高速铁路上郭关隧道施工遭遇大型溶洞的处理方案研究

孙正兵，岳 健，赖新军，杨 雄

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

高速铁路上郭关隧道施工遭遇大型溶洞的处理方案研究

孙正兵1，岳 健2，赖新军1，杨 雄1

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201)

高速铁路上郭关隧道在施工中遭遇了大型溶洞，溶洞由6个形态各异的溶洞大厅组成，有必要研究既安全又经济的溶洞处理方案。首先根据溶洞大厅的大小与位置，设计现浇套拱衬砌支顶、埋设钢筋混凝土管涵与施作护墙支挡3种处理方案；然后数值模拟不处理溶洞、处理溶洞、处理溶洞并考虑水渗流影响等情况，对比多种工况下的隧道受力变形，分析溶洞处理效果，并提出施工建议；最后将溶洞处理方案应用于工程实践。结果表明：隧道变形在安全范围内，隧道顺利通过岩溶区，证明采取的溶洞处理方案切实可行。

高速铁路；铁路隧道；大型溶洞；处理方案；数值模拟

在岩溶地区修建隧道，遇到溶洞的几率很大，为确保隧道施工与运营安全，有必要研究确定合理的溶洞处理方案。张旭东[1]介绍了宜万铁路高压富水溶洞的释能降压工法；王峥峥[2]研究了“超前管棚+小导管注浆”处理岩溶隧道的坍塌；罗斌[3]介绍了隧道溶洞的“回填反开挖法”处理方案；李锟[4]分析了洞渣回填、拱形防护和桥梁跨越的综合处治措施；曹校勇[5]研究了绕避溶洞的方案。目前虽然取得了一系列研究成果[6-12]，但由于岩溶地质条件、隧道类型、溶洞类型以及二者相互关系复杂多变，溶洞处理方案还需不断完善才能适应各种工程情况。特别是对于需要严格控制变形的高速铁路隧道，倘若前期勘查未探明，而在隧道施工过程中才发现附近存在分布形式复杂的大型溶洞，需要变更设计，此时制定既安全又经济的溶洞处理方案难度较大，需要根据现场具体情况具体分析。

1 工程概况

贵阳枢纽上郭关隧道为时速250 km的高速铁路单洞双线隧道，隧道全长1 095 m。隧道采用台阶法开挖与复合式衬砌，初期支护采用锚网喷支护，拱墙设置长度4 m、φ22 mm的系统锚杆与28 cm厚的C25喷射混凝土，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱墙二衬厚度为50 cm，仰拱二衬厚度为60 cm，隧道断面尺寸如图1所示。2011年3月17日，在隧道施工过程中，揭示了大型溶洞，目前探明的溶洞总长度约260 m，由6个溶洞大厅组成，溶腔体积共约6 900 m3，大厅之间由通道相连接。溶洞沿隧道线路前进方向发展，总体位于隧道下方或右侧，6个溶洞大厅形态大小各异，与隧道的位置关系也各不相同，如图2所示。部分溶洞的充填物以软塑状黏土和块石土为主，部分溶洞为空溶洞。溶洞内洞顶滴水，地面有水且比较潮湿，洞内有掉落的岩石堆积。

图1 隧道断面 (单位：cm)

图2 溶洞分布以及与隧道的位置关系

2 设计溶洞处理方案

制定溶洞处理方案之前尽可能摸清溶洞的成因。整个隧道正穿区域性的水洞向斜，向斜轴部大致与线路交于DI2K36+952处，交角约78°，向斜两翼均为三叠系下统谷脚组灰岩、白云岩夹泥质白云岩，岩层倾角缓。洞身岩性单一，为薄层夹中厚层状灰岩、白云岩夹泥质白云岩，隧区岩溶水较丰富，其分布不均匀。水洞向斜轴部易形成岩溶集中富水，在地下水向水洞向斜核部渗流的过程中，地下水不断侵蚀溶解可溶岩，最终形成了大型溶洞。

对于隧道遭遇溶洞的处理方案，可以对隧道进行加强设计，也可以对溶洞本身进行处理，也可两种方式结合处理。对于上郭关隧道，考虑了高速铁路隧道的特点，也考虑到大型溶洞是在隧道施工过程中遭遇的，根据溶洞成因、溶洞规模及其与隧道的相互位置关系，决定重点处理溶洞。遵循“保持既有岩溶通道畅通”这一原则，兼顾安全与经济，决定对充填性溶洞及串珠状溶洞进行注浆加固，对无填充性溶洞主要采用现浇套拱衬砌支顶、埋设钢筋混凝土管涵与施作护墙支挡3种不同的处理方案。本文主要研究无填充性溶洞的处理方案，典型断面的溶洞处理方案如图3所示。

图3 典型断面的溶洞处理方案示意 (单位：cm)

(1)现浇套拱衬砌支顶

当溶洞大厅位于隧道下侧并且溶洞较大时，采用现浇套拱衬砌支顶，主要用在1号、2号、3号溶洞大厅的处理。在溶洞内作业时，为防止溶洞顶掉块，应首先清除溶洞顶松动岩石，必要时加设锚网喷防护。套拱衬砌施作前，应先进行底部注浆加固，注浆管采用壁厚4 mm的φ75 mm钢管桩，钢管桩深入基岩不小于0.5 m，注浆材料采用1∶1水泥砂浆，注浆压力0.2～0.5 MPa。套拱衬砌采用40 cm厚的C30钢筋混凝土，套拱衬砌高度h可根据溶洞形态及现场情况进行调整。套拱衬砌与溶腔间隙或套拱衬砌与隧道衬砌间隙须回填密实。当空隙较小时，采用泵送混凝土回填；当空隙较大时，采用片石回填并注浆加固，片石粒径应不大于50 cm，片石堆砌孔隙率应不大于35%，采用套拱衬砌周边预留注浆孔注浆，注浆材料采用1∶1水泥砂浆，注浆压力约0.2 MPa。

(2)埋设钢筋混凝土管涵

在空间相对较小的4号、6号溶洞大厅内与溶洞大厅之间的连接通道内埋设预制好的管涵。管涵采用C30钢筋混凝土，厚度30 cm，内直径1.6 m。管道周边空隙采用M7.5浆砌片石回填密实。其余措施同套拱衬砌。

(3)施作护墙支挡

在隧道右侧空间较大的5号溶洞大厅内施作混凝土护墙，混凝土护墙设置在靠隧道一侧。施作护墙前，先对5号溶洞大厅进行锚网喷防护，喷C20混凝土厚8 cm，φ22 mm砂浆锚杆，长3 m，间距1 m×1 m，钢筋网采用φ8钢筋网，间距25 cm×25 cm。施作护墙前也要清除洞内淤土。护墙采用C30混凝土，护墙与隧道衬砌之间的间隙采用C30混凝土回填密实。护墙基础嵌入基岩不小于1 m。

3 数值模拟分析

根据图3，利用Midas-gts有限元程序建立相应的平面应变模型，按照典型工况进行模拟。首先计算了不处理溶洞且考虑水渗流影响的情况，发现在隧道开挖扰动与渗流破坏共同作用下导致未支护的溶洞失稳，使计算不收敛。因此只模拟分析不处理溶洞、处理溶洞、处理溶洞并考虑水渗流影响的情况，分析3种溶洞处理方案的作用效果，共计9种工况。模型宽300 m，高200 m，如图4所示。根据地质勘查报告[13]，考虑岩溶水的存在与渗流对材料力学指标的弱化，选取计算参数如表1所示。围岩采用摩尔-库伦模型，套拱衬砌、管涵、护墙、隧道喷混凝土采用线弹性模型，通过提高围岩参数来反映锚杆、钢管桩等的作用。模型的左、右、底边界均约束法向位移。

图4 计算模型

名称重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)渗透系数/(m/d)围岩252200.3842300.2隧道喷混凝土与溶洞支护25110000.3——0.000086

水渗流对应力变形影响的计算原理为[14]：由饱和土稳定渗流方程(1)得出总水头，再从总水头中减去位置水头得到压力水头，然后将压力水头与水的重度相乘得到孔隙水压力，利用有效应力原理将孔隙水压力调入材料的本构模型中计算应力与变形。

(1)

式中，h为总水头；kx、ky、kz分别为x、y、z方向的渗透系数，这里假定kx=ky=kz；Q为流量。

这里主要考虑水由地表向隧道与溶洞内渗流，因此令模型顶面的总水头为模型高度，隧道喷混凝土与溶洞支护的内表面压力水头均为0。模拟步骤为先处理溶洞，再台阶法开挖隧道并施作喷射混凝土。

限于篇幅，只给出典型的位移应力分布云图如图5所示；计算结果如表2所示。分析如下。

图5 处理溶洞并考虑水渗流影响的计算结果

项目不处理溶洞处理溶洞处理溶洞并考虑渗流影响溶洞处理方案无套拱无管涵无护墙套拱处理管涵处理护墙处理套拱处理管涵处理护墙处理隧道初衬拱顶沉降/mm8.510.081.46.510.08.67.57.048.0隧道底部围岩最大隆起/mm190.7128.4113.0106.8117.8104.574.674.426.7隧道初衬最大水平位移/mm78.660.4136.258.659.859.912.512.320.7隧道初衬最大压应力/kPa892887067981842985798308122311215511551

(1)采用制定的溶洞处理方案可减小渗透破坏，即使不考虑水渗流的影响，与不处理溶洞相比，应用制定的溶洞处理方案可明显减小隧道变形，适用于严格控制变形的高速铁路隧道。如施作护墙支档处理紧邻隧道右侧的溶洞大厅，可使隧道初衬的最大水平位移由136.2 mm减小到59.9 mm，减小了76.3 mm，也使隧道初衬拱顶沉降由81.4 mm减小到8.6 mm，减小了72.8 mm；如采用现浇套拱衬砌支顶处理隧道下侧溶洞大厅，可使隧道底部围岩最大隆起量由190.7 mm减小到106.8 mm，减小了83.9 mm。对于隧道底部溶洞的处理，要使溶洞支护全环封闭，并且将溶洞支护与围岩的间隙回填密实，才能满足高速铁路隧道的变形要求。

(2)数值模拟结果表明，隧道基底竖向位移呈现不均匀分布；考虑到现场地质条件与施工状况复杂多变，不确定因素较多，特别是大型溶洞靠近隧道底部，且沿隧道纵向不均匀分布。为了确保高速列车的平稳运行与长期安全，建议对隧道底部的溶洞进行支护后，根据实际情况，考虑是否还需适当加强隧道仰拱二次衬砌的钢筋配置。

(3)由于溶洞与隧道的位置关系不是“中对中”，溶洞大多位于隧道的偏右侧，导致隧道与溶洞均要承受偏心荷载，即便是形状均匀的圆形管涵衬砌，其最小主应力也会沿隧道与管涵的连线变化，在施工中要注意监测围岩与结构的偏拉偏压受力情况；隧道与溶洞间的中夹岩位移、应力与孔隙水压力均存在明显变化，这不利于中夹岩的稳定控制，建议从隧道与溶洞两个层面关注中夹岩的受力变形，必要时对中夹岩进行注浆加固；在溶洞支护尤其是靠中夹岩一侧的支护达到设计强度后，才能开挖隧道。

(4)考虑渗流工况的计算结果表明：水向位置关系不同的隧道与溶洞同时渗流时的隧道变形较为复杂；水渗流使隧道初衬最大压应力明显增大，增加量超过了2.0 MPa；当隧道开挖到岩溶水丰富的区段时，不仅要监测隧道初衬层的变形，也要监测其应力，尤其要注意边墙初衬的应力变化。

(5)应先处理溶洞，再开挖隧道并及时支护；虽然溶洞不是行车通道，但溶洞失稳坍塌会影响隧道稳定，开挖隧道对已处理溶洞影响较大时，应采用控制爆破开挖。

(6)采用制定的处理方案对溶洞进行处理后，无论是否发生水渗流，隧道的变形与应力都在可控范围内。结合工程类比，认为可将设计的溶洞处理方案应用于实际工程。

4 方案应用

将设计的溶洞处理方案应用于工程实践中，并采取了数值模拟分析得出的建议。溶洞处理的现场照片如图6所示。

图6 溶洞处理的现场照片(以管涵处理为例)

现场监测表明隧道的变形与应力都在安全范围内，隧道初衬的位移均未超过9 cm，隧道基底未出现明显的不均匀变形，隧道施工也没有使溶洞坍塌。采用本文制定的溶洞处理方案，确保隧道顺利通过了大型溶洞区，证明本文制定的溶洞处理方案切实可行，可为类似工程提供参考。

5 结论

(1)高速铁路隧道底部溶洞的支护应全环封闭，溶洞支护与围岩的间隙应回填密实。

(2)隧道与溶洞之间中夹岩的位移、应力与孔隙水压力在溶洞处理前后均存在明显变化，在溶洞支护尤其是靠中夹岩一侧的支护达到设计强度后，才能开挖隧道。

(3)在岩溶水丰富的区段施工时，水渗流将使隧道初衬最大压应力明显增大，尤其要注意边墙初衬的应力变化。

(4)对于分布形态复杂的大型溶洞，不同区段要选取不同的溶洞处理方案。实践证明本文制定的溶洞处理方案切实可行，可供类似工程参考。

[1] 张旭东，汪海滨，封明君.释能降压工法在高压富水岩溶隧道风险规避中的应用研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29 (S1):2782-2791.

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[3] 罗斌.广西谢家峒隧道大溶洞的施工技术[J].工业建筑，2014，44(3):129-133.

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[5] 曹校勇，张龙，林永锋.羊桥坝隧道大型干溶洞处理方案研究[J].现代隧道技术，2014，51(4):185-190.

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[14]北京迈达斯技术有限公司.Midas-gts用户手册.理论分析[Z].北京：北京迈达斯技术有限公司，2010.

Study on Treatment of Large Karst Cave during Construction of Shangguoguan High Speed Railway Tunnel

SUN Zheng-bing1， YUE Jian2， LAI Xin-jun1， YANG Xiong1

(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China； 2.School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology， Xiangtan，Hunan 411201， China)

During the construction of Shangguoguan tunnel on high speed railway， a large cavern including six different halls is encountered and it is necessary to determine a safe and economical cavern treatment scheme. Firstly， according to the cubage and position of the cavern halsl， three treatment schemes are designed， including pouring arch lining on site， burying reinforced concrete culvert and constructing protection wall. Secondly， numerical simulation is conducted with respect to different working conditions， with treating caverns and without treating caverns， treating caverns in consideration of the effect of water seepage; the stress and deformation characters of the tunnel are compared under manifold conditions; the cavern treatment effect is analyzed and construction suggestions are proposed. Finally， the cavern treatment schemes are applied to project engineering. The results show that the deformation of the tunnel is controlled within the safety limit， and the tunnel passes the Karst area successfully， which prove that the cavern treatment scheme is feasible.

High speed railway; Railway tunnel; Large Karst cave; Treatment scheme; Numerical simulation

2015-03-27；

2015-04-02

国家自然科学基金资助项目(51308209)

孙正兵(1981—)，男，工程师，2007年毕业于中南大学岩土工程专业， 工学硕士，E-mail:sunzb-011@163.com。

岳 健(1978—)，男，讲师，2012年毕业于中南大学道路与铁道工程专业，工学博士，硕士生导师，E-mail:changshalaosan@163.com。

1004-2954(2015)11-0083-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.020