西南山区高速铁路隧道岩溶治理技术研究

2021-06-05王唤龙

工程建设与设计 2021年8期

王唤龙

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031）

1 引言

岩溶是指地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏的长期溶蚀作用而形成的各种地表及地下侵蚀现象的总称[1]。我国石灰岩地层分布广泛，岩溶地质现象非常普遍，特别是在我国西南地区的重庆、贵州、云南、广西等地。随着我国生产建设的发展，在岩溶地区的建筑工程逐渐增多，特别是在岩溶地区修建铁路时，若没有对岩溶进行详细研究并采取适当的工程措施，在施工和运营过程中会发生许多事故，甚至严重威胁铁路行车安全，如南昆、湘黔、宜万、武广、黔桂等铁路[2～8]，地下水发育，岩溶现象随处可见，通过对这些铁路岩溶隧道的设计与施工，为我国的岩溶隧道方面积累了一定的经验。但是，各个地区的岩溶发育情况和发育史的特点不同，因而处理技术也不能一以贯之，需根据岩溶的不同发育特点来采取不同的处理方法。本文以我国西南山区某高速铁路岩溶隧道作为典型工点，分析了隧道岩溶的危害及一般处理原则，探讨了该隧道的岩溶处理方法，为类似隧道的岩溶病害处置提供一定的借鉴。

2 工程概况

岩溶地段主要位于隧道的DK657+953～DK657+910段，长43 m，该隧道主要穿越该地段的泥盆系中统曲靖组（D2q）石灰岩，呈弱风化状态，且含水丰富，岩溶强烈发育。在隧道开挖过程中，开挖揭示了DK657+953段线路右侧拱腰部分具有充填性溶洞，该段主要为灰岩、白云岩，呈中～厚层状，岩体溶蚀裂隙发育，裂隙中充填红黏土；在DK657+940段线路右侧拱腰部位具有溶洞，且溶洞从线路右侧向隧道中线处扩大，并且向隧道顶部延伸，深度不明，溶腔内具有红黏土充填，同时充填物内含有巨块孤石（2～3 m3/块），红黏土呈软塑状，且清理充填物后仍具有坍塌发生；在DK657+933段线路右侧发现半充填型溶腔，充填物为软塑状红黏土，溶洞空腔纵向发育长度约为4 m，开挖轮廓线外横向发育长度约为6 m，该溶腔围岩较破碎，岩体以强风化为主；同时，在DK657+953～DK657+910段发现该段隧道基底发育充填型岩溶溶洞，长度约为18 m，溶洞内的充填物主要为红黏土，且隧道低仰拱至溶洞底部最深处的充填物厚度约为23.7 m，岩石为灰岩，裂隙较为发育，现场未发现明显的地下水渗出，地下水主要以垂直运动方向为主。隧道穿越该段的岩土体的物理力学性质指标如表所示。

3 岩溶隧道处理原则与方法

高速铁路隧道结构对稳定性及沉降控制标准要求极高，当隧道通过岩溶地区时，岩溶洞穴使隧道工程全部或局部悬空，从而降低隧道使用的可靠度；地下水将会对隧道结构混凝土带来极大的侵蚀作用，从而缩减隧道的使用寿命；岩溶洞穴中的堆积物，通常其堆积物在工程活动作用下易于坍塌下沉，从而改变洞穴周边的应力状态，影响隧道的稳定性；隧道中地下水携带物质流失，特别是对隧道顶部物质的流失而使其产生地面岩溶塌陷，导致环境地质被破坏，从而造成隧道不稳定。因此，高速铁路岩溶隧道相对一般铁路隧道处理岩溶的标准更高、要求更严，其处理原则及一般方法简述如下。

表1 隧道DK657+953～DK657+910段岩土体物理力学性质指标

3.1 岩溶隧道的处理原则

首先，采用地形地貌、地质调查及地质测绘等手段来对岩溶地段进行定性预测，再结合地质钻孔、超前预报、隧道岩溶预报等方法，查明岩溶洞穴的分布范围、类型、发育程度、填充物质类型、相对隧道位置及距离、地下水等情况，为正确制定岩溶处理方案提供资料。然后，岩溶遵循以疏为主、堵排结合、经济合理、综合治理、不留后患的原则进行处理，在施工过程中尽量不改变岩溶水的径流和渗流路径，减少地下水的流失，保证施工过程的环境安全，坚持“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、紧衬砌、勤量测”的原则采取多种方案综合治理而通过岩溶地区。

3.2 岩溶隧道的一般处理方法

隧道工程在施工过程中的岩溶影响主要表现在岩溶洞穴、地下水作用、洞穴堆积物及塌陷、洞顶地表塌陷4个方面，当隧道穿越岩溶地段时，应根据隧道与岩溶洞穴的相对位置灵活处理，主要考虑岩溶洞穴的大小、规模、围岩稳定性、地下水水量、堆积物物理性质状态等情况。一般情况下，对岩溶隧道主要采取跨越、加固洞穴、清除堆积物并回填夯实、对软弱堆积物注浆加固、引排地下水并疏排地表水等综

合治理方案，其主要考虑以下4种情况：

1）当岩溶洞穴较大且较深时，可采用梁、拱跨越岩溶地带，跨越的梁端或拱座必须位于稳固可靠的岩层之上，必要时需要灌注混凝土进行加固；若隧道穿越特大型岩溶洞穴时，可采用明洞结构形式穿越岩溶地带；若地质情况复杂，隧道衬砌可采用拉杆拱、边墙梁等结构形式，同时可采用锚索对溶洞与隧道连接处进行加固。

2）对于未发现地下水痕迹的溶洞，即已停止发育的干涸溶洞，隧道施工过程中可采用浆砌片石或干砌片石来封堵填充岩溶洞穴。

3）对于穿越松软、强度低、稳定性差的洞穴堆积物的岩溶隧道时，若不能满足隧道结构自重、拱顶荷载及行车荷载作用，可用混凝土或浆砌片石换填洞穴充填堆积物来提高其地基承载力；若为了防止洞穴岩壁或洞顶坍塌，在清除松动岩石的基础上，可采用锚杆、注浆加固等措施对围岩进行加固。

4）对岩溶地带的地下水的治理，由于岩溶经过漫长的地质年代逐步形成了规模巨大的岩溶管道网络构造，管道中岩溶水的流量大、速度快，通常采用堵截的方法难以达到良好的治理效果，因此，在岩溶隧道的实际施工过程中，应尽量维护岩溶暗河的通路，不宜随意封堵，为防止岩溶水的突水、涌泥状况，应采取超前地质预报和超前孔相结合的方式，确保施工安全，因此，对于岩溶水的治理，应采用合理的疏、排、防、截等综合治理措施。

4 隧道岩溶危害治理措施

4.1 隧道拱部及边墙溶洞处理措施

在隧道DK657+953～DK657+940段采用I18钢架，钢架间距在1.0 m，拱部的岩溶范围须对钢架的纵向连接钢筋进行加密处理，其纵向连接筋的环向间距为40 cm，并以C25混凝如进行护拱，厚度为1.0 m，边墙背后采用干砌片石回填；DK657+940～DK657+910段采用全环I20b钢架，钢架间距为0.6 m，拱部采用φ108 mm大管棚，管棚长25 m，环向间距为0.4 m，每环39根，若溶洞范围内的钢架基础位于土层时则须采用φ75 mm钢花管注浆加固基础，每榀2根，长度6.0 m，拱部及边墙以C25混凝土护拱，厚2.0 m，并且护拱后进行背后吹砂，吹砂层不小于1.5 m，同时边墙背后采用干砌片石回填。

工后监控量测数据及二衬质量检测结果显示隧道二衬结构符合相关规范及检测标准，处理措施是合理可行的。

4.2 隧道基底溶洞处理措施

对于隧道基底溶洞，位于基底以下2.0 m范围内的部分采用C25混凝土换填；在基底以下2.0 m范围外的部分采用φ60 cm的旋喷桩加固基底，旋喷桩的间距为1.0 m×1.0 m，采用交错布置，加固深度达到隧道底部以下15.0 m或基岩中0.5 m，其注浆材料采用P·O42.5普通硅酸盐水泥浆，水泥浆水比为0.8～1.5，外加2%～3%的CaCl2做速凝剂，以确保加固后的复合地应力大于300 kPa。

在整个隧道岩溶地段，应在护拱吹砂层背后每隔10 m预埋1根φ100 mm PVC管，顶部采用无纺布包裹，并高于吹砂层不小于10 cm，并引排至隧道侧沟，并在DK657+953～DK657+910段（见图1）增加环向盲沟，并加密横向排水管至3 m/环。

工后长期监测数据显示基底沉降量仅4 mm，满足高速铁路沉降控制标准，表明采用旋喷桩加固措施是可以满足相关规范要求的。