铁路隧道巨型溶洞综合处治技术研究

王秋

中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆400023

我国西南地区岩溶发育强烈，具有岩溶形态发育齐全、岩溶地质问题特别突出的特征［1］。随着西南地区铁路建设不断发展，铁路隧道不可避免要穿越溶蚀区，面临更多大（巨）型岩溶问题，如何有效处治巨型溶洞、保证施工运营安全是亟待解决的重大问题。

近年来，随着岩溶隧道的大量修建，在岩溶处治方面逐渐形成了“绕、截、排、堵、越、分步开挖与加强支护相结合”的处治原则［2］。“绕”主要指隧道改线绕过溶洞。“截”指的是将岩溶地下水提前截断，改变其引流方向。“排”指的是对岩溶地下水以排为主，合理导流。“堵”指的是隧道周边注浆堵水以及采取土石填料、混凝土或其他填充物进行回填的方法形成人工路基。“越”指运用板跨、梁跨、拱跨等方式跨越溶洞。“分步开挖，加强支护”是指隧道开挖过程中严格控制沉降变形，同时对支护结构采取加强措施。隧道穿越溶蚀区时，应根据溶洞发育特征采取一种或多种方式相结合的综合处治方法［3-4］。

关于巨型溶洞处治方法已积累了很多应用实例。黔张常铁路高山隧道高位斜穿巨型溶洞采用回填洞砟+上部注浆加固的治理方案［5-7］。成贵铁路玉京山隧道巨型溶洞处治采取五台阶法开挖+多种支护方式并存+模板法施作二次衬砌等施工措施［8-9］。云桂客专营盘山隧道、长昆客专朱砂堡二号隧道巨型溶洞采用大体积空心混凝土分层、分段回填的处治方案［10-11］。龙麟宫隧道巨型溶洞处置采用硬质隧道弃渣回填后再注浆加固处理的方法［12］。羊桥坝隧道巨型溶洞处置采用左线左偏绕避溶洞方案［13］。岩湾隧道特大型溶洞处置采用底部洞渣回填＋上部搭桥跨越的方法，并对隧道结构设置拱形防护［14］。山乾隧道采用设置长泄水洞+集水通道方案，在后期施工和运营中隧道未再发生集中涌水涌泥，治理方案合理有效［15］。对门寨隧道大型溶洞群采用弃渣+C20混凝土分层间隔回填、桩筏结构、混凝土护墙、锚网喷防护、设置泄水洞等措施，整治效果良好［16］。

已经取得的科研成果能够较好地指导岩溶治理，但渝贵铁路东山隧道地质构造极为复杂，溶洞厅室最大处面积达11 500 m2，尚无直接可参考借鉴的工程经验。因此，针对东山隧道实际情况，采用设置前瞻性泄水洞、综合超前地质预报、注浆堵水、分区段防排水体系、溶洞段立体排水系统、桩板式明洞结构、加强结构及溶洞（腔）壁支护等综合技术措施，并通过数值模拟验证方案的合理性。

1 工程概况

重庆—贵阳铁路扩能改造工程东山隧道位于遵义市桐梓县娄山关镇行政管辖区，全长2 748 m。隧道区属中低山溶蚀构造龙岗谷地地貌，位于东山背斜西翼，岩性多样，主要穿越可溶岩区段。区内共发育两条断层，均具有导水性。地表范围发育有溶蚀洼地、落水洞、溶洞等岩溶形态，岩溶强烈发育，地质构造极为复杂。东山隧道施工过程中，共揭示溶腔、溶洞多达16处，最大溶洞厅室面积达11 500 m2，属于巨型溶洞。岩溶主要分布于DK165+900—DK166+300段，并以DK166+260处岩溶洞群为典型，如图1所示。

图1 溶洞分布平面示意

由图1可知，DK166+260处溶洞群整体上由两个巨型大厅溶洞和伴生小型溶洞、管道及溶隙汇集而成，主厅部分位于线路左侧200 m处，厅室面积达到10 800 m2，洞高10～60 m，底部为积水深潭，处上游位置；次厅位于线路右侧，厅室面积达11 500 m2，洞高10～30 m，处主厅下游处位置；两厅之间为小型洞、管道和溶隙所联通，局部溶孔较密；下游为半隐伏和隐伏溶洞，岩溶水自主厅向右横穿线路及次厅至下游溶洞消落。

溶洞内分布有以石钟乳、石笋、石幔等形态存在的化学沉积物，其结构疏松，稳定性差，洞内地形复杂。洞底充填有崩塌成因的块石土以及冲积成因的黏土和细角砾土，以软塑状为主，局部呈流塑状，絮状结构，无沉积规律，有流失可能。在沉积黏土层与溶洞岩壁交界处多见流水痕迹，存在多处岩溶泉水、消水洞，隧道左侧的岩溶潭水静储量约4 000 m3。

2 岩溶水处治方案研究

针对岩溶的不确定性，区分不同情况分别或综合采取注浆堵水、坑道引流等防排水措施；通过强化综合超前地质预报，针对具体岩溶情况，深化岩溶突水突泥灾害防治及岩溶处理措施。

2.1 综合超前地质预报

开展施工综合超前地质预报，并针对岩溶地段特别予以加强预报。根据分段地质及水文条件，详细设计了不同的组合预报方法。利用地震波探测仪、地质雷达、红外探水仪等综合物探手段和深孔水平钻孔、超前5 m长孔钎探进行超前地质预报，并定量取芯，以准确判定开挖面前方和周边地质情况，重点关注岩溶地质和地下水的探测，以掌握岩溶具体分布位置、规模、特征及其与隧道的空间位置关系，从而适时调整或强化工程措施以及防排水方案。

2.2 泄水洞超前施工

基于勘察成果预判岩溶及地下水的危害，在出口端线路右侧设置泄水洞，并超前于正洞施工，为进一步探明地质条件、排泄雨洪涌水和正洞施工提供保障。

2015年1月，出口工区泄水洞超前正洞施工至XSDK166+250（XS代表泄水洞）附近，超前地质预报即发现岩溶，进一步强化探测，揭示一巨型溶洞。因此，设置绕避不安全地质和溶腔形态的迂回通道（图2，其中YH表示迂回），以开辟后续正洞工作面，避免了隧道施工与溶洞段补勘及施工作业的干扰，并利用其协调处理当前和后续岩溶问题，实施溶腔段落隧道工程。

图2 迂回通道示意

2.3 综合性防排水措施

1）分段区别、各部适应、整体协调治水

针对岩溶管道水，按以排为主的方针疏导引流，采取巩固和接通既有径流通路的措施，原路排泄地下径流，并设置排水坑道以防路径受阻和雨洪超量。

针对导水断裂构造、储水破碎围岩、零散溶隙，按以堵为主的方针，采取超前注浆、针对性注浆，防止地下水突破薄弱围岩导致突水突泥灾害和环境破坏。针对隧道所临近的岩溶空腔管道、溶孔溶隙、破碎和软弱区域，按排堵结合、保证安全的方针综合采取超前注浆、实地注浆以及局部引排的措施。

引流排水系维持地下水的排泄，不影响环境安全；存在涌水突泥风险地段，以超前注浆进行地层加固和防水；关联地段，亦堵亦排且固化加强。全隧道结合超前地质预报和气象条件进行区域水文监测，并联动采取洞内外防排水措施，从而减少地层内地下水的排放，防止涌水突泥、地表失水和塌陷，规避施工与环境灾害。

2）分区段引排水

针对施工揭示的DK165+900—DK166+300段岩溶，采取分区段引排水方案。根据该范围内不同情况，分为溶洞小里程段、溶洞大里程段及溶洞段三个区段分别引排地下水，见图3。在线路右侧溶洞内设消能汇水池，溶洞小里程段正洞中心沟水流和小型溶腔水分别由排水联络通道和泄水孔引入迂回通道排至溶洞内汇水池；线路左侧溶洞段地下水由深基础明洞上方横向引至右侧汇水池，再经由泄水洞排出。溶洞大里程段地下水分别由正洞中心沟和泄水洞直接排出洞外。为防止淤塞，溶洞下游既有消水洞整体维持原状，不作为主要排水目标方向。

图3 分区段排水示意（单位：m）

3）综合立体防排水体系

经施工中补充勘察查明，东山隧道溶洞段DK166+216—DK166+280受岩溶水影响较大。岩溶水系由DK166+200左200 m的溶洞主厅发育，至线路所在溶洞次厅，并于DK166+220—DK166+280横穿线路至右侧，在次厅下游进入消水洞及后续半隐伏和隐伏溶洞。岩溶水包括DK166+250左100 m的溶潭水和DK166+248右25 m岩溶泉水，其中岩溶潭水静储量约为4 000 m3。溶洞内常年流水点及间歇性出水点水量变化与地表降雨密切相关，岩溶管道水具有就近补给的特点，溶洞次厅段最大涌水量为78 280 m3/d。为保证岩溶水有效排泄，采取了隧顶截排水沟+边墙底及拱腰截排水管+隧底过水涵洞的综合立体排水系统（见图4和图5），确保了隧道排水的畅通，保证衬砌结构免受岩溶水危害。

图4 综合立体排水示意

图5 隧顶过水渠示意

3 隧道支护及结构措施研究

3.1 方案比选

正洞及溶腔采取合理的支护及结构措施，保障隧道施工、衬砌结构及运营安全。

1）对于已揭示地下水丰富及溶腔（群）地段、下穿洼地、隐伏岩溶漏斗段，由于水量的急聚性特点，为避免衬砌背后一段时间内较大水量聚集产生开裂现象，衬砌背后不仅预留了排水通道，还采用了钢筋混凝土结构，且局部空溶腔处设置混凝土护拱，能够承受一定的水压力，确保长期运营安全。

2）巨型溶洞段结构选取

东山隧道溶洞发育规模大，空间分布差异大，隧道洞身穿越溶洞段长约60 m，高10～20 m。洞底充填有崩塌成因的块石土以及冲积成因的黏土和细角砾土，以软塑状为主，局部呈流塑状，有流失可能。在DK166+260处呈V形溶蚀充填深切槽状侵蚀发育形态。隧道结构及其基底处理是岩溶处理的关键工程之一。

根据溶洞的分布形态与地质特征等，设计主要研究了动静分离桥跨+明洞方案、桩板明洞跨越方案、基底处理+明洞方案，各方案优缺点见表1。综合考虑岩溶发育特征、施工机具展开等条件，隧道最终采用桩板明洞跨越溶洞的结构形式。

表1 方案优缺点

3.2 结构设计

结合现场溶洞形态及基底状态，为获取技术可行、安全可靠、经济适用的结构尺寸和形式，设计上建立结构体系力学模型，通过受压弹簧模拟结构与围岩的相互作用，采用荷载-结构法数值模拟计算得到结构体系内力与变形，并确定结构的尺寸与配筋。

3.2.1 计算模型

60 m溶洞地段拟采用桩基托梁形式穿越，隧道拱顶2 m采用C20素混凝土进行回填，桩基托梁平面布置如图6所示，典型横断面如图7所示。

图6 桩基托梁平面布置（单位：mm）

图7 桩基托梁典型横断面（单位：cm）

3.2.2 荷载计算

1）横向荷载计算

①明洞衬砌所受荷载

参照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［17］附录G中明洞荷载计算方法，计算明洞拱圈回填土垂直压力。参照TB 10003—2016中表6.1.9建筑材料的标准重度或计算重度，混凝土及片石混凝土的重度取23 kN/m3，配筋率在3%以内的钢筋混凝土的重度取25 kN/m3。假定回填C20素混凝土的计算摩擦角为40°，计算得出侧压力系数为0.218。因此，衬砌所受回填土垂直压力最大值为208 kPa，最小值为46 kPa；回填土侧压力最小值为10.03 kPa，最大值为71.47 kPa。

②列车活载计算

参照文献［18］，列车活载采用客货共线的UIC图式，见图8。按照最不利荷载处理，假定列车活载为均布线荷载156.25 kN/m，传递至底板时，列车荷载分布情况见图9。

图8 客货共线UIC图式（单位：m）

图9 列车荷载传递至底板的传递图式（考虑冲击系数）

根据TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［19］，列车竖向活载包括列车竖向动力作用，该列车竖向活载等于列车竖向静活载乘以动力系数（1+μ），其动力系数为钢与钢筋混凝土板结合梁的动力系数，即

式中：L为梁跨度。

当跨度为8 m时，动力系数为1.46；当跨度为7 m时，动力系数为1.47。动力系数应取最大值1.47，因此列车荷载传递至隧道底板时的均布荷载为78.3 kPa。

③轨道铺底荷载

隧道轨顶以下有厚1.629 m的混凝土铺底，铺底按照均布荷载37.49 kPa考虑。

④衬砌受力模式及荷载大小

根据明洞所受荷载及荷载分布形式，得出明洞衬砌所受荷载大小及分布，见图10。图中，qmin为竖向荷载最小值，qmid为竖向荷载中间值，qmax为竖向荷载最大值，e1为水平荷载最小值，e2为水平荷载最大值，p列车为列车荷载，p铺底为轨道板荷载。

图10 明洞衬砌所受荷载大小及分布形式

2）纵向荷载计算

按照横向荷载计算所求得的桩顶轴力施加在纵梁上，得出纵梁的纵向内力及桩内力。此时纵梁所受荷载已考虑围岩对其支撑作用，因此纵向荷载计算时不再考虑。

3.2.3 计算参数

1）横向荷载计算参数。考虑对隧道周围的填充物进行加固，假定其弹性抗力为50 MPa，围岩对底板的弹性抗力取30 MPa。考虑溶洞填充物对桩的侧摩阻力较小，将桩嵌入基岩（灰岩）2 m，围岩对其弹性抗力取100 MPa，2 m以上部位的弹性抗力取30 MPa。明洞衬砌及底板材料为C30钢筋混凝土，桩身材料为C40钢筋混凝土，根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［18］，材料的物理力学参数见表2。

表2 材料物理力学参数

横向荷载计算中衬砌和桩的内力与桩长、桩纵向间距有关。可将桩基托梁的横向荷载计算拆成7个计算工况，综合选取其中3个典型工况，其纵向长度与荷载见表3。在计算中将纵梁高于明洞底板部分的重量等效成底板重度的增加，换算后可知底板等效重度为36.834 kN/m3。

表3 横向荷载计算工况的基本参数

2）纵向荷载计算所对应的竖向力见表4。纵向计算参数同横向计算参数，桩底以上2 m处的围岩弹性抗力取100 MPa，2 m以上部位的弹性抗力取30 MPa。

表4 纵向荷载计算所对应的竖向力

3.2.4 计算结果

通过有限元软件MIDAS GTS进行荷载-结构法数值模拟计算，衬砌结构采用梁单元。通过衬砌荷载分布云图计算得到衬砌结构配筋参数，见表5。其中，裂缝宽度不需验算，满足要求；配筋为22@200。

表5 衬砌关键截面内力及验算结果

板梁采用梁单元，通过板梁荷载分布云图计算得到板梁结构配筋参数，见表6。

表6 连续板梁关键截面内力

3.2.5 工程措施

根据计算结果，设计采取了三种措施：

1）隧道穿越溶洞段采用钢筋混凝土桩板明洞形式，取消中心沟设置，其中明洞拱墙厚80 cm、底板厚150 cm（内设纵横梁）；基底采用直径1.5 m的钻孔桩，桩间距4～8 m。施工中以现场开挖实际情况决定桩长与基础埋深，同时加强现场勘验工作，保证隧底结构安全可靠。

2）为提高桩的相对刚度，约束桩顶位移，改善基底性能，溶洞深V形溶槽段基底采用φ75钢花管注浆加固，钢管桩间距1.2 m×1.2 m，梅花形布置，长10 m，见图11。

图11 典型横断面（单位：m）

3）正洞DK166+216—DK166+280段隧道中线左右各10 m范围，迂回施工通道溶洞内明挖段中线左右各7 m范围，溶腔顶板设置喷锚支护，喷厚10 cm的C25混凝土；钢筋网网格间距25 cm×25 cm。φ32全长黏结砂浆锚杆长3～4 m，间距1.5 m×1.5 m，正方形布置。当监测表明需要加强时，再在方形中心增设φ32锚杆或锚索。溶腔顶部支护施工前，须先清除洞顶石钟乳等松动岩块，确保施工及后期运营安全。

4 结论

1）根据渝贵铁路东山隧道岩溶发育特征以及水文地质条件，针对岩溶地下水，采用了前瞻性泄水洞的设置、综合超前地质预报、注浆堵水、分区段防排水体系以及溶洞段隧顶截排水沟+边墙底及拱腰截排水管+隧底过水涵洞的综合立体排水系统，确保了隧道排水的畅通，保证衬砌结构免受岩溶水危害。

2）从施工安全和经济成本角度出发，结合东山隧道巨型溶洞发育规模、形态及其与隧道空间关系，通过结构数值模拟计算、方案比选，隧道最终采用桩板明洞跨越溶洞的结构形式，同时加强结构及溶洞（腔）壁支护，保证了溶洞处理施工顺利进行。

3）东山隧道遭遇巨型溶洞，地质条件复杂，采取了一系列的技术措施，确保了施工安全，降低了施工成本，并形成隧道岩溶水灾害防治以及技术合理、经济最优、广泛适用的巨型溶洞综合处理成套技术，可为国内外同类隧道在工程探测、设计以及施工方面提供借鉴。