高速铁路隧道穿越半填充大型溶洞技术措施研究

王继刚

（济青高速铁路有限公司，山东 济南 250014）

1 工程概况

太焦铁路珏山隧道区位于晋城市泽州县金村镇，地貌形态总体属中山区。进口处地面标高约为717.927m，出口处海拔约554.417m。中间地段主要以中山为主，地形切割较浅，其中沟谷发育，海拔一般在511.93～850.0m，隧道在此位于深切沟谷的小里程，埋深152m。隧道区域内地表水、地下水均不发育，勘察、施工期间未见地表水和地下水。溶洞充填物为黏土（含碎石、块石），可塑，掌子面无渗水现象。珏山隧道DK313+350～DK313+375段洞身穿越地层为奥陶系中下统交界面，岩性为石灰岩，此段施工过程中遇一大型半填充干溶洞，溶腔纵向长度约25m，横向最大宽度约20m，溶洞顶板最高点在拱顶以上约6～8m，溶洞底板最低点在隧底开挖轮廓以下22m，顶板以下9m左右为空溶洞，9m以下溶洞充填物为黏土（含碎石、块石），可塑，黏土（含碎石）承载力基本值100kPa。黏土（含块石）承载力基本值300kPa。

2 需解决的课题

（1）隧道拱顶上方空洞处理。隧道拱顶开挖线上方最大8m溶洞为空腔，全部填充或加固难度极大，需采取合理可靠的措施解决溶洞上方掉落石块破坏支护结构的风险，保证施工阶段和运营阶段的安全是需要解决的问题。

（2）溶洞内黏土（含碎石）承载力基本值最小为100kPa，地基承载力不能满足要求。隧道内施工空间狭小，尤其是靠近边墙部分，一般的挤密桩处理设备无法施工。溶洞底板最低点在隧底开挖轮廓以下22m，无法完全采用换填处理。需采用合理可行的方式提高地基承载力，保证隧道安全。

3 处理措施

3.1 隧道拱顶上方及侧面空洞处理措施

DK313+350～DK313+375段的措施有：

（1）按设计及相关规范、规程要求设置应急救援管道，设专人观察警戒。

（2）对拱部上方已揭示的溶洞，采用15cm厚C25喷射混凝土封闭加固溶洞洞壁。

（3）溶腔范围内结合溶洞发育形状拱墙开挖轮廓外0.25m和1.5m分别设置I20环向钢架支撑，环向钢架末端分别采用6根锁脚锚管锚入围岩，环向钢架纵向间距0.6m，相邻环向钢架采用ф22HRB400钢筋连接，连接筋长0.8m，环向间距1.0m，内外侧交错布置。外侧环向钢架外设I20纵向连接钢架，纵向连接钢架长0.8m，环向间距1.0m。溶洞内预埋废旧短工字钢和废旧短钢筋。

（4）结合钢架支护体系，拱顶预埋排竖向ф125mm钢管，钢管纵向间距1.5m，环向3根，间距1.5m，沿隧道中线对称布置，钢管末端距溶洞壁不大于0.5m，中心一排钢管用于泵送混凝土，两侧钢管用于排气兼后续吹砂。

（5）支护措施采用Vb型复合式衬砌，施工工法采用三台阶临时仰拱法，具体支护参数详见“表1”，初期支护采用双层钢筋网交错布置，便于喷射混凝土附着。超前支护采用超前双层小导管。

表1 Vb隧道复合式衬砌参数表(无砟轨道)

（6）待初期支护施做完成并达到设计强度，后通过预埋竖向ф125钢管泵送C25混凝土，泵送回填混凝土回填线距开挖轮廓4m，混凝土分层泵送，每层泵送混凝土厚度不大于2m，混凝土泵送作业需待上一次泵送混凝土达到设计强度后方可进行下一层混凝土的泵送施工。

（7）为防止溶洞内掉下石块破坏衬砌，对拱顶进行吹砂作为缓冲层，砂子采用粒径为2.3～3.1mm的中粗砂，厚度不小于2m。使用人工配合空压机吹进，两侧分层对称吹进，完成后对吹砂口进行封堵处理。

（8）对溶洞内可能存在的地下水采取引排处理，泵送回填混凝土前紧贴溶洞两侧壁预埋ф90mm透水盲管，纵向间距3～4m，盲管一端用土工布包裹引至泵送混凝土回填线外，另一端引至侧沟。混凝土泵送完成后，保证透水盲管畅通。

（9）拱部144°以下边墙范围的溶洞采用ф42钢花管注浆，钢花管环向0.8m，纵向1m，呈梅花型布置，注浆管长≥4m，管端焊于钢筋网上，注浆参数：①水泥浆液水灰比：1：1（重量比）或根据现场确定；②注浆压力：0.5～1.0MPa。③注浆前进行现场注浆试验，根据实际情况调整注浆参数。

（10）加强监控量测，观测点纵向间距不大于5m。

3.2 隧道基底处理措施

（1）为提高地基承载力，防止隧道沉降，在初期支护闭合成环后立即对于隧道基底下方采用树根桩加固基底。

（2）设计参数。树根桩设计横向间距0.6m，纵向间距0.6m，梅花型布置。钻孔孔径：ф300mm，树根桩：C25细骨料钢筋混凝土，注浆压力：0.5～3.0MPa，水泥浆：1：0.8，钢筋：主筋采用HRB400钢筋，箍筋采用HPB300钢筋。钢管护壁：桩用螺旋焊缝钢管，标称外径D=273.1mm，标称壁厚T=7mm。具体树根桩配筋设计见图1。

图1

（3）桩位布置。根据探明的溶洞形态，具体桩位布置见桩位布置平面图、纵面图和横断面图（如图2）。

图2

（4）DK313+350～DK313+375树根桩地基处理段钻孔施工过程中，充分利用钻孔作为勘探孔继续探查，进一步摸清了溶洞边界范围，隧底溶洞边界距隧底开挖轮廓小于2m范围内的浅层溶洞采用C25混凝土换填；钻孔显示隧底溶洞边界距隧底开挖轮廓大于2m范围内仰拱填充面投影以下的隧底采用竖向树根桩加固，水沟侧壁两侧隧底采用斜向树根桩加固，竖向斜角2.5～5°。树根桩竖向主筋与仰拱初期支护钢筋网焊接联为一个整体，以增强树根桩的整体稳定性。

（5）树根桩设计横向间距0.6m，纵向间距0.6m，梅花型布置，桩长不小于3m，每根桩桩尖深入基岩内0.5m。土工试验报告含水率及界限含水率试验结果显示该段溶洞内黏土处于可塑状态，由于该段钻孔较深，为防止钻孔过程中缩孔、塌孔，钻孔内设桩用螺旋焊缝钢管护壁，以保证成桩质量。

（6）钢筋笼和注浆管吊装完成后，填灌粒径10～25mm碎石。

（7）注浆过程中合理安排注浆顺序，采用先中间后两边的间隔注浆方式。注浆过程中应严格控制注浆压力，防止隧道基底底鼓，破坏结构，施工过程中根据监控量测结果随时调整注浆压力。

（8）注浆结束标准：①单孔结束标准：注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10min以上；注浆结束时的进浆量小于5L/min。②全段结束标准：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；浆液有效注入范围大于设计值。

（9）注浆过程中和结束后，对处理工程质量进行检测，隧底注浆后树根桩单桩竖向容许承载力不小于87kN，复合地基承载力不小于180kPa。

（10）溶洞段开挖应采用控制爆破技术或机械开挖，严格控制超欠挖，以达到坑道周边圆顺平整，减少爆破对周边围岩的扰动和降低劳材消耗，以保证施工及运营安全。

4 结语

通过对溶洞周边及基底采取了合理的处理措施，隧道在较短时间内顺利通过了此段半填充大型溶洞段落，目前，太焦铁路已开通运营，此岩溶处理地段在轨道沉降、结构稳定等方面均满足高铁运营需求。充分说明在处理半填充大型溶洞段落时，采用树根桩加固溶洞填充物提高承载力及空腔段采用封闭溶洞面、外设支护结构+吹砂形成缓冲层的处理措施是合适的。