高速铁路隧道基底岩溶处理技术研究

王唤龙

（中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031）

1 引言

岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层进行化学和机械性侵蚀破坏、搬运、沉积作用形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。岩石的的可溶性和裂隙性以及水的侵蚀性和流通性是岩溶发育的基本条件。我国岩溶地区分布广泛，随着我国高速铁路建设项目的不断发展，在岩溶地区开展隧道工程施工已不断增加。岩溶地区的地质条件复杂，溶洞发育，通常在向斜构造比背斜构造岩溶发育强烈，向斜构造的核部岩溶发育比两翼强烈，背斜构造两翼比核部岩溶发育强烈。岩溶对隧道的影响主要表现为结构物部分及全部悬空，大大降低隧道使用的可靠度，溶洞填充物外涌，给施工造成困难和安全隐患，季节性的岩溶洞穴涌水，给隧道施工和体系带来不安全和不稳定因素[1-3]。在岩溶发育地区修建隧道过程中，如何保证工程安全、可靠、顺利的穿越岩溶区的处理技术方案是设计和施工技术人员必须研究和解决的重大课题。

对于隧道穿越岩溶问题，特别是处理隧道基底岩溶问题，已有较多问题进行了研究，李治国[4]提出了岩溶处理原则和不同类型岩溶的处理方法；张民庆等[5]对宜万铁路的典型岩溶进行了总结，并讨论了不同类型的岩溶治理实例；施政[6]、欧振祥[7]、马涛[8]对铁路隧道岩溶的处理技术进行了探讨；刘小兵[9]、夏桂云[10]探讨了隧道穿过大型溶槽地段时，采用地基梁结构的处理方案。以岩溶洞穴与隧道的相对位置和距离而言，岩溶位于隧道上方或侧翼时，该类岩溶一般较容易进行处理，但当溶洞位于隧道底部时，则处理就较为棘手，需谨慎处理。本文以云桂高速铁路东风隧道DK639+441 ～+459 m段的基底岩溶作为具体工程实例，讨论基底岩溶处理的一般原则与方法，具体的对该隧道以桩基跨越和筏板基础的方法可靠、安全的穿越岩溶危险区，并满足隧道基底满足地基承载力，保证列车安全运营。

2 工程概况

东风隧道位于云桂高速铁路，DK639+441～+459段隧道洞身穿过二叠系下统梁山组灰岩夹炭质页岩、砂岩（P1l），岩质软硬不均。强风化区（W3），层厚约为4 ～ 6 m，属于IV级软石，为C组填料；灰岩弱风化带（W2），属V级次坚石，为A组填料。炭质页岩、砂岩弱风化带（W2）属IV级软石，D组填料。对DK639+441～+459段隧道进行揭示时，发现隧道底部岩溶强烈发育（图1），隧道底部灰岩中发育串珠状溶洞，溶洞可分为三层，第一层溶洞大小为0.3～3.9 m，第二层溶洞大小为3.1～6.5 m，第三层溶洞大小为1.3～10.5 m，溶洞充填物以黏土为主，溶洞地层描述如下：

（1）粉质黏土（Q4ca）：溶洞充填物，棕黄、棕红色，软塑状为主，局部硬塑状，局部夹20～35%的灰岩质碎石角砾，属II级普通土。该层厚度较大，不能够满足隧道基底承载力的要求，需要进行加固或换填等处理。

（2）灰岩（P1l）：灰色，隐晶结构，薄～中厚层状，岩质坚硬，局部节理及溶蚀裂隙发育，岩溶强烈发育。溶蚀破碎带（R3）厚0～10m，浅灰、棕黄色，岩体破碎，局部杂乱，围岩呈强风化带和碎块石土夹软黏土，黏土分布不均匀，局部有软硬不均现象，属IV级软石；弱风化带（W2）属V级次坚石，为A组填料。

隧道施工中未见地下水发育，该溶洞地段属于地下水季节变动带，地表溶蚀洼地较为发育，旱季涌水量一般较小，丰水年地表溶蚀洼地雨水汇聚后沿溶洞及岩溶管道下渗形成临时性地下水流，造成部分充填的软塑状粉质黏土流失，同时雨季则以“过路水”为主，运动方向以垂直运动为主。溶洞充填的黏土、隧道围岩及溶洞围岩的物理力学性质如下：

表1 隧道DK657+953～910段岩土体物理力学性质指标

3 岩溶隧道处理一般原则与方法

3.1 岩溶处理一般原则

在岩溶隧道施工过程中，首先需通过利用地质雷达进行超前地质预报来预测前方是否遇到岩溶洞穴，判别其规模、大小、相对位置及与隧道的距离，确定岩溶的工程地质及水文地质特征，制定针对性的预处理的施工对策，其处理方案必须以安全为主题，兼顾经济、可靠性，因此岩溶的治理方案必须严格遵从“保证施工安全、确保结构稳定、保障安全运营”的3个基本宗旨，坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则通过岩溶地区。根据国内外岩溶隧道的施工经验，岩溶主要需遵循采取以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理的原则：

（1）以疏为主，始终坚持对岩溶水进行疏导，尽量不改变岩溶水的渗流路径，保持岩溶水的赋存状态，以保证施工安全及隧道运营的可靠和安全。

（2）堵排结合，根据溶洞中的岩溶水与地表水的关系，尽量切断地表岩溶水的补给，改变其地表水渗入该溶洞，同时提高隧道工程的防渗等级，提高围岩的抗渗能力。在隧道外部地区修建岩溶水径流通道，使水体能安全快速的通过隧道区，防止其造成水压，对隧道产生威胁。

（3）因地制宜，综合治理，需根据隧道所处的工程地质和水文地质条件及周围环境条件，采取多种方法进行综合治理。

3.2 基底岩溶处理方法

在岩溶隧道施工过程中，应综合考虑岩溶的洞穴充填特征、所处位置、规模大小、水文情况、施工状态等因素进行因地制宜的采取处治措施。对于隧道底部溶洞的处理方法有多种, 主要包括换填封堵、注浆加固、桩基处理、复合地基处理以及筑梁或拱结构跨越等形式。通过对岩溶洞穴规模大小进行分类，其基底岩溶的处理方式如下：

3.2.1 小型溶洞处理

（1）当岩溶洞穴位于隧道基底位置且内部无充填物时，当发育深度＜5 m时，可采用片石混凝土回填的处治方案，；当发育深度＞5 m时，采用弃碴等进行回填至距基底5 m 范围以下部分夯实，并保证满足承载力及沉降要求，隧道基底以下5 m 采用混凝土回填处治方案，整个回填过程中必须进行振捣，保证密实。

（2）当岩溶洞穴位于隧道基底位置且内部有充填物时，应在清除岩溶洞穴内的充填物后，采用C10混凝土或M7.5 浆砌片石回填。

3.2.2 大型溶洞的处理

（1）托梁+板跨方案，隧道基底必须采取弃碴回填后，采用“托梁+钢筋混凝土板”的跨越结构，同时需加强初期支护和二次衬砌的形式。

（2）型钢混凝土+板方案，当隧道基底溶洞很深，而溶洞在隧道纵向的跨度小于3 m时可进行选用。

（3）钢管群装方案，当隧道基底溶洞大于较深，约5～20m时，可采用钢管群桩加固处理方案。

（4）桩基+承台方案，当隧道基底溶洞的纵向发育范围较大，溶洞发育深度距基底为20～30m时，可采用桩基+承台方式进行处置，但必须计算溶洞底部桩基承载力和承台承载力，确定承台厚度和隧道基底承载力。

（5）充填方案，当岩溶纵向发育规模巨大，发育深度大于30m时，可采用填筑方案，以路基形式通过岩溶地段。

（6）梁跨方案，当基底岩溶规模较大，溶洞中充填松软充填物时，要求不堵水，需疏水时，可采用本方案。

（7）拱跨方案，对于大跨度的过水型溶洞，而且溶洞周围岩体相对比较完整，具有拱跨墩的承载力是，可以据地质条件进行选择。

4 东风隧道DK639+441~+459段基底岩溶处理措施

（1）基底岩溶及衬砌处理。据溶洞形态与隧道关系，DK639+441～+459 m段共18m隧底采用桩+筏板基础，具体如下：钻孔桩桩径1.0m，桩长17m～22m，桩间距纵向4m，横向3.8m，共14根，采用C35钢筋混凝土，桩底嵌入基岩深度不小于2m；桩顶钢筋伸入筏板1m，桩长从筏板底面处算起；板厚1.5m，宽13.92m，长18m。

根据开挖揭示的地质条件及岩溶形态，并结合隧底岩溶整治措施，隧道DK639+441～+459 m段扩挖后重新施作喷射混凝土及钢筋网，采用“直边墙+底板”型式，同时需进行环向加固围岩，洞身拱墙、仰拱均采用C35钢筋混凝土，沟槽身C25混凝土，盖板C35钢筋混凝土，仰拱填充C20混凝土，喷射混凝土采用C25混凝土或C25纤维混凝土。

（2）防排水措施。隧道DK639+441～ +459 m段的地下水对混凝土无侵蚀，二次衬砌拱部、边墙及仰拱混凝土抗渗等级不低于P10。暗洞初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位铺设EVA平面防水板加无纺布防水；暗洞衬砌拱墙环向施工缝设中埋式橡胶止水带加外贴式橡胶止水带，仰拱环向施工缝设中埋式橡胶止水带；纵向施工缝设中埋式钢边橡胶止水带加遇水膨胀橡胶止水条；施工缝环向数量按10m一道计列，纵向施工缝数量按2道计列；两侧边墙脚设φ80纵向透水盲沟，并每隔5～10m将地下水引入洞内侧沟，同时要求纵向盲管直接弯入隧道侧沟，纵向透水盲沟明暗衬砌段分别设置且不得连通。

隧道DK639+441～ +459段对地下水采取“以排为主”的设计原则，对DK639+441～ +459 m段环向盲管加密至每3m一环。

5 结论

（1）岩溶是岩溶发育地区隧道施工过程中的常见不良地质现象，岩溶处理过程中应因地制宜、综合治理，对隧道基底岩溶需考虑岩溶规模、大小、充填物情况进行处理。

（2）隧道基底溶洞处理必须满足隧道基底承载力，并且应具有足够的刚度，保证工后轨道沉降满足规范要求。

（3）本隧道基底岩溶处理方法主要采用刚性比较大的桩+筏板基础通过岩溶区，对衬砌进加固处理，配合防排水措施来达到处理岩溶的目的。本文通过对高速铁路岩溶隧道的岩溶治理方案，为以后类似岩溶隧道设计及施工方案积累经验。

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