高铁隧道穿越巨型空腔深大溶洞处治施工技术

2019-02-18顾伟

价值工程 2019年3期

顾伟

摘要：高铁隧道穿越巨型溶洞中存在着极大的施工风险，本文以云桂铁路营盘山隧道穿越巨型溶洞为依托，对绕行、溶洞回填、框架基础跨越及桥梁跨越四种穿越方案进行对比分析，得出溶洞回填在安全性、工期及造价方面较优的结论。然后依据隧道和溶洞不同断面分布的特点，综合采用了基底注浆加固、混凝土回填、土石回填、洞壁锚喷防护、二衬多层防护等措施，确保施工的安全和运营安全。经过数值计算分析，表明结构的安全性满足要求。该文的研究结论可为类似工程提供参考。

Abstract： Great risks exist in construction of high-speed railway tunnels through huge karst caves. This paper is based on the Yingpanshan tunnel of Yunnan-Guangxi railway， which crosses huge karst cave. Four schemes， bypass， backfill， frame foundation and bridge， are compared， the result of which shows that the backfill scheme has advantage in safety， time limit and cost. According to the characteristics of different sections of tunnels and karst cave， base grouting reinforcement， concrete backfilling， earth and rock backfilling， shotcrete-bolt and lining protection are utilized. Numerical analysis shows that the safety of the structure meets the requirements. The conclusion of this paper can provide reference for similar projects.

關键词：高铁隧道；巨型溶洞；注浆加固；基底回填；衬砌防护

Key words： speed railway tunnel；huge karst cave；grouting reinforcement；backfill；lining protection

中图分类号：[U25] 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）03-0104-05

0 引言

随着我国高铁建设的进一步向西南地区辐射，而相应的高铁隧道在线路总长中的占比也越来越高。我国的云贵地区存在着范围极广的碳酸盐分布，岩溶洞穴的处理是高铁穿越该区域面临的最为普遍的施工难题。

岩溶洞穴处理应根据隧道与洞穴的位置关系以及洞穴的大小，采取绕避、加固、封闭堵塞、跨越处理措施[1]。国内在处理相应隧道工程中也积累的相应的经验，如表1所示。

云桂铁路客运专线云南段营盘山隧道穿越一空腔溶洞，有溶洞规模较大、隧道从溶洞中上部穿越，施工安全和工后沉降难以控制的特点，施工难度极大。当前既有的技术无法满足隧道穿越该空腔溶洞的要求，必须从基底处置、洞壁排险及衬砌防护等方面进行技术的升级和优化，保证施工及后期运营的安全。

1 工程概况

营盘山隧道全长3481m，进口里程DK394+ 665。设计时速250km/h双线无碴轨道隧道。该隧道属构造剥蚀、溶蚀地貌。岩性为二叠系下统（P1）灰岩，岩溶强烈发育。

空腔溶洞分布于DK396+440～DK396+700段。从左向右发育。与线路中线平面交角约11°。溶洞长度260m，宽度10～38m不等，溶洞呈“梨”状，向上收窄变小，高约10-86m不等。溶洞顶最高处超过拱顶以上35m，轨面以下深度76m，与线路影响范围170m，溶洞大小约20万立方米。溶洞内部如图1所示。溶洞的范围如图2所示。

洞壁及洞顶坍塌块石土层呈棕黄色、潮湿、松散形态，最大块径长约20m。溶洞底补勘资料：块石之间空隙较大，局部充填黏土。DK396+535～ DK396+585段顶板距上层溶洞底板约7～22m块石土下方发育有不规则空溶洞。溶洞内水文地质特征：溶洞处于岩溶垂直渗流带，雨季最大积水深约50～100mm，溶洞内底板存在暗河等常年岩溶管道水。底部漏斗垂直岩溶管道下渗消失于DK396+635～+665一带。汇水面积0.01km2，最大流水量1300m3/d。雨季无明显积水。

综合分析，整体的溶洞对隧道结构的稳定性影响如下：

①DK396+540～+655段隧道从溶洞中部穿越。该处溶洞底部遍布块石土，并有隐伏空溶洞。影响隧道结构安全。

②侧壁遍布由层理、节理及溶蚀裂隙切割而形成危石。周边不稳定岩体厚度约5～10m。在地震、爆破震动等情况下，易出现洞壁岩块掉落或小型坍方，影响施工安全及运营安全。

③隧道顶至溶洞顶30余米。溶洞顶层理、节理及溶蚀裂隙切割明显，在外力或风化作用下，掉落巨石会对隧道顶造成巨大冲击。

因此，本技术主要解决如上所述的三个基本问题。

2 空腔溶洞的处置方案的确定

基于对于安全、工期及投资的方案比选采用：隧道基础范围溶洞回填处理方案。

对隧道下部空溶洞进行回填处理，为隧道结构提供基础，同时维护溶洞壁，避免溶洞壁今后继续溶蚀坍塌危及运营安全。如图3所示。

该方案有利隧道洞顶、洞壁防护措施的处理和施做。回填大体积砼施工要克服水化热等带来的质量控制问题，同时由于溶洞底分布较厚的块石土，且块石之间空隙较大，有可能发生不均匀沉降，需进行必要的处理。增加投资约为0.8亿元。

3 施工流程及原则

3.1 施工流程

施工流程如图4所示。

3.2 施工步骤

① 隧道正洞中施工横通道进入溶洞；

②搭设小防护棚架对溶洞底大块石进行爆破分解，震动清危及在洞壁定点定向爆破清危；

③从导洞进入溶洞后在局部进行锚网喷，开始填筑便道；

④平整540-600段场地并开始搭设540-600段防护棚架；

⑤开始对535-585段隐伏溶洞钻孔并灌注稀释砼，同时对600-655段用自卸车倾填土石；

⑥防护棚架从600位置随填土延伸至655段；

⑦开始对640-645段基底进行钢花管注浆，并对540-640段用袖阀管注浆；

⑧随注浆的完成从645及540分别开始以纵向10m为单位向中间施工第一层钢架混凝土，厚度1m；

⑨抬高防护棚架，施工第二层混凝土，厚度2m，按照2m分层依次施工；

⑩施工正洞明洞段拱部防护及砂袋填充；

{11}施工正洞至贯通；

{12}利用横通道进行剩余空腔土石方回填；

{13}對填土上方及隧道护拱上方12m范围内进行锚网喷及挂被动网永久防护。

3.3 处置原则

①隧道结构位于溶洞范围外，溶洞侧壁距离隧道开挖轮廓距离在10m以内时，对靠线路侧溶洞壁的局部倒悬地段采用混凝土支顶，并结合其形态及施工需要对局部地段采用土石或弃碴回填，对一定范围溶洞壁采用锚网喷防护。

②隧道结构位于溶洞范围内或隧道结构位于溶洞上方但溶洞顶板基岩厚度小于5m时，对隧道底部空溶洞采用C20混凝土回填。并在大体积混凝土中设置空心柱降低混凝土水化热的措施。

③对基底以下有隐伏空溶洞时，采用回填砂砾石、砼及砂浆。

④当回填混凝土基底为土层时，对土层采取注浆处理措施。

⑤隧道边墙及拱部露空时，必须设置护墙、护拱等保护层及缓冲层等防护措施，其防护厚度不小于3m。

⑥对隧底混凝土回填后剩余的溶洞空腔，采用土石或弃碴对回填混凝土与远离线路侧的溶洞壁之间空腔进行回填，回填高度按隧底以下5m进行控制，并利用土石回填面对溶洞壁进行加固防护。

4 溶洞分段处置措施及内容

4.1 DK396+440～DK396+480（40m）

该段溶洞分布于线路左侧，溶洞壁距隧道开挖轮廓线从27m渐变到13m左右，其低于隧道轨面以下约16m。基于处置原则，该部分不做处理。

4.2 DK396+480～DK396+540（60m）

对该段隧道侧溶洞壁倒悬部位设置C20砼进行支顶，溶洞处理完成后，利用土石或隧道弃碴对剩余溶洞空腔进行分层回填，在土石最后回填完成后，利用顶面平台，对溶洞壁进行锚网喷防护，其防护高度为回填顶面以上10m，锚网喷参数为喷C20砼15cm，钢筋网采用Φ6钢筋网，网格间距25cm×25cm，锚杆采用Φ22砂浆锚杆（设垫板），每根长4m，间距1.2m×1.2m。典型处理断面如图5所示。

4.3 DK396+540～DK396+655（115m）

K396+540～+655段隧道位于溶洞中部及以上位置，且空溶洞底部分布块石土、其下部分段落还分布有隐伏空溶洞等，对隧道结构影响大，是处置的主要区域。根据不同的段落及具体处理内容，分别处置如下：

4.3.1 DK396+540～DK396+585段下层隐伏空溶洞处理

①对下层空溶洞处理采用钻孔泵送砾石、细石混凝土等进行回填；

②钻孔采用直径Φ300mm钻孔，钻孔时按“灌探结合”原则，两侧孔布置间距为4m×4m，中间孔布置间距为8m×8m；

③回填时按先两侧后中间的顺序回填；

④回填完成后，应设置不少于5个检查孔进行检查，对空洞较大地段应补孔回填。

4.3.2 空溶洞底部块石土层的处理

①对块石土进行注浆加固处理，通过注浆充填块石土之间的空隙，提高块石土层的整体性；

②DK396+540～+640段100m，注浆方式为袖阀管注浆，注浆钻孔采用直径Φ76mm，注浆管采用Φ51袖阀注浆管；

③DK396+540～+545段5m，注浆方式为钢管桩注浆，注浆钻孔采用直径Φ91mm钻孔，设置Φ76注浆钢花管。

④注浆前，需先对溶洞底部的大块石、孤石等进行破解、清除溶洞底部的淤泥、软土等沉积物，并对块石土层进行整平，局部进行硬化，以形成注浆平台。

⑤注浆材料采用C20水泥砂浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，水灰比为0.6：1～1：1。

⑥当钻孔揭示有较大空腔、裂隙时，可先采用充填砂、碎石等进行充填后再进行注浆。

⑦为确保注浆效果，注浆完成后需设置检查孔对注浆效果进行检验，检查孔布置按注浆孔的3%进行布置。

4.3.3 隧道底部空溶洞回填处理

①DK396+540～+655段115m，对隧底以下空溶洞采用C20混凝土进行回填。

②混凝土回填应分层、分段实施，回填共分四层进行回填，第一层混凝土厚度为4.5m～12m；施工时从小里程往大里程方向进行回填，纵向分段长度为10～15m，并于回填层内设置型钢骨架及钢筋网片，型钢骨架采用I18型钢，纵向间距0.5m，钢筋网片采用Φ22钢筋网，网格间距20cm×20cm，其中DK396+540～+640段，设置单层型钢骨架及钢筋网片，DK396+640～+655段设置双层型钢骨架及钢筋网片；

③第二层混凝土厚7.48m～8.71m，底部最宽约32m，平均宽度约25m，设置1：0.3的外侧坡率；

④第三层混凝土厚8m，底部最宽约27m，平均宽度约21m，设置1：0.3的外侧坡率；

⑤第四层混凝土厚8m，底部最宽约21m，平均宽度约18m，设置1：0.3的外侧坡率，其顶部宽度按衬砌结构外5m保护层基础宽度及2m施工平台寬度进行控制；

⑥为减少大体积混凝土浇筑过程中的水化热，在第二、三、四层混凝土浇筑时分层预留2.2m×1.8m的空心柱；

⑦各层混凝土在纵向分段浇筑时，各段之间需设置变形缝，变形缝宽3cm，其间充填木板或沥青麻丝；

⑧溶洞处理完成后，利用迂回施工通道中的施工支洞采用土石或隧道弃碴对剩余溶洞空腔进行分层回填；

⑨远离线路侧溶洞壁进行锚网喷防护，其防护高度为回填顶面以上10m，锚网喷参数为喷C20砼15cm，钢筋网采用Φ6钢筋网，网格间距25cm×25cm，锚杆采用Φ22砂浆锚杆（设垫板），每根长4m，间距1.2m×1.2m。

4.3.4 隧道边墙及拱顶空溶洞处理

①DK396+540～+545段，衬砌外溶洞壁厚度小于2m，在隧道开挖前，先利用混凝土回填顶面对隧底以上10～14m范围的靠线路侧溶洞壁进行锚网喷防护，并于衬砌外设置不小于3m的混凝土保护层，二衬施做完成后，在保护层外侧回填1m厚的沙袋缓冲层。

②DK396+545～+590段，衬砌基础左侧露空，右侧位于基岩，在隧道开挖前，先利用混凝土回填顶面对拱顶以上4m范围溶洞壁进行锚网喷防护，并于露空边墙外侧及拱顶设置1.5m厚护拱，护拱采用C25砼浇筑，内侧0.5m设置钢筋，护拱基础与隧底回填混凝土采用接茬钢筋连接，拱部与溶洞壁采用锚杆连接；正洞开挖及初支完成后，对护拱进行检查，在护拱外侧回填混凝土形成保护层，保护层采用C25砼浇筑，基础宽度3.5m，高15m，边墙外侧坡率1：0.3，拱部坡率1：5，确保衬砌外最小保护厚度不小于3m；二衬施做完成后，在保护层顶部及边墙外侧回填沙袋缓冲层，并利用保护层平台对保护层以上10m范围内靠线路侧溶洞壁进行锚网喷防护；最后在保护层顶部设置一道被动防护网进行加强防护。

③DK396+590～+600段，该段溶洞基础左侧露空，右侧位于基岩，拱顶以上空溶洞高度小于4m，在隧道开挖前先利用混凝土回填顶面对隧道开挖范围外的溶洞壁进行锚网喷防护；正洞开挖后，完善拱墙初支钢架，对溶洞开挖范围内的溶洞壁采用锚网喷初期支护；对衬砌外侧的空溶洞采用C25砼进行回填；边墙外侧回填混凝土基础宽度5m，设置1：0.3坡率，拱顶以上空溶洞采用混凝土回填密实。

该区段的处理典型断面如图6所示。

4.4 DK396+655～+700（45m）

该段隧道位于溶洞上方，隧底空溶洞顶板厚度超过5m，该段空溶采用土石或隧道弃碴回填，其中溶洞顶部3m范围采用土石回填较困难区域采用先纵向埋管，后退灌注混凝土方式进行回填，回填材料采用C20砼，其余地段采用土石回填。该段中土石回填与相邻段混凝土回填同时进行。

为提高该段中溶洞壁的稳定性，对该段溶洞拱部10m范围的溶洞壁采用锚网喷进行加固，锚网喷参数为喷C20砼15cm，钢筋网采用Φ6钢筋网，网格间距25cm×25cm，锚杆采用Φ22砂浆锚杆（设垫板），每根长4m，间距1.2m×1.2m。

该段的典型断面处置如图7所示。

5 处置过程安全检算分析

5.1 计算模型

用ANSYS大型有限元计算软件，用Plane42模拟围岩、注浆加固区、混凝土回填及衬砌结构。根据隧道设计图的断面情况分析，混凝土回填量最大的断面位于DK396+570，轨面距离溶洞底部为33.52m。计算模型如图8所示。计算参数如表2所示。

5.2 列车荷载的选取

高铁设计规范中对于列车的竖向荷载按照如图9所示的ZK标准活载和图10所示的ZK特种活载进行选取。根据最不利原则，考虑两列列车同时作用在该断面，竖向力分别为250kN。

5.3 计算结果分析

计算后的竖向应力计竖向位移如图11和图12所示。