西南山區(qū)高速鐵路隧道巖溶治理技術(shù)研究

王喚龍

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031）

1 引言

巖溶是指地表水和地下水對可溶性巖層經(jīng)過化學(xué)作用和機(jī)械破壞的長期溶蝕作用而形成的各種地表及地下侵蝕現(xiàn)象的總稱[1]。我國石灰?guī)r地層分布廣泛，巖溶地質(zhì)現(xiàn)象非常普遍，特別是在我國西南地區(qū)的重慶、貴州、云南、廣西等地。隨著我國生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展，在巖溶地區(qū)的建筑工程逐漸增多，特別是在巖溶地區(qū)修建鐵路時，若沒有對巖溶進(jìn)行詳細(xì)研究并采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧谑┕ず瓦\營過程中會發(fā)生許多事故，甚至嚴(yán)重威脅鐵路行車安全，如南昆、湘黔、宜萬、武廣、黔桂等鐵路[2～8]，地下水發(fā)育，巖溶現(xiàn)象隨處可見，通過對這些鐵路巖溶隧道的設(shè)計與施工，為我國的巖溶隧道方面積累了一定的經(jīng)驗。但是，各個地區(qū)的巖溶發(fā)育情況和發(fā)育史的特點不同，因而處理技術(shù)也不能一以貫之，需根據(jù)巖溶的不同發(fā)育特點來采取不同的處理方法。本文以我國西南山區(qū)某高速鐵路巖溶隧道作為典型工點，分析了隧道巖溶的危害及一般處理原則，探討了該隧道的巖溶處理方法，為類似隧道的巖溶病害處置提供一定的借鑒。

2 工程概況

巖溶地段主要位于隧道的DK657+953～DK657+910段，長43 m，該隧道主要穿越該地段的泥盆系中統(tǒng)曲靖組（D2q）石灰?guī)r，呈弱風(fēng)化狀態(tài)，且含水豐富，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。在隧道開挖過程中，開挖揭示了DK657+953段線路右側(cè)拱腰部分具有充填性溶洞，該段主要為灰?guī)r、白云巖，呈中～厚層狀，巖體溶蝕裂隙發(fā)育，裂隙中充填紅黏土；在DK657+940段線路右側(cè)拱腰部位具有溶洞，且溶洞從線路右側(cè)向隧道中線處擴(kuò)大，并且向隧道頂部延伸，深度不明，溶腔內(nèi)具有紅黏土充填，同時充填物內(nèi)含有巨塊孤石（2～3 m3/塊），紅黏土呈軟塑狀，且清理充填物后仍具有坍塌發(fā)生；在DK657+933段線路右側(cè)發(fā)現(xiàn)半充填型溶腔，充填物為軟塑狀紅黏土，溶洞空腔縱向發(fā)育長度約為4 m，開挖輪廓線外橫向發(fā)育長度約為6 m，該溶腔圍巖較破碎，巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主；同時，在DK657+953～DK657+910段發(fā)現(xiàn)該段隧道基底發(fā)育充填型巖溶溶洞，長度約為18 m，溶洞內(nèi)的充填物主要為紅黏土，且隧道低仰拱至溶洞底部最深處的充填物厚度約為23.7 m，巖石為灰?guī)r，裂隙較為發(fā)育，現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)明顯的地下水滲出，地下水主要以垂直運動方向為主。隧道穿越該段的巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表所示。

3 巖溶隧道處理原則與方法

高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求極高，當(dāng)隧道通過巖溶地區(qū)時，巖溶洞穴使隧道工程全部或局部懸空，從而降低隧道使用的可靠度；地下水將會對隧道結(jié)構(gòu)混凝土帶來極大的侵蝕作用，從而縮減隧道的使用壽命；巖溶洞穴中的堆積物，通常其堆積物在工程活動作用下易于坍塌下沉，從而改變洞穴周邊的應(yīng)力狀態(tài)，影響隧道的穩(wěn)定性；隧道中地下水?dāng)y帶物質(zhì)流失，特別是對隧道頂部物質(zhì)的流失而使其產(chǎn)生地面巖溶塌陷，導(dǎo)致環(huán)境地質(zhì)被破壞，從而造成隧道不穩(wěn)定。因此，高速鐵路巖溶隧道相對一般鐵路隧道處理巖溶的標(biāo)準(zhǔn)更高、要求更嚴(yán)，其處理原則及一般方法簡述如下。

表1 隧道DK657+953～DK657+910段巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.1 巖溶隧道的處理原則

首先，采用地形地貌、地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)測繪等手段來對巖溶地段進(jìn)行定性預(yù)測，再結(jié)合地質(zhì)鉆孔、超前預(yù)報、隧道巖溶預(yù)報等方法，查明巖溶洞穴的分布范圍、類型、發(fā)育程度、填充物質(zhì)類型、相對隧道位置及距離、地下水等情況，為正確制定巖溶處理方案提供資料。然后，巖溶遵循以疏為主、堵排結(jié)合、經(jīng)濟(jì)合理、綜合治理、不留后患的原則進(jìn)行處理，在施工過程中盡量不改變巖溶水的徑流和滲流路徑，減少地下水的流失，保證施工過程的環(huán)境安全，堅持“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、緊襯砌、勤量測”的原則采取多種方案綜合治理而通過巖溶地區(qū)。

3.2 巖溶隧道的一般處理方法

隧道工程在施工過程中的巖溶影響主要表現(xiàn)在巖溶洞穴、地下水作用、洞穴堆積物及塌陷、洞頂?shù)乇硭?個方面，當(dāng)隧道穿越巖溶地段時，應(yīng)根據(jù)隧道與巖溶洞穴的相對位置靈活處理，主要考慮巖溶洞穴的大小、規(guī)模、圍巖穩(wěn)定性、地下水水量、堆積物物理性質(zhì)狀態(tài)等情況。一般情況下，對巖溶隧道主要采取跨越、加固洞穴、清除堆積物并回填夯實、對軟弱堆積物注漿加固、引排地下水并疏排地表水等綜

合治理方案，其主要考慮以下4種情況：

1）當(dāng)巖溶洞穴較大且較深時，可采用梁、拱跨越巖溶地帶，跨越的梁端或拱座必須位于穩(wěn)固可靠的巖層之上，必要時需要灌注混凝土進(jìn)行加固；若隧道穿越特大型巖溶洞穴時，可采用明洞結(jié)構(gòu)形式穿越巖溶地帶；若地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道襯砌可采用拉桿拱、邊墻梁等結(jié)構(gòu)形式，同時可采用錨索對溶洞與隧道連接處進(jìn)行加固。

2）對于未發(fā)現(xiàn)地下水痕跡的溶洞，即已停止發(fā)育的干涸溶洞，隧道施工過程中可采用漿砌片石或干砌片石來封堵填充巖溶洞穴。

3）對于穿越松軟、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的洞穴堆積物的巖溶隧道時，若不能滿足隧道結(jié)構(gòu)自重、拱頂荷載及行車荷載作用，可用混凝土或漿砌片石換填洞穴充填堆積物來提高其地基承載力；若為了防止洞穴巖壁或洞頂坍塌，在清除松動巖石的基礎(chǔ)上，可采用錨桿、注漿加固等措施對圍巖進(jìn)行加固。

4）對巖溶地帶的地下水的治理，由于巖溶經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代逐步形成了規(guī)模巨大的巖溶管道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，管道中巖溶水的流量大、速度快，通常采用堵截的方法難以達(dá)到良好的治理效果，因此，在巖溶隧道的實際施工過程中，應(yīng)盡量維護(hù)巖溶暗河的通路，不宜隨意封堵，為防止巖溶水的突水、涌泥狀況，應(yīng)采取超前地質(zhì)預(yù)報和超前孔相結(jié)合的方式，確保施工安全，因此，對于巖溶水的治理，應(yīng)采用合理的疏、排、防、截等綜合治理措施。

4 隧道巖溶危害治理措施

4.1 隧道拱部及邊墻溶洞處理措施

在隧道DK657+953～DK657+940段采用I18鋼架，鋼架間距在1.0 m，拱部的巖溶范圍須對鋼架的縱向連接鋼筋進(jìn)行加密處理，其縱向連接筋的環(huán)向間距為40 cm，并以C25混凝如進(jìn)行護(hù)拱，厚度為1.0 m，邊墻背后采用干砌片石回填；DK657+940～DK657+910段采用全環(huán)I20b鋼架，鋼架間距為0.6 m，拱部采用φ108 mm大管棚，管棚長25 m，環(huán)向間距為0.4 m，每環(huán)39根，若溶洞范圍內(nèi)的鋼架基礎(chǔ)位于土層時則須采用φ75 mm鋼花管注漿加固基礎(chǔ)，每榀2根，長度6.0 m，拱部及邊墻以C25混凝土護(hù)拱，厚2.0 m，并且護(hù)拱后進(jìn)行背后吹砂，吹砂層不小于1.5 m，同時邊墻背后采用干砌片石回填。

工后監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及二襯質(zhì)量檢測結(jié)果顯示隧道二襯結(jié)構(gòu)符合相關(guān)規(guī)范及檢測標(biāo)準(zhǔn)，處理措施是合理可行的。

4.2 隧道基底溶洞處理措施

對于隧道基底溶洞，位于基底以下2.0 m范圍內(nèi)的部分采用C25混凝土換填；在基底以下2.0 m范圍外的部分采用φ60 cm的旋噴樁加固基底，旋噴樁的間距為1.0 m×1.0 m，采用交錯布置，加固深度達(dá)到隧道底部以下15.0 m或基巖中0.5 m，其注漿材料采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥漿，水泥漿水比為0.8～1.5，外加2%～3%的CaCl2做速凝劑，以確保加固后的復(fù)合地應(yīng)力大于300 kPa。

在整個隧道巖溶地段，應(yīng)在護(hù)拱吹砂層背后每隔10 m預(yù)埋1根φ100 mm PVC管，頂部采用無紡布包裹，并高于吹砂層不小于10 cm，并引排至隧道側(cè)溝，并在DK657+953～DK657+910段（見圖1）增加環(huán)向盲溝，并加密橫向排水管至3 m/環(huán)。

工后長期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基底沉降量僅4 mm，滿足高速鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，表明采用旋噴樁加固措施是可以滿足相關(guān)規(guī)范要求的。

圖1 隧道DK657+953～DK657+910段巖溶處理平面及縱斷面圖

5 結(jié)論

通過本文的分析下與研究，得到以下結(jié)論：

1）巖溶是巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工過程中的常見不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶處理過程中應(yīng)因地制宜、綜合治理，同時考慮生態(tài)環(huán)境，確保隧道施工和運營安全；

2）隧道的基底溶洞處理是重中之重，基底是承重結(jié)構(gòu)，其處理效果直接影響鐵路的運營安全；

3）巖溶處理應(yīng)根據(jù)隧道與巖溶相對位置分為頂部、底部、邊墻部位進(jìn)行加固處理，本隧道的處理方法主要包括頂板回填、底部換填、邊墻注漿加固及溶腔壁穩(wěn)定加固，地下水排泄管道設(shè)置等措施。本文通過對西南山區(qū)高速鐵路某巖溶隧道的巖溶治理方案，可為以后類似巖溶隧道設(shè)計及施工方案積累經(jīng)驗。