隧道穿越溶洞及地下暗河施工技术

薛 琳

(中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000)

近年来随着国家西部开发及“一带一路”国家战略的推进，我国西南部山区交通基础建设规模逐年增加。大规模喀斯特地貌和石灰岩地层形成的溶洞、暗河给隧道建设带来了较大难度。由于溶洞、暗河的发育受区域地质、地形地貌、地质水文、自然环境等因素影响，其发展规模和赋存形式因环境改变而会发生变化，山体内部隧道穿越溶洞、暗河的技术处理措施适用性是保障交通线路的运营安全和长久耐用的关键。本文结合西成铁路客运专线宝成铁路改线连蒙村隧道工程溶洞、暗河发育规律，提出了“封堵”、“疏导”、“加固”的技术方案，取得了较好的铁路穿越溶洞、暗河的技术处理效果。

1 工程概况

西成铁路客运专线是连接四川盆地与华北平原的第一条客运高速铁路，是国家铁路网“八纵八横”重要通道之一，也是中国首条通过秦岭的高速铁路。受《铁路线路设计规范》制约，新建西成铁路客运专线于四川省广元市利川区工农镇取线既有宝成铁路线路，既有宝成铁路通过改线新建连蒙村隧道。宝成铁路改线连蒙村隧道施工里程为BCDK338+840-BCDK340+145,隧道全长1 305 m，隧道最大埋深113 m，大部分段落属于浅埋地段。隧道BCDK338+840-BCDK338+859.239位于R=400 m的曲线上，BCDK339+265.183-BCDK339+639.925位于R=800 m的曲线上，其余位于直线段。设计时速120 km，为有砟轨道结构。隧道主要不良地质为堆积体、采空区及煤层瓦斯、人工弃土、松软土等。隧道工程距嘉陵江较近，为顺河隧道。

2 地质和水文情况

地表水主要为嘉陵江江水，雨季流量大，旱季相对较小。地下水为第四系土层孔隙水及基岩裂隙水，水质具有硫酸盐侵蚀。基岩节理裂隙发育，砂岩、砾岩具有良好储水条件，由于地面切割剧烈，地势陡峻，岩层深部可能有岩溶水发育。

3 溶洞及地下暗河段地质分析

3.1 地形地貌分析

隧址区域临近嘉陵江流域，属于构造侵蚀中低山、河谷地貌，受嘉陵江影响，地表切割剧烈，地形起伏变化较大，横坡陡峭，隐性次生断层较多。地表有砂岩、砾岩出露，增加了地表水的入渗和储存条件。

3.2 隧道超前地质预报成果分析

隧道施工至掌子面里程BCDK339+760时(施工自大里程向小里程方向)采用TSP进行超前地质预报探测，探明前方不良地质发育情况，探测范围为: BCDK339+760-BCDK339+660，接收器位置里程为BCDK339+810，探测成果如图1所示。

图1 TSP超前预报成果

从探测成果图中可以看出，隧道掌子面前方40～60 m范围内地震波波速反射异常。综合分析P波、SH波、SV波及岩性参数，结合掌子面揭露情况判定BCDK339+720-BCDK339+700段为断层破碎带，节理裂隙发育，岩体破碎，岩溶较发育，可能存在较大溶腔，存在涌水可能。

3.3 地下河流及溶洞揭露情况

当本隧道施工至BCDK339+721位置时，在掌子面右侧斜下方出现溶洞，无水，潮湿滴水，为充填型溶腔，充填物为块石、泥沙等。经过探测，溶腔呈垂直隧道轴线方向发育，仰拱以下深度约2.0 m，宽度约20 m。经过现场论证，建议在保证安全的情况下进一步打开溶腔。经过两循环施工后在BC DK339+718处溶洞进一步扩大。溶洞上部扩展至隧道边墙中部，下方扩展至仰拱以下及隧道两侧；并在隧道左侧边墙处出现一条暗河，河宽约1.2 m、水流量约500 m3/h，河水从右向左斜向流动，线路中心线约呈120°。

3.4 溶洞、暗河发育分析

经过进一步施工揭露，溶腔展布空间分布于BCDK339+721-BCDK339+710范围内，呈椭圆状，腔体与隧道轴线近似垂直，左、右均超出隧道设计界限，在BCDK339+712处以暗河形式穿越隧道横断面，河宽约1.2 m，走向与隧道中心线呈120°，如图2所示。

图2 溶洞及地下河流走向平面位置(单位：cm)

经过地表踏勘并结合地质资料分析，此暗河处为一断层破碎带，主要受地表大气降雨入渗影响，沿断层破碎带形成岩溶发育区。特别是在隧道穿越范围内溶洞极为发育，岩溶自左向右及隧道两侧逐渐发展，个别小溶洞向上发展至边墙位置。暗河上游与砂岩、砾岩层相接，暗河水以地表降雨入渗为主，水流量受季节影响，雨季流量大，旱季流量小，暗河流向为斜向下通往嘉陵江河道方向，通过暗流通道汇入嘉陵江。

4 关键施工技术

4.1 处理方案

采用地质钻机进行地质钻探，探明溶洞的走向、规模、形状、深度、地下水位、地质情况等，为处理方案掌握第一手施工资料。监测地下水流的流量及雨季最大流量，为确定排水方案提供依据，并考虑最不利流量的过水面积。

根据溶洞及地下暗河揭露情况及发育规律，结合地质预报资料及区域地质情况，综合分析地下水来源、规模及发展对隧道工程的近期及长期安全影响[1]，经过现场专家论证，提出了对边墙两侧小溶洞进行封堵、暗河主河道流向进行疏导、边墙两侧及靠近隧道主体结构范围进行注浆加固的综合治理技术方案。具体处理措施如下：

(1)设计图纸中BCDK339+721-BCDK339+706段为Ⅳ级围岩，开挖后初期支护采用∅22 mm钢筋格栅+钢架+3.5 m锚杆挂网进行喷射混凝土，二次衬砌采用加强复合式衬砌支护。根据现场溶洞、暗河揭露情况并综合考虑到岩溶段全风化围岩与弱风化围岩段的围岩压力协调性，须设置5 m的搭接过渡长度。因此将BCDK339+726-BC DK339+701段Ⅳ级围岩加强复合式衬砌的原有设计调整为Ⅴ级围岩加强复合式衬砌，初期支护采用I25工字钢钢架+锚杆挂网喷射混凝土。

(2)隧道结构下方主河道位置设置∅1.5 m的钢筋混凝土圆管涵通道，保证地下暗河水的顺利通过。

(3)在隧道衬砌边墙的下方溶洞及暗河范围内，设置边墙底托梁，提高衬砌边墙基础的承载能力，保证隧道衬砌的整体稳定性。

(4)隧道地面溶洞采取清淤处理，边墙两侧溶洞洞穴内注C20混凝土，并采取封堵墙加固，减少岩溶水对隧道支护结构及周边围岩的进一步侵蚀。

4.2 地下河流段处理

由于地下河流穿越隧道横断面，重点处理方法是将水向隧道外围疏导，防止地下暗河水对隧道结构冲刷及破坏，造成隧道运营期出现路面涌水，影响正常通车运营[2]。据探测，此暗河河道斜向下流向嘉陵江河道方向，通过暗流通道汇入嘉陵江。根据暗河的流向及丰水期暗河河水水位的实际情况，在隧道仰拱下设置∅1.5 m的圆管涵通道排水，处置断面如图3所示。

图3 地下河流处理措施横断面(单位：cm)

4.2.1 圆管涵基底处理

将隧道线路下方暗河河道及两侧进行清淤、清障处理并清至稳定的基岩，使暗河顺畅，保证河水顺利通过隧道线路，采用C20混凝土进行回填并作为管涵涵底基础，涵底基础厚度不小于80 cm。

4.2.2 圆管涵施工

根据暗河河道走向及对隧道结构、隧道周围岩体影响，设置圆管涵方向与隧道轴线方向夹角为120°，入水口净深1.5 m，涵底纵坡3%，入水口前应清淤顺坡，出水口处与右侧暗流既有通道贯通。

4.2.3 集水井设置

为避免丰水期地下暗河泥沙及块石对圆管涵堵塞和冲击，避免河水过大对隧道结构造成冲刷，在管涵进水处设置一长×宽×深=1.5 m×3.0 m×1.5 m的集水井，起到沉底泥沙和块石作用。

4.3 衬砌边墙底托梁处理

由于暗流河道斜跨隧道断面，造成隧道衬砌的边墙底承载力下降，因此在隧道边墙底设置托梁纵跨暗流通道，作为衬砌混凝土的基础加强，同时在施工过程中确保托梁底与圆管涵之间回填密实。

4.3.1 底托梁设计

衬砌边墙托梁及截面设计如图4所示。

图4 边墙底托梁(单位：cm)

4.3.2 托梁施工

(1)隧道边墙底处溶洞进行清淤，清至稳定的基岩，采用C20混凝土回填至托梁底标高。

(2)每侧边墙底托梁布置两榀，托梁铺设前采用M10砂浆找平，托梁跨越圆管上方1.5 m后向前后各延伸不少于1 m，每榀托梁的尺寸为400 cm×50 cm×55 cm。

(3)托梁采用C35混凝土预制，配筋情况如图5所示。

图5 托梁钢筋布置(单位：cm)

4.4 布设检修设施

为了保障隧道运营期间及时检查管涵堵塞及岩溶发展情况，在原有设计的基础上，调整隧道相邻的大避车洞位置，在BCDK339+710大避车洞处预留一处检查通道，可到达溶洞空腔内及圆管涵内，并设置钢筋爬梯可下到集水井和涵管入口处进行清理和疏通工作[3]。

4.5 临近隧道周围溶洞处理

自BCDK339+721开始，地面出现溶洞，多为泥夹石充填，在BCDK339+718处溶洞扩充至地面以下及隧道两侧，个别位置还出现空腔，而两侧向上发展的溶腔只到边墙的位置。根据实际情况，地下部分采取清淤并采用C20混凝土回填方案，边墙两侧的溶洞采取初期支护预留注浆口泵送C20混凝土回填方案。临近隧道周围溶腔处理范围如图6所示。

图6 溶洞走向纵断面(单位：cm)

(1)由于DK339+716处左侧为溶洞空腔，设置1 m厚C20混凝土封堵墙，纵向延伸至DK339+710。

(2)线路两侧(尤其是左侧)溶腔或暗河通道可能因施工掉块等已充填堵塞，施工中需对充填物清除干净，以保证排水及泄洪畅通。

(3)将地面以下溶洞范围进行清淤，清至稳定的基岩，用C20混凝土回填密实。

(4)边墙两侧位置的溶腔在施工初期支护时预留泵送混凝土灌注孔，当喷射混凝土强度满足设计要求时采用C20混凝土泵送回填，混凝土厚度不小于2 m。

5 结束语

连蒙村隧道工程中，根据隧道溶洞的形态和发育情况及地下河流实际工程特征，制定出合理有效的施工处理方案。在施工中需根据实际地质情况，对隧道溶洞及地下暗河处理进行动态设计，现场合理调整施工，以达到满意的施工效果。