高速铁路隧道岩溶灾害及防治关键技术研究

2018-10-20张广泽崔建宏

铁道标准设计 2018年11期

张广泽,冯君,崔建宏

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

高速铁路列车运行速度快、密度大，运营安全至关重要。线路高平顺性是高速铁路勘察设计、施工及运营管理的控制条件，也是有别于普速铁路的最主要特点。高平顺性要求高速铁路线路曲线尽可能平滑，即线路平、纵断面的变化尽可能平缓，由此决定了高速铁路线路曲线半径大，绕避不良地质相对困难。我国岩溶总面积达346.3万km2，占国土面积的1/3以上，主要分布于西南的贵州、云南、广西、四川、重庆及中南的湖南、湖北、广东等地。由于岩溶发育的不均一性、分布的隐蔽性和随机性以及地下水动态变化等特点，决定了通过复杂岩溶区的高速铁路，场地稳定性和工程适应性差，潜在风险大，加上工程勘察难以查清，施工运营容易出现各种工程环境问题，诱发各种灾害。岩溶对隧道工程的影响尤为突出，处理难度大。高速铁路隧道岩溶工程地质问题主要有岩溶涌水、突泥，巨型溶洞、溶腔，洞穴堆积物，水环境破坏等。近年来，中国铁路尤其是高速铁路有了非常大的发展，其中东部发达地区高速铁路具备了一个相对完善的路网体系，而西部山区高速铁路发展还较为滞后，但伴随西部铁路尤其是高速铁路的快速发展，不可避免地要处理复杂岩溶区地质灾害。

铁路隧道工程中主要有3种典型的岩溶灾害：涌水突泥、强岩溶化洞段围岩失稳及隧底大(巨)型溶洞。王唤龙[1]以云桂铁路东风隧道为例，提出了针对基底岩溶可采用桩+筏板基础的防治措施。余庆锋等[2]以油坊坪隧道岩溶突水为研究背景，对其突水机理展开了理论及数值计算研究，并提出了隧道不同开挖阶段的防治措施。张雨露等[3]以黔桂铁路拉岜隧道为研究对象，分析了该隧道的4处溶洞发育特征，并根据岩溶形态及充填物性质的不同提出了不同的防治措施。张旭东等[4]以宜万铁路马鹿箐隧道为研究对象，分析了深部岩溶隧道溃水灾害特征及形成机理，提出“岩溶溃水”的概念，并提出相应的防治措施。吴跃华等[5]通过对隧道岩溶地质问题的阐述，提出了全环设置过水断面的衬砌防治结构形式。曹化平等[6]通过对铁路岩溶隧道岩溶水的补给、径流、排泄条件等的综合分析，提出了铁路隧道岩溶的防治措施，并建议了铁路岩溶隧道工程地质选线的原则。林国涛等[7]通过总结岩溶与隧道的位置关系，并基于力学分析的方法揭示了岩溶隧道的突泥机制和主要影响因素。本文针对高速铁路隧道岩溶的3种典型灾害：岩溶涌水突泥、强岩溶化洞段围岩失稳及隧底大(巨)型溶洞，分别分析其致灾机理，并结合沪昆、南昆、贵广、重庆枢纽等高速铁路隧道工程的典型实例，对其防治技术进行总结和分析。

1 岩溶涌水突泥

1.1 致灾机理

岩溶涌水突泥主要与地质构造及施工开挖过程有关。通常，隧道岩溶突水可分为地质因素诱发突水和非地质因素诱发突水两类[8-20]，由于隧道围岩中普遍存在着节理、构造裂隙、裂缝等地质特征，因此地质因素诱发突水占绝大部分。通常表现为地质体失稳形成突水通道。侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不断扩大形成溶蚀裂隙，宽大的溶蚀裂隙继续发展成岩溶管道，岩溶管道继续溶蚀逐渐形成大的溶洞，出现涌水，并具有出水量大、分布不均、流动迅速和集中排泄的特点。

隧道开挖过程中，集中水源中水压力和开挖面至充水溶腔的距离会影响开挖面附近的水力梯度，这种水力梯度直接影响着涌水突泥的发生。隧道开挖前，岩体处于自然平衡状态，隧道开挖扰动了岩体，形成临空面，并在隧道周边形成松动圈，导致原有的裂隙扩张和新裂隙的产生，改变了围岩的应力状态和地下水的流动状态，加速了水循环。水循环的加速使得地质体加速溶蚀，原有的裂隙、溶隙逐渐变大，形成溶管、溶腔，为突水涌泥的发生提供了通道。

1.2 防治技术

1.2.1 综合超前地质预报

(1)防治思路

高速铁路岩溶隧道，应根据岩溶及岩溶水发育程度，以钻探法为主，综合地质调查法、TSP法、地质雷达、瞬变电磁等方法，对掌子面前方岩溶发育情况、充填情况及充填物性质，围岩完整程度，地下水进行预报。各种方法相互验证，并对各种预报成果进行地质综合分析，提高预报的准确率。实施过程中，根据预报情况及地质条件动态调整预报方法。

(2)工程实例

沪昆高铁大独山隧道位于斜坡过渡带岩溶区，为双线单洞隧道，全长11 882 m，最大埋深约380 m。本次预报里程段属构造剥蚀、溶蚀中低山地貌。隧道主要穿越三叠系下统永宁镇组一段(T1yn1)灰岩、泥灰岩。受区域构造影响，该段断层发育，次级断层及褶曲较发育，岩体均较破碎，岩溶强烈发育，地下水发育。

采取TSP法和地质雷达法综合预报，得出结论：D1K855+967～+986段右边墙及外侧位置存在溶洞、岩溶管道，富水。现场掌子面施工至D1K855+986处时，线路右侧边墙距墙角0.8 m处发生突水，如图1所示。水量较大，水质浑浊，有一定压力，现场实测涌水量约14.6×104m3/d，与超前预报结论吻合，验证了综合超前地质预报方法的可靠性。

1.2.2 注浆堵水

(1)防治思路

高速铁路深埋岩溶隧道高水压富水区的综合防控，一般是先泄水，在环境或环保有特殊要求时采用注浆堵水、限量排放措施。地下水应以堵为主，限量排放。同时，为避免隧道施工失水而影响地表水环境，可综合超前帷幕注浆技术，将地下水排放量控制在平均≤1 m3/m·d范围内。

图1 大独山隧道D1K855+986处涌水

(2)工程实例

重庆枢纽歌乐山隧道，隧道近垂直穿越歌乐山山脉，地貌、地层特征受观音峡区域性背斜控制，该背斜轴线近南北，与山脉走向基本一致。背斜两翼为泥岩夹砂岩及煤系地层(隧道穿越1 600 m)，核部为三叠系灰岩、白云岩、泥灰岩及泥岩等可溶岩地层(隧道穿越2 450 m)。隧道最大埋深为280 m。区段地表溶蚀洼地、漏斗、落水洞、溶洞、溶沟、溶槽等现象强烈发育。地下水以岩溶水为主，且水位较高，最高水头220 m，预测最大涌水量为5.3×104m3/d。

经过综合分析，认为该隧道属于深埋岩溶隧道，并且处于高水压富水区，采取综合注浆堵水的防治措施，注浆孔布置见图2。采取措施后，通过对地表主要水源(如井、泉、暗河、水库等)的实时监测资料分析，洞内涌水量达到了设计制定的隧道建成后地下水排放量平均≤1 m3/m·d的目标，保护了地表水环境，验证了本方法的合理性。

图2 歌乐山隧道注浆堵水注浆孔布置(单位：mm)

2 强岩溶化洞段围岩失稳

2.1 致灾机理

当隧道穿越可溶岩，岩石的强烈岩溶化，导致岩体中出现影响乃至控制岩体稳定的溶蚀结构，即溶洞。溶洞的存在会使隧道围岩发生弯曲变形，一般高陡岩墙根部应力场受溶洞和溶蚀裂隙控制明显，坡脚溶洞对岩墙根部局部应力场影响更大，溶洞周边出现应力释放，局部应力场变大。尤其是对于隐伏型溶洞，由于勘察设计阶段探测其精确位置及范围难度较大，往往会在设计阶段被忽略，施工开挖时，其应力释放的大小和范围难以估算，对隧道围岩的稳定性影响非常大。当溶洞与隧道间岩层厚度达到临界安全厚度时，围岩就会发生失稳，进而发生崩塌、垮塌等灾害。

2.2 防治技术

(1)防治思路

对隧道开挖中遇到的小型干溶洞、溶隙，可采用砂浆、混凝土回填封闭。对大型充填溶洞、干溶洞，可采取圬工回填、钢管群桩、微型桩、旋喷桩进行地基加固，确保隧道底板地基稳定。

(2)工程实例

南昆高铁幸福隧道，地处高原岩溶区，属高原低中山地貌。隧道通过二叠系上统吴家坪组(P2w)灰岩夹炭质页岩，局部夹煤线。地表岩溶强烈发育，以溶蚀洼地、落水洞、溶穴(隙)、溶槽为主，地下岩溶以层间溶隙为主。隧道多处于岩溶垂直渗流带，部分处于水平流动带。

图3 幸福隧道DK537+653掌子面溶洞充填物

图4 幸福隧道DK537+680掌子面溶洞充填物

隧道DK537+640～+755段施工揭示为充填型溶洞，掌子面溶洞充填物为黏土及角砾碎石土(图3、图4)，厚0～20 m。其中黏土呈软塑～硬塑状，夹20%～30%碎石角砾，局部含量达50%，局部夹块石。溶洞充填物软硬不均，物质成分不均，可能引起基底不均匀沉降，对工程影响大。经过经济技术比选，该段隧底采用微型桩支承道床板与钢花管注浆改良地层方案，动荷载由道床支撑结构承担，静荷载由钢花管注浆改良地层承担。如图5、图6所示。

图5 幸福隧道DK537+640～DK537+755段充填溶洞示意(单位：mm)

图6 幸福隧道DK537+640～DK537+755段充填溶洞微型桩加固示意(单位：cm)

3 隧底大(巨)型溶洞

3.1 致灾机理

区别于小型溶腔，隧道底部大(巨)型溶洞造成的灾害更大。大(巨)型溶洞的形成，往往受岩溶层组类型、构造、地下暗河等控制。隧道工程中，底部大(巨)型溶洞明显地沿褶皱轴向、纵向张裂隙、横向张裂隙、层间裂隙延伸发育或者发育于两组强势裂隙的交汇处。同时，大(巨)型溶洞的形成也与大型暗河系统有关，多发育于大型暗河与支暗河交汇区，排泄基面强烈下切的河流交汇处等水流交替活动强烈地带。

3.2 防治技术

(1)防治思路

对大(巨)型充填、干溶洞，地基加固处理措施困难，或难于满足沉降要求时，可采用空心柱混凝土回填、桥梁跨越、桩基框架结构或桩筏结构等措施。

(2)工程实例

成贵高铁玉京山隧道地处斜坡过渡带岩溶区，D3K279+515～D3K280+310段穿越二叠系下统栖霞茅口组(P1q+m)灰岩，岩溶强烈发育。2016年7月23日，横洞工区正洞大里程端D3K279+948开挖揭示一巨型溶洞，隧道靠近该岩溶大厅顶部通过。岩溶大厅底部纵向长约93 m，横向宽约230 m，溶洞呈“蜂巢”状，高50～90 m，底部呈15°缓坡接35°陡斜坡向下发育，如图7、图8所示。岩溶大厅底部为溶洞垮塌及充填物，表层为软塑状黏土及大型孤石，直径1～15 m，下部为中密～密实状碎块石土，局部夹软黏土透镜体，总厚度30～97 m。在线路左侧岩溶大厅斜坡底部发育暗河，与线路在D3K280+020处呈约70°斜交，由线路右侧向左侧排泄，暗河水面距隧道轨面高差约120 m。暗河沿岩层走向发育，形态呈S形，存在分支及多处高位干溶洞，岩溶大厅内暗河流量5～21 m3/s，暗河出口总流量50～70 m3/s。巨型岩溶洞穴及暗河与隧道位置关系见图9。

图7 岩溶大厅中上部

图8 岩溶大厅下部

根据实际工程地质情况，对该巨型溶洞采用暗河改道(泄水洞)、溶洞大厅回填、溶洞大厅顶板及洞壁防护、桥梁跨越的总体方案。

①泄水洞(暗河改道)

于距暗河水流方向右侧，距暗河洞壁不小于30 m设迂回泄水洞，将溶洞大厅范围暗河段进行改道。泄水洞全长450 m，坑底综合坡度为1.41%。暗河水面距隧道轨面高差约120 m，为施工泄水洞，于隧道横洞内增设2号通道，全长1325 m。泄水洞施工完成后，对暗河上游溶洞大厅入水口首先进行封堵，将暗河上游水截排至泄水洞内，引至暗河下游排出。

②溶洞大厅回填

在将溶洞大厅线路左侧坡脚暗河改道完成后，进行溶洞大厅分层回填。考虑1008 m高程以下范围主要位于溶洞大厅暗河段，目前可见溶洞底部990 m高程近期曾出现有暗河水上涨浸漫痕迹，且大厅内发育有裂隙水、岩溶管道水，为保证溶洞大厅底部排水通畅，1008 m高程以下范围采用块石回填，块径不小于30 cm。

③溶洞大厅顶板及洞壁防护

考虑溶洞大厅洞壁整体稳定，局部存在不稳定楔形掉块，掉块最大径向深度为15 m，对未回填范围洞壁永久防护采用锚网喷+锚索措施，以达到加强洞壁整体稳定性，防止产生松弛掉块。

④桥梁跨越

隧道通过岩溶大厅段采用(38+108+38) m短边跨预应力混凝土连续梁通过(图9)；隧道在结合桥梁施工、检修需要的基础上，采用直边墙衬砌的隧道结构。