿，施工流程為：①鉆孔成形并徹底清孔(為了使鉆孔直、鉆徑精確，使用十字鉆頭鉆孔)；②將安裝有漲殼錨頭的桿體插入孔的底部；③用專用工具用力預(yù)緊桿體，使?jié)q殼錨頭在錨孔中充分漲開，施加力量直到扭不動(dòng)為止；④注漿，施加預(yù)應(yīng)力后及時(shí)注漿，最后鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

(a) 洞壁加固

(b) 洞頂加固

(c) 洞頂防護(hù)效果

4.4 回填體注漿加固施工

由于洞砟回填厚度大，實(shí)際填筑壓實(shí)度難以達(dá)到規(guī)范要求，為避免工后沉降過大或不均勻沉降對上部隧道結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響，對回填體上部進(jìn)行注漿加固，以提高整體性。

DIK53+645～+725段注漿范圍為回填洞砟上部20 m(即730～750 m高程)，橫向?yàn)樗淼劳膺厜ν?0 m以內(nèi)。注漿孔鉆孔直徑110 mm，孔間距3 m×3 m。考慮到回填體松散且粒徑不均勻，鉆孔成孔困難，為避免塌孔、卡鉆，同時(shí)為保證注漿效果，采用分段前進(jìn)式注漿方法，分段長度為4 m。為控制注漿擴(kuò)散范圍，回填體周邊4 m范圍內(nèi)采用普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.6∶1～0.8∶1，水泥、水玻璃體積比為1∶0.3～1∶0.4，凝膠時(shí)間30 s～1 min；中部孔位采用普通水泥單液漿，漿液水灰比為0.6∶1～0.8∶1。注漿順序?yàn)橄韧馀?、后中間，跳孔分序進(jìn)行，注漿施工過程如圖16所示?，F(xiàn)場注漿前應(yīng)完成注漿試驗(yàn)，以確定合適的注漿參數(shù)及漿液配合比。采用地質(zhì)雷達(dá)及取芯法驗(yàn)證注漿效果，要求不得存在注漿盲區(qū)或不飽滿區(qū)域，取芯孔數(shù)不小于注漿孔數(shù)的5%，鉆孔結(jié)石率不低于90%。

(a) 注漿加固設(shè)備

(b) 注漿加固現(xiàn)場布置

4.5 混凝土路基板與大邊墻施工

注漿加固后進(jìn)行回填體表層、分層及水平位移等沉降監(jiān)測傳感器安裝，與早期監(jiān)控傳感器并網(wǎng)形成沉降實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)。然后，在隧道主洞中心線左右12 m范圍內(nèi)施工3 m厚C35鋼筋混凝土路基板，板內(nèi)設(shè)4層φ25 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，設(shè)φ16 mm架立筋，從隧道主洞穿越溶洞段的中段位置向2個(gè)主洞口方向分段澆筑底板，如圖17(a)所示，預(yù)留溶洞邊緣處接口不澆筑。此后，在路基板兩側(cè)施工C20素混凝土大邊墻，邊墻橫截面直角邊梯形，邊墻底寬4 m，線路外側(cè)坡度為1∶0.15，底部嵌入底板凹槽內(nèi)，頂部預(yù)留5 cm縫隙先不接觸頂板，為降低不均勻沉降，左右兩側(cè)向施工分段澆筑，如圖17(b)和17(c)所示。

(a) 鋼筋混凝土底板分段澆筑

(b) 混凝土大邊墻施工

(c) 大邊墻施工完成

4.6 隧道明洞結(jié)構(gòu)施工

在大邊墻內(nèi)側(cè)設(shè)隧道明洞結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25網(wǎng)噴混凝土和16a工字鋼拱架；二次襯砌支護(hù)采用80 cm厚C35鋼筋混凝土，隧道斷面預(yù)留凈空500 mm，預(yù)防溶洞回填體工后沉降導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)侵限，支護(hù)斷面如圖18所示。隧道結(jié)構(gòu)施工前，先在大邊墻內(nèi)側(cè)預(yù)埋3 m厚普通洞砟，在洞砟上方布置5排鋼管柱，柱頂架設(shè)千斤頂，千斤頂支撐在溶洞頂板上，啟動(dòng)千斤頂，對路基板下超厚回填體進(jìn)行控制性預(yù)壓，預(yù)壓荷載達(dá)到隧道明洞結(jié)構(gòu)自重1.5倍，超過隧道運(yùn)營期全部荷載。因千斤頂不具備作動(dòng)器功能無法模擬列車通過時(shí)的擾動(dòng)作用。隧道仰拱和二次襯砌施工如圖19所示。

圖18 溶洞內(nèi)隧道斷面設(shè)計(jì)(單位： cm)

(a) 仰拱施工

(b) 二次襯砌施工

目前，高山隧道巨型溶洞施工處理已全部完成，等待順利鋪軌。沉降在線監(jiān)測結(jié)果表明，摻5%水泥級配碎石層完工至今20個(gè)月，回填體表層沉降總量249.15 mm。目前沉降趨于穩(wěn)定，經(jīng)沉降曲線回歸預(yù)測，黔張常鐵路運(yùn)營期100年內(nèi)巨型溶洞段隧道地面沉降低于450 mm，比隧道預(yù)留凈空小，溶洞處理方案安全、可靠，處理總成本不超過0.6億元，經(jīng)濟(jì)且技術(shù)合理。

5 結(jié)論與討論

1)根據(jù)高山隧道巨型巖溶發(fā)育規(guī)模、形態(tài)、工程水文特征和地質(zhì)特征及其與隧道空間關(guān)系，兼顧施工難易與經(jīng)濟(jì)成本，共提出線路繞避調(diào)整類、回填處理類和橋跨處理類相關(guān)11個(gè)處理方案。繞避方案廢棄工程量大，不能避開大面積溶蝕洼地；橋跨方案施工難度大，橋墩抵御落石沖擊能力差；回填方案可以利用廢棄洞砟，回填料反壓溶洞，施工簡單、成本經(jīng)濟(jì)，最終確定“回填洞砟+上部注漿加固”處理方案。

2)從施工安全和控制沉降角度出發(fā)，嚴(yán)密實(shí)施了溶洞分階段回填、洞壁洞頂安全防護(hù)、回填體注漿加固、鋼筋混凝土路基板施工、板上大邊墻施工和隧洞明洞結(jié)構(gòu)施工等一系列關(guān)鍵工法；施工過程中交叉進(jìn)行振動(dòng)碾壓、堆載控制預(yù)壓、注漿減沉及預(yù)留凈空多種預(yù)防工后沉降的措施，并對回填體建立了詳細(xì)全面的沉降在線監(jiān)控系統(tǒng)，保證了溶洞處理施工順利進(jìn)行。

3)高山隧道巨型溶洞隧道建設(shè)工程從探測、設(shè)計(jì)到施工都可為國內(nèi)外同類隧道提供參考。在高位穿越條件下，首次采用超厚洞砟回填+上部注漿加固方案，極大降低了施工成本；同時(shí)采用洞口高位拋填降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；在沉降控制方面采用了多種技術(shù)措施。同時(shí)，也需要長期跟蹤觀測，以形成一套技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)且廣泛適用的巨型溶洞處理技術(shù)。