高速鐵路長大隧道斜井穿越暗河處理方案研究

【摘要】以目前在建時速350 km高鐵世界第一長隧-渝昆高鐵彝良隧道1號斜井為例，對于斜井穿越大型溶洞時，結合溶洞規(guī)模、水文地質條件，比選研究了①棄渣+C20混凝土回填方案、②迂回繞避方案、③抬高坑底跨越方案、④泄水洞方案4個不同處理方案，經比選后確定了斜井跨越溶洞段采用“棄渣+C20混凝土”回填，以及為順利引排暗河巖溶水增設一泄水洞方案。

【關鍵詞】溶洞； 高速鐵路隧道； 斜井； 處理方案； 渝昆高鐵

【中圖分類號】U453.4B

0 引言

巖溶是我國西南鐵路建設中的主要工程地質問題之一，由于巖溶發(fā)育的復雜性、隨機性、隱蔽性，以及勘察設計階段無法完全查明隧道內巖溶的空間分布形態(tài)和發(fā)育規(guī)律的局限性［1-2］。西南地區(qū)巖溶隧道施工中，時常會遇到大型復雜巖溶管道、暗河、大型溶洞等，并且在富水巖溶地段極易發(fā)生涌水突泥事故，也造成了重大人員傷亡、經濟損失和工期延誤［3-5］。

近年來，隨著國家“八縱八橫”高速鐵路主通道為骨架，區(qū)域性高速鐵路銜接的高速鐵路網布局，也吹響了高速鐵路建設的沖鋒號角。高速鐵路受選線要素及地形控制，特別在我國西南復雜山區(qū)，誕生了不少長大隧道，在工期與安全的雙重壓力下，采取增設輔助坑道的措施。在巖溶地區(qū)，常設置橫洞或平導，其遇到溶洞、暗河時，處理經驗已較成熟［6-8］。但是當受制于地形限制，巖溶地區(qū)僅具備設置斜井條件時，如何安全通過并保證施工及運營安全，一直困擾著隧道建設者。

本文以目前在建350 km/h高鐵——渝昆高鐵彝良隧道1號斜井為例，渝昆高鐵線路全長699.3 km。設計速度350 km/h，是國家“八縱八橫”高鐵網中京昆通道的重要組成部分。對于斜井穿越大型溶洞時，結合溶洞規(guī)模、水文地質條件，分別研究了不同的溶洞處理方案，現場按方案實施后，既保證了施工及運營安全，避免了淹井事故的發(fā)生；同時為類似工程提供了借鑒意義。

1 工程概述

1.1 斜井概況

彝良隧道位于新建重慶至昆明高速鐵路鹽津南—彝良北區(qū)間，為350 km的雙洞單線隧道，全長24 832 m，最大埋深約920 m。輔助坑道采用“2橫洞+2斜井+2平導”方案，其中1號斜井全長1582 m，洞身穿越灰?guī)r、白云巖等可溶巖地層占比59%。1號斜井洞身掌子面掘進至里程X1DK1+502時揭示一空溶洞（暗河）。暗河分為上、下兩層（圖1）。

1.2 溶洞工程地質情況

溶洞（暗河）分為上下兩層，施工揭示暗河為上層暗河。上層暗河開挖揭示未見流水，但雨季為過水通道，暗河壁可見泥痕，上層暗河底板以下約4 m為下層暗河。該段洞身穿越基巖為泥盆系中統(tǒng)曲靖組（D2q）灰?guī)r、白云巖夾頁巖。中厚—厚層狀，巖質堅硬、性脆（圖2、圖3）。

上層暗河沿斜井小里程方向約長28 m、最大長約48 m，與斜井近于垂直方向寬約23 m，最大斜寬32 m，豎向最大高約9 m（上層暗河形態(tài)詳見圖4）。開挖揭示時該暗河無水，底部有灰?guī)r塊石、細砂、卵石，暗河壁整體穩(wěn)定，局部易掉塊，暗河壁發(fā)現有過水痕跡，可見最高泥痕標高為1121.89 m，比揭示暗河段洞身坑底高2.4 m。

上層暗河下方約4 m為下層暗河，下層暗河由南西向北東徑流，與斜井洞軸交角約70°，位于底板以下約8 m，高度約2 m。暗河水深0.2～1 m，水面寬0.6～1.5 m，縱坡約69‰，流量估計約20 L/s。

上、下層暗河之間為灰?guī)r，上層暗河通過兩處豎向發(fā)育的消水洞與下層暗河相連。上層暗河主軸與下層暗河主軸斜交，平面交角約60°（圖6、圖7）。

1.3 水文地質情況

彝良隧道1號斜井位于龍爪壩河左岸斜坡地帶，地表水主要為龍爪壩河及季節(jié)性沖溝流水，經龍爪壩河匯入白水江，河水流量受季節(jié)影響明顯，雨季水量較大，旱季相對較小。地下水主要為巖溶水及基巖裂隙水，巖溶水主要受降雨及地表水補給，水量受季節(jié)影響大。該套巖溶水徑流受分水嶺和地層巖性控制，由補給區(qū)自西南向東北徑流，至龍爪壩河左岸排泄，在1號斜井洞口下游約240 m處出露一個巖溶泉（該套巖溶水的集中出水點），該泉點流量148～1000 L/s?？紤]該段巖溶水排泄方式為“散流+集中”的形式，結合巖溶泉的流量，預測極端暴雨情況下最大總涌水量約172 800 m3/d，下層暗河最大涌水量約71 000 m3/d，上層暗河最大涌水量約101 800 m3/d。斜井洞身位于巖溶水季節(jié)變動帶內。旱季水量較小，涌突水風險低；雨季水量較大，涌突水風險高（圖8）。

2 溶洞處理方案研究比選

根據開挖揭示巖溶發(fā)育及地質補勘情況，對本段巖溶處理共研究了4個方案。分別為①棄渣+C20混凝土回填方案、②迂回繞避方案、③抬高坑底跨越方案、④泄水洞方案。

2.1 棄渣+C20混凝土回填方案

隧底溶洞采用“棄渣+C20混凝土”回填方案，分別于X1DK1+484～+517段斜井中線左、右約6 m處設置C25混凝土擋墻，然后采用棄渣分層回填密實至斜井底板以下2 m，再采用C20混凝土回填至斜井底板標高。施作C25混凝土擋墻前，應預埋1000 mm鋼筋混凝土管，縱向間距5 m，以留出溶洞過水通道。為防止極端情況下溶洞內地下水位上升且?guī)в幸欢ㄋ畨何＜罢窗踩?，于X1DK1+484～+517段左右側邊墻腳位置設置泄水降壓鋼管；鋼管底端置于溶洞空腔擋墻外1 m，頂端延伸至X1DK1+543處外1 m?？⒐ず髮缭饺芏炊涡本捎没炷粱靥蠲軐?，并加大井底段的回填長度（圖9、圖10）。

上述填筑工程施工完畢后應有不小于6個月的放置期并應經過一個雨季后，方可確定斜井的底板結構施作時機，若部分地段存在沉降變形，待變形基本穩(wěn)定后，采用C20混凝土進行回填處理。

為保證安全，該段采用復合式（底板）襯砌，襯砌內設鋼筋。

2.2 迂回繞避方案

考慮溶洞處理時間較長，斜井洞身采用迂回繞避溶洞的方案。由于溶洞下方存在暗河，流向為由斜井施工方向的左側流向右側，故左側較高、右側較低。為減小迂回線位再次穿越溶洞的可能性，采用由暗河標高較低的施工方向右側進行迂回。迂回后斜井長度增加17 m，斜井與正洞交點里程不變，交角變?yōu)?3°（圖11、圖12）。

2.3 抬高坑底跨越方案

于原變坡點X1DK1+543處開始，向洞內方向抬高斜井坑底高程至X1DK1+502處結束，形成X1DK1+502至斜井洞口段的順坡排水。對已施作段落的拱頂進行擴挖，下部C20混凝土進行回填，跨越溶洞處對溶洞采用棄渣分層回填（圖13、圖14）。

2.4 泄水洞方案

為順利引排溶洞地下水，設一泄水洞引至洞外。泄水洞采用4.5 m×5 m斷面，坡度3‰，長度約220 m（圖15）。

2.5 方案比選分析

綜合比選分析，各方案存在的優(yōu)、缺點及投資情況，如表1所示。

3 溶洞處理措施

為保證施工及運營期的安全，根據開挖揭示巖溶發(fā)育及地質補勘情況，在綜合考慮施工、運營安全及經濟性的基礎上。最終確定了斜井跨越溶洞段采用“棄渣+C20混凝土”回填，以及為順利引排暗河巖溶水增設一泄水洞方案。

3.1 斜井跨越溶洞（上層暗河）段巖溶整治

X1DK1+484～+517段斜井底部溶洞采用“棄渣+C20混凝土”回填，并設置過水管涵。巖溶整治措施如圖16～圖19所示。

（1）為保證隧底溶洞回填施工安全，防止溶洞壁掉塊，首先對X1DK1+484～+517段隧底溶洞頂及溶洞壁的松動體及掉塊進行清除，并采用錨網噴防護。

（2）分別于X1DK1+484～+517段斜井中線左、右4.3 m處設置C25混凝土擋墻，擋墻頂寬1.0 m，胸坡1∶0.2，擋墻基底及墻身嵌入完整基巖不小于1 m。為防止擋墻背后積水，擋墻墻身設置泄水孔，泄水孔間距2 m交錯設置。

（3）擋墻施作完畢后，采用隧道棄渣回填密實，回填至斜井底板以下1 m處，棄渣層應分層回填，每層不大于1 m。

（4）待棄渣回填完畢后，其上再進行C20混凝土基礎回填。

（5）為留出溶洞過水通道，施作C25混凝土擋墻前，應對棄渣回填面整平并布設1排共3根1000 mm鋼筋混凝土管，并向左側擋墻方向形成不小于1%的排水坡度后，再行回填C20混凝土至設計底板底面。

（6）上述填筑工程應在下一個雨季來臨前施作，填筑工程施工完畢后應有不小于6個月的放置期并應經過一個雨季后，方可施做斜井的底板結構，若部分地段存在沉降變形，待變形基本穩(wěn)定后，采用C20混凝土進行回填處理。

（7）為方便檢修及水位觀測，于溶洞地段X1DK1+502左側邊墻位置預留一處檢修通道，檢修通道高度應高于溶洞最高水位。

（8）巖溶整治施工工序：溶洞壁防護—施作C25混凝土擋墻（埋設鋼筋混凝土管）—底部棄渣回填—上部C20混凝土回填—施作斜井底板結構。

（9）工后處理：為保證運營安全，竣工后于X1DK1+484處向小里程端采用C25混凝土封堵，封堵厚度5 m。并于斜井洞口設置柵欄門便于運營檢修。

3.2 增設泄水洞

為順利引排彝良隧道1號斜井X1DK1+484～X1DK1+520段暗河水，于1號斜井東北側設置一泄水洞，總長216 m，其中與1號斜井交點里程為X1DK1+480，泄水洞與1號斜井中線大里程夾角為37°33′18″。泄水洞設為單面下坡，坡度為-5‰。泄水洞起點坑底高程較與1號斜井交點處的斜井坑底高程低4.5 m。按無軌運輸單車道組織施工，其斷面內凈空尺寸為3.5 m（寬）×4.0 m（高）。

4 結束語

本工程以渝昆高鐵彝良隧道1號斜井為例，對于斜井穿越大型溶洞時，結合溶洞規(guī)模、水文地質條件，其中上下層暗河極端暴雨情況涌水量大，上層暗河水涌高后高于該段斜井底板標高，倒灌進入斜井，存在淹井風險。根據地質進一步的補勘與水文調查工作，查明了暗河補給與排泄的相互關系，對該暗河涌水風險做了進一步的風險評估。比選研究了①棄渣+C20混凝土回填方案、②迂回繞避方案、③抬高坑底跨越方案、④泄水洞方案4個不同的處理方案，經綜合比選后最終確定斜井跨越溶洞段采用“棄渣+C20混凝土”回填，并增設一泄水洞方案，作為安全儲備?，F場按方案實施后，既保證了施工及運營安全，避免了暗河涌水倒灌淹井事故的發(fā)生；同時為類似工程提供了借鑒意義。目前現場處于在建狀態(tài)。

參考文獻

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