朱砂堡二号隧道特大型岩溶空腔处理技术

林本涛 巩江峰

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

朱砂堡二号隧道特大型岩溶空腔处理技术

林本涛 巩江峰

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

350 km/h高速铁路隧道无砟道床对基础的工后沉降要求高，隧道通过溶岩地区岩溶充填溶洞、巨型空腔和暗河时控制基础沉降将成为关键因素。文章结合朱砂堡二号隧道特巨型岩溶空腔及暗河的处理，对比分析了基础梁跨、弃渣回填和大体积空心混凝土回填等方案，得出大体积空心混凝土回填在处理隧道基底大型空洞上具有便捷、安全、经济、沉降易控制、施工难度低等特点。给出了巨型岩溶空腔洞壁工程处理措施建议、大体积混凝土施工工法、岩溶暗河水的处理方案等，对类似工程的设计及施工具有良好的借鉴意义。文章创造性地提出了在大体积混凝土中竖向设置孔洞并间隔设置横向联系层的结构，充分利用混凝土抗压性能，最大限度的节约混凝土用量，又较好的解决大体积混凝土结构的水化热问题。

铁路隧道； 岩溶空腔； 暗河； 大体积混凝土

随着国民经济在“十二五”期间的快速发展，我国铁路事业建设发展迅速。铁路隧道建设水平得到极大提高，交通建设呈现出从平原微丘向西部山岭重丘的发展趋势，隧道将大量出现，其中在各种复杂和恶劣地质条件下的长大隧道数量也急剧增加，因此建设过程中遇到的岩溶问题越来越多。虽然岩溶地区隧道建设风险越来越受到重视，但是由于岩溶隧道的复杂性，不可预测性以及目前的认识水平，特别是在隧道穿越特大型岩溶空腔处理的研究和工程实践方面几乎为空白，以长昆线朱砂堡二号隧道建设经验为例开展隧道特大型岩溶空腔处理研究，具有非常重要的现实意义，对岩溶地区类似工程也具有非常重要的指导作用。

1 工程背景

朱砂堡二号隧道位于贵州省凯里市境内，位于长昆铁路玉屏东—三穗东车站区间，全长505 m，设计为双线时速350 km/h，隧底铺设无砟轨道道床，要求隧道基础工后沉降小于15 mm。隧道洞身通过寒武系下统清虚洞组(∈1q)薄层灰岩，最大埋深约49 m。2011年5月8日上台阶开挖至里程D2K 473+530(进洞施工约78 m)，上台阶开挖揭示一巨型溶腔，岩溶大厅底部纵向长约90 m，横向宽约53 m，溶洞呈“梨”状，向上收窄变小，高约58 m，隧道靠近该溶洞边顶部通过，隧底距溶洞底部约45 m，溶腔内无水。溶腔以下40 m发育暗河，暗河与隧道正洞在D2K 473+780处相交，隧道位于暗河顶板以上0～20 m，揭示的暗河、落水洞位于隧道基底以下并向右侧发展，暗河形态分布变化较大，暗河高度在55～92 m范围变化，暗河宽度在8～120 m范围变化，预测暗河最大涌水量为233×104m3/d，对隧道影响极大。具体岩溶空腔及暗河与隧道平面位置关系示意，如图1所示。

图1 岩溶空腔及暗河与隧道平面位置关系示意图

2 工程难点

2.1 岩溶空腔洞壁特点

巨型岩溶空腔的形成，是长时间由于地下水流动或地表水的下渗致使可溶岩不断的溶解、剥落、坍塌所致。施工揭示的岩溶空腔的洞壁稳定性和岩层的产状、倾角密切相关，朱砂堡二号隧道的巨型岩溶空腔段为水平缓倾岩层，故溶腔顶部稳定性较差，而边墙的稳定性较好；空腔顶部的稳定性直接影响下部作业人员及作业机械的安全，如何保证下部作业人员及作业机械的安全将成为岩溶空腔处理措施是否合理的前提条件。

2.2 岩溶空腔洞壁防护措施

一般情况下巨型溶腔洞壁由于跨度大、空间高，实施锚喷防护的措施难度较大，需要施做满堂支架，且作业时间较长，不建议采用。施工作业前应首先采用机械对明显不稳定危石予以清除，然后根据溶腔稳定性较差部位分布的不同可采取立柱支顶减小溶腔临空面，立柱过高可采取顶部密排设置贝雷梁桁架、于溶洞顶部附近设置被动防护网、于溶腔底部设置拱罩等措施。朱砂堡二号隧道采取的是于顶部附近设置密排贝雷梁桁架+被动防护网的组合措施，施工中顶部掉落的落石大多落在被动防护网上，个别砸穿防护网、缓冲后落在贝雷梁桁架之上，有效确保了底部作业人员的安全。

3 总体方案研究

朱砂堡二号隧道岩溶空腔主要分布于洞身及基地以下，拱部基本上位于基岩内，所以岩溶空腔处理主要以隧道基底的处理为主，主要方案有：梁跨方案(桩基托梁或拱桥跨越)、弃渣回填方案、混凝土回填方案。

3.1 梁跨方案

梁跨方案是指隧道基底施做桩基托梁或者拱桥方案，其中岩溶大厅段由于跨度太大采用桩基托梁方案，暗河段结合纵向空腔的跨度及深度采用拱桥方案。桩基托梁方案是指将隧道仰拱结构调整为钢筋混凝土底板结构，然后在底板结构下施作纵向托梁，托梁下部施作桩基础，如图2所示。拱桥方案是指将隧道结构整体施作于拱桥之上。

图2 岩溶大厅段桩基托梁方案(cm)

3.2 弃渣回填方案

采用隧道的硬质岩弃渣分层回填分层压实的方法，上一分层填筑施工结束后，及时对下一层进行高压注浆，待其达到一定强度后，进行压实度检测，符合密实控制指标压实系数K≥0.95，地基系数K30≥150 MPa/m，动态变形模量Evd≥40 MPa要求后，再进行下一分层的填筑，直至分层填筑至设计标高。施工结束后应进行沉降观测。

3.3 混凝土回填方案

采用混凝土对岩溶空腔进行回填，在回填体上施作隧道结构，该方案施工难度较低，可操作性强，工程质量易保障。为了减少回填控制投资，设计采用空心混凝土回填，如图3所示。

图3 混凝土回填方案(cm)

3.4 方案比选

各方案的优缺点分析，如表1所示，经比较混凝土回填方案具有施工方便、安全、经济、沉降易控制、施工难度低等特点，设计采用混凝土回填方案。

表1 方案优缺点分析表

4 大体积空心混凝土结构受力特点及施工

大体积空心混凝土是一种充分利用混凝土抗压性能强，在最大限度的节约混凝土用量的同时又能较好的解决大体积混凝土水化热问题的结构。如何实现混凝土结构的空心化，又不影响结构整体的稳定、安全和使用功能，是大体积空心混凝土的关键。结合朱砂堡二号隧道岩溶空腔特点，为解决大体积混凝土水化热问题，于回填体中设置竖向孔洞，理论上圆形结构更合理，但考虑施作便利性，孔洞最终采用矩形结构。孔洞布置参数为：矩形孔洞1.8 m×2.2 m，纵横向间距5 m。另外这种竖向孔洞结构在大体积混凝土回填过程中其竖向精度较难保证，经过计算对比分析，竖向间隔设置1～2 m的整体回填层作为类似群桩的横联，既增强结构的整体稳定性，又有效避免由于施工误差而导致结构局部受拉破坏。

对大体积空心混凝土结构进行建模受力分析，结构周边的岩体约束视为固端约束，考虑混凝土本体的结构自重、围岩荷载、隧道结构自重、列车荷载以及温度应力，经计算分析，横联按照纵向间距10 m，高度为2 m设置较为合理。

以朱砂堡二号隧道D2K 473+550断面计算结果为例，未设置横联前最大水平位移为0.54 mm，最大竖向位移为6.22 mm；回填混凝土最大压应力出现在溶洞底部，为3.07 MPa(C20混凝土抗压强度设计值9.6 MPa)，最大主应力为拉应力，除孔洞顶部应力集中点外总体最小主应力水平较低，为0.82 MPa(C20混凝土抗拉强度设计值1.1 MPa)。设置横联后最大水平位移为0.42 mm，最大竖向位移为5.68 mm，位移有明显改善。回填混凝土最大压应力出现在溶洞底部，为2.85 MPa，最大拉应力为0.39 MPa。回填区混凝土应力状态有所改善。最小主应力拉应力计算云图，如图4、图5所示。

图4 未设横联回填砼及孔洞拉应力图(cm)

图5 设横联后回填砼及孔洞拉应力图

混凝土结构的最小几何尺寸不小于1 m即称之为大体积混凝土，其施工的难点是如何控制混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩导致混凝土产生有害裂缝，因而如何控制混凝土在浇筑过程中的升温峰值、里表温差及降温速率是大体积混凝土施工技术的关键。朱砂堡二号隧道施工浇筑，底部混凝土采用泵送，上部采用溜槽施工，采用整体分层、每层采用推移式连续浇筑，分层浇筑厚度为1 m，人工振动棒振捣，同时间隔设置了竖向孔洞利于混凝土散热，有效保证了大体积混凝土的施工质量。经过现场实测，混凝土芯部温度最大值为44.8 ℃，表面温度最大值为31.2 ℃，里表温差为13.6 ℃，满足大体积混凝土的温差要求(20°)；升温峰值为44.8 ℃，满足大体积混凝土升温峰值不大于50 ℃，另外隧道岩溶大厅的回填处在一个相对恒温的环境里，其降温速率很容易满足2 ℃/d的要求。

5 排水方案

朱砂堡二号隧道开挖揭示的是巨型岩溶空腔和巨型管道暗河水，其地下水处理不仅要将233×104m3/d的暗河水引排，还要将洞身范围内溶腔渗水(地表降雨渗水、局部小型管道岩溶水)稳妥引排。根据近年来岩溶水处理的经验教训来看，隧道施工揭穿大型岩溶管道后，原有的有压排水变为开敞式排水，若仅仅维持原有自然排泄通道的顺畅，则极有可能因极端降雨的瞬时水量增加，导致水头上升淹没道床或高水压对隧道结构造成破坏。

故对本隧道溶腔的排水处理时，首先采用泄水洞将暗河入口和暗河下游连接起来，确保暗河通道畅通无阻；其次岩溶空腔在采取大体积空心混凝土回填过程中分层预埋了联通隧道左右两侧的钢筋混凝土管道；再次利用施工导洞作为永久的岩溶水排水通道，并引入泄水洞或者洞外(详见图1)，以确保朱砂堡二号隧道岩溶水排泄体系的畅通、完善。

6 结束语

朱砂堡二号隧道已开通运营近1年，经回访调查，目前结构稳定、隧址区域排水通畅。文中结合朱砂堡二号隧道特大型岩溶空腔及暗河的处理措施及结构分析，归纳了一套相对完善的巨型岩溶空腔处理方案，对类似工程的处理具有良好的借鉴意义。

(1)巨型岩溶空腔底部作业期间的防护措施，宜采用柔性被动网和刚性防护罩的组合防护方式。

(2)空心混凝土回填方案在处理隧道底部巨型岩溶空腔，具有安全、经济、施工便捷等优点，尤其是针对高速铁路无砟道床等对沉降较为敏感的区域，可确保结构安全。

(3)在大体积混凝土中竖向设置孔洞并间隔设置横向联系层，能充分发挥混凝土抗压性能强的优势，最大限度的节约混凝土用量，同时又能较好解决大体积混凝土水化热问题。

(4)采用整体分层、每层推移式连续浇筑的施工方法，能较好的解决大体积混凝土因水化热导致有害裂缝的问题。

(5)对于隧道揭示的岩溶管道或暗河水量较大，可能对隧道结构及运营安全有影响时，除保持原有自然排泄通道的顺畅外，还要尽可能采用增设泄水洞、利用辅助坑道等加大其下游宣泄能力的方式引排岩溶水，以确保排水方案的安全、合理、有效。

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Treatment Technology of Super Large Larst Cavity in Zhushabao No. Two Tunnel

LIN Bentao GONG Jiangfeng

(China Railway Eryuan Engineering Group Co..Ltd.，Chengdu 610031， China)

Ballastless track of 350km/h high speed railway tunnel has strict requirement on the post-construction settlement of the foundation. When the tunnel is through karst cave, karst filling giant cavity and underground river , control of fundamental settlement will become a key factor. Considering the Zhushabao No.2 tunnel super giant karst cavity and underground river, this article analyzes the schemes such as foundation girder span, spoil backfill and the large volume hollow concrete backfill. The conclusion is that the large volume hollow concrete backfill is convenient, safe, economical, easy to control and build and so on. It discusses on the huge karst cavity wall engineering treatment measures, large volume concrete construction method, karst underground river water solutions, provides engineering design and construction with a good reference. In addition, It creatively puts forward setting the holes in vertical arrangementand structure of the transverse contact layers in the mass concrete, which is a kind of full use of concrete compressive strength, and the maximum limit of the amount of concrete, can be used to solve the problem of hydration heat of mass concrete structure.

railway tunnel； Karst cavity； underground river； mass concrete

2016-03-15

林本涛(1975-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)03—0091—06

U452.1+1

A