宜万铁路云雾山隧道“+852”溶洞发育特征及技术对策

2012-05-14苗德海

铁道勘察 2012年4期

苗德海

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

云雾山隧道地处湖北省鄂西南中低山区，海拔高程750～1 750 m，最大埋深800 m，隧道区高山深切，地势陡峻，相对高差大，山体自然坡度20°～40°。隧道进口段为车站隧道，后过渡为两条单线隧道，进口里程DK242+084，Ⅰ线出口里程DK248+724，Ⅱ线出口里程ⅡDK248+766，Ⅰ线全长6 640 m，Ⅱ线全长6 682 m。全隧道为单面上坡，坡度分别为1‰、6‰、14.9‰。云雾山隧道纵断面设计见图1。

1 区域地质背景

1.1 地层岩性

云雾山隧道穿越地层主要有寒武系、奥陶系，寒武系地层呈NE向展布于白果坝背斜核部及两翼，奥陶系地层呈NE—SW向展布于白果坝背斜北西翼，“+852”溶洞位于寒武系地层。

图1 云雾山隧道纵断面

1.2 地质构造

隧道位于新华夏系第三隆起带(川鄂褶皱带)内，主要构造形迹以NE—NNE向褶皱为主。隧道斜穿白果坝背斜，该背斜长约40 km，宽约10 km，轴向约N45°E。背斜核部附近发育北东向的二次纵张断裂——白果坝断裂。白果坝断层先期为纵张，后期为压扭性，在隧道区表现为逆断层。

隧道区节理、裂隙较发育，规模较大的节理、裂隙主要发育在白果坝背斜南东翼和背斜倾伏端，“+852”溶洞位于白果坝背斜南东翼。

1.3 岩溶发育的控制因素

隧道区岩溶发育程度受岩性、地貌、构造等主要因素控制。

从地层岩性控制岩溶发育程度分析，寒武系地层中岩溶发育程度明显高于奥陶系地层。从地形地貌控制岩溶发育程度分析，山顶、山脊平台和岩溶槽谷部位岩溶发育程度明显高于斜坡地带，总数267个岩溶点中仅有13处分布在斜坡地带，占岩溶总点数的4.87%，而分布在山顶平台和岩溶槽谷中的岩溶点254处，占总点数的95.13%。

从构造控制岩溶发育程度分析，一是自白果坝背斜轴部向两翼，岩溶发育程度由强到弱，各岩溶洞穴发育数量是轴部部位多于产状陡立部位，产状陡立部位多于产状缓倾部位。

“+852”溶洞位于隧道进口端斜坡地带。

1.4 区域水文地质

云雾山隧道区域水文地质如图2所示，区内岩溶地下水主要来自大气降雨补给，岩溶台地大气降雨大部分渗入地下，斜坡地带大气降雨大部分形成地表径流汇入冲沟、河谷。

在背斜核部岩溶台地的大气降雨进入地下转化为地下水后，主要以溶隙管道流形式沿构造线方向由高向低处径流，少量在横张节理或裂隙发育处向背斜两翼分流。

图2 云雾山隧道区域水文地质

两翼斜坡地段的大气降雨，通过各种岩溶通道进入地下以后主要沿岩层走向运移，汇合山顶岩溶台地分流的岩溶水后，形成岩溶管道径流。背斜ES翼岩溶水大部分顺层面向高桥河径流、排泄，受地层岩性、构造及岩溶发育分层特性控制，部分地下水在白果坝北约2 km、高程1 150 m左右向岸云一带低洼冲沟排泄，汇入岸云水库之中。背斜NW翼岩溶水向渡口河径流、排泄，受相对阻水层的阻隔，部分岩溶水在寒武系上统底部沿纵向运移，在渡口河边的小鱼泉以暗河形式排出地表，部分岩溶水切穿相对阻水层，进入下奥陶统地层，在渡口河边的大鱼泉以暗河形式排出。

区内地下河系统主要为白果坝暗河、大鱼泉、小鱼泉等系统。“+852”溶洞隶属于白果坝暗河支管道系统，该暗河系统发育于白果坝背斜南东翼，主通道位于隧道进口附近的白果坝大型槽谷，埋深约50 m，区内长度达12 km。该暗河系统规模大，区内汇水面积约20 km2。白果坝背斜南东翼地下水均汇入该暗河系统，大气降雨汇集后均沿白果坝槽谷分布的落水洞直接入渗地下。该暗河出口位于测区东部的龙麟宫，出口高程450 m，且该暗河为隧道进口处区域侵蚀基准面，控制着区内岩溶发育的下限［1-2］。

2 溶洞发育特征

2.1 溶洞发育规模

如图3所示，溶洞纵向发育长度约33 m，在Ⅰ、Ⅱ线隧道及横洞相互连通，可探宽度大于60 m，Ⅰ线DK242+852～+869段溶腔发育在隧道以下，溶腔底距隧底最深处约32 m，DK242+869～+885段溶腔逐渐向上部发育，高出隧顶约10 m;Ⅱ线隧道ⅡDK242+858～+870段溶腔发育在隧底以下，ⅡDK242+870后溶腔向隧道左上侧发育。

图3 云雾山隧道“+852”溶洞平面

2.2 溶洞段工程水文地质条件

地层为寒武系之厚层微—细晶灰岩等，节理较发育，溶腔顶板岩体破碎，偶见掉块发生，洞底堆积较大面积的黏土、块石等。受本区最低排泄基准面白果坝暗河支管道系统影响，“+852”溶洞高出排泄基准面约60 m，位于地下水垂直渗流带内，该溶腔影响范围汇水面积约2.6 km2，根据降水入渗法推算，溶腔雨季最大流量约为0.4 m3/s。

“+852”溶洞属于典型的处于地下水垂直渗流带内大型半充填溶洞［1－2］。

3 技术对策

3.1 整体稳定性评价

将影响大型溶洞整体稳定性的因素归纳为5个控制要素和23个因子，采用专家调查法设定了各因素的权值，见表1。结合宜万铁路近50处大型溶洞工程实践，建立了大型溶洞整体稳定性的评价体系，当综合分值≥80时为整体稳定，当60≤分值＜80时为局部可能发生坍塌，当分值≤60时为不稳定，需要加固。

根据“+852”溶洞形状、顶板岩层状况、埋置深度、地下水发育情况、隧区所处地震区域情况，对该溶洞进行了整体稳定性评价，综合得分为71分，溶洞处于整体稳定，局部可能发生坍塌状态，需要局部加固［3-5］。

3.2 设计方案

根据“+852”溶洞形态、规模、工程水文地质特征及溶洞整体稳定性评价结论，提出了“桩基承台+隧道结构”、“钢管桩+隧道结构”、“桥梁+隧道结构”3种溶洞处理方案，综合考虑隧道基础及整体结构安全可靠、施工难度、地下水等因素，推荐采用了“桩基承台+隧道结构”的设计方案。各方案优缺点比较见表2［6-8］。

表1 大型溶洞整体性稳定评价指标权值

3.3 工程对策

横洞绕行:为了减少溶洞处理对隧道施工工期的影响，调整横洞线路走向，采用左侧绕行至DK242+948里程处进入正洞施工。

表2 设计方案比较

溶洞防护:根据溶洞整体稳定性评价结论，对溶洞内不稳定岩体体进行清除，并对对溶洞顶板采用锚喷加固［5，9］。

隧道结构:溶洞段隧道位于隧道小间距地段，Ⅰ线隧道与Ⅱ线隧道中间空腔处采用C20混凝土回填;隧道拱墙周边为基岩段，采用初期支护10 cm厚C20网喷混凝土，二次衬砌35 cm厚C35钢筋混凝土的隧道结构;隧道周边发育空腔段，隧道拱部及边墙外施做厚度不小于1 m的C20混凝土护拱，护拱外空腔吹砂注浆回填，回填厚度3～5 m，初期支护10 cm厚C20网喷混凝土，二次衬砌45 cm厚C35钢筋混凝土的隧道结构［10］。

隧底基础:线隧底溶洞发育较浅处采用C20片石混凝土换填，发育较深段采用桩基承台跨越，共设置14根φ1.5 m的C25钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长10.5～29 m，梅花形布置，横向间距5 m，纵向间距2.7 m，其上为承台结构。

Ⅱ线隧底DK242+854～+870溶洞段左侧采用桩基托梁跨越，托梁截面尺寸为1.5 m×1.5 m，采用C35钢筋混凝土，托梁两端端承基岩长度不小于2.0 m;桩基采用φ1.5 m钻孔灌注桩，间距为4.0 m，桩长10 m，桩底嵌入完整基岩长度不小于3.0 m，侧壁完整基岩厚度不小于3.0 m。

排水:为减少隧道两侧地下水渗流对隧道及其基础结构的影响，Ⅰ线隧道承台底1 m范围内采用碎石滤水层回填，碎石层中预埋双层φ100 mm透水盲管，盲管纵、横向交叉布置，间距1 m×1 m，再通过Ⅱ线左侧溶洞边壁向Ⅰ线隧底钻6个φ210 mm钻孔，孔内安装透水盲管，与Ⅰ线隧道承台底排水系统连通，形成排水系统。

溶洞段处理典型横断面和纵断面见图4和图5。