大型补给式富水泥沙块石充填溶洞治理

张万斌，王国军，徐昆杰

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 401121）

0 引言

我国西南地区工程地质情况较为复杂，长大隧道在施工过程中常常遭遇煤层瓦斯、岩溶、软岩大变形等不良地质。岩溶作为一种常见的不良地质条件，其规模和分布规律常具有不确定性，因此岩溶工程的设计必须采用动态的方法，才能不断适应各种工程情况。孙正兵[1]采用“保持既有岩溶通道通畅”的原则，对溶洞进行局部注浆；谭力[2]采用加强超前地质预报、加强洞内支护及溶洞注浆回填的方式，在溶洞处理中取得了良好的效果；杜凯[3]分析了“掌子面微台阶开挖+边墙及基底超前注浆加固”的施工方案；方振华[4]研究了隧底采用桩板结构跨越成贵铁路大型溶洞技术，现场取得了良好的整治效果。

岩溶地质复杂多变，国内外对大型补给式富水泥沙块石充填溶洞的研究相对较少。本文以叙大铁路中坝隧道为工程案例，结合其地质条件，对溶洞的处理提出可靠方案，可供相关工程参考。

1 工程概况

新建铁路叙永至大村线线路全长约87km，采用国铁Ⅲ级标准设计，设计时速80km/h，单线内燃（预留电化条件）。中坝隧道位于四川省古蔺县护家乡，全长4001m，隧道最大埋深为415m。

隧道地质条件复杂，洞身穿越三叠系中统雷口坡组（T2l）灰岩、泥灰岩，三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩、白云质灰岩，地表多见溶洞、溶蚀凹地、漏斗、竖井、落水洞，岩溶水丰富，施工遇隐伏溶洞易发生坍塌、突水、突泥等危害，围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。隧道主要不良地质为岩溶。

中坝隧道D9K53+613～D9K55+365段穿越三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩、白云质灰岩，该段地表岩溶较发育。由于隧道顶部存在暗河管道，正洞及平行导洞掌子面的溶腔水主要来自于岩溶水水平径流带，掌子面前方溶腔主要受到层间节理裂隙的控制而发育，即沿掌子面向隧洞出口方向斜上方展布，岩溶水主要赋存于溶洞、溶槽、溶缝及层间溶壑内，地表多见溶洞、溶蚀凹地、落水洞、坚井。

2 溶洞情况描述

隧道D9K53+800～D9K55+350段穿越三叠系下统嘉陵江组（T1j）中厚层状灰岩，可溶岩段长1550m。隧道掘进至D9K55+221处揭示一大型补给式富水泥沙块石充填溶洞，溶洞处隧道埋深约347m，处在嘉陵江组（T1j）灰岩与飞仙关组（T1f）钙质页岩接触带，施工中溶洞发生多次涌泥，其中有8次大规模涌水涌泥，累计涌泥沙量超过3万m3，其中4次涌泥超过3000m3，最大一次涌泥达1万m3。该溶洞涌水量基本在0.15～0.27 m3/s，降雨过后明显增加。2013年8月25日，连续暴雨引起溶洞涌水量最大达2.3 m3/s。溶洞爆破揭开后发生较大规模的涌泥沙块石，揭示一从右向左倾覆的直径约25m的井状溶洞空腔，空腔往上下发育高度及深度不明。溶洞涌泥石规律不定，雨季发生次数最多，旱季也有发生，不规律地涌泥沙块石对施工安全造成极大威胁。

隧道正穿一大型充填溶洞（突泥沙后为半充填），推测溶洞主要成因：岩体结构面中存在基岩裂隙水，在其作用下裂隙逐渐张开，较破碎处的灰岩在水的作用下发生溶蚀，进而发生泥化，随着一段时间的地质作用，裂隙沿着结构面伸展方向发育进而形成溶腔，由于中坝隧道顶部存在暗河管道，暗河的高程便是该区域地下水的排泄面，因此该溶腔与暗河相连通，而中坝隧道DK55+221处第一次涌水主要是由掌子面左上角一条陡倾裂隙所致，是主要的突水点。所以根据判断，水位高程明显大于隧道高程，溶腔来水属于水平循环带，岩溶水从隧道右侧流往隧道左侧[5]。

推测隧道顶部发育有一个从线路右侧流往左侧的暗河（图1），暗河管道沿线地表发育的落水洞、洼地和溶蚀槽谷均是很好的汇水区域，为地下暗河的补给提供了良好的导水通道[6-7]。

图1 中坝隧道D9K55+221溶洞与顶部暗河关系简图

经超前地质预报和钻探，探明溶洞发育情况。隧道正穿溶洞（突泥沙后为半充填），溶洞纵向长约28m，横向宽约18m，上下发育高度及深度不明，溶洞水主要从线路右侧往左侧流出[8]。

3 溶洞治理

根据成都理工大学出具的《中坝隧道D9K55+221突水突泥灾害形成机制、环境影响及工程措施研究》和《中坝入口平导PD9K55+231.5段超前钻孔补充报告》以及地勘报告，结合屡次突泥水后清方距溶洞20～30m处又发生泥水突出的情况，确定采取泄水降压、回填、注浆、管棚支护、结构加强、隧底桩基托梁及设泄水洞排水等措施对溶洞进行综合治理。

3.1 泄水降压

溶洞多次涌水及泥夹石 （涌入隧道泥石长度最大超过100m），涌泥石封堵掌子面，溶洞水不能排出，溶洞水封堵后压力增大，直接清除涌泥石至掌子面处理溶洞的风险极大，屡次突泥水后清方距溶洞20～30m处又发生泥水突出。因此，研究设置一平导泄水降压：于掌子面后方线路右侧设一平行导坑至掌子面溶洞，平导具超前探测、排水泄压及向正洞注浆的作用。

右侧平行导坑保持与正洞净距10m，与正洞交点里程为D9K55+068（距正洞掌子面156m），平导坡度与正洞基本一致，坑底高程比正洞内轨顶面高约1.5m，平导断面尺寸4.7m（宽）×5.5m（高）。

平导施工至溶洞附近，施作φ108排水孔排水泄压，将溶洞涌水引入平导排出。

3.2 回填

由于溶洞多次突泥水后上部为空腔，为抵挡上部孤石及涌泥掉落冲击，在右侧导洞D9K55+226、D9K55+231，左侧导洞D9K55+237、D9K55+244里程处，分别设置2个输送孔向正洞溶洞空腔范围泵送C20混凝土进行回填（图2），回填由大里程向小里程进行，填充高度为开挖轮廓线外5～8m范围，回填区长度30m，平均横断面面积116㎡，回填混凝土量3480m3（现场实际回填3420m3）。

图2 溶洞回填示意图

3.3 注浆

由于溶洞下部多为淤泥，为加固隧道外围岩，确保隧道安全，通过右侧导洞向正洞溶洞段注浆加固溶洞充填物，注浆分两段完成。由于工期要求，先于右侧平行导洞向正洞D9K55+222～+232段进行注浆，待左侧平行导洞施作完成后，在左侧平行导洞向D9K55+232～+250段注浆加固（后期左侧导洞因遇溶洞停止施工，仅采用右侧导洞进行注浆）。注浆以水泥浆液为主，双液浆为辅，自下而上注浆，下部和周边加固采用双液浆，上部固结与中部加固采用水泥浆。加固范围为开挖轮廓线外5～8m范围内溶洞充填物（图3）,设计注浆量1857.6m3；同时正洞内尽可能往溶洞方向清除涌泥，并设置止浆封堵墙，实施超前大管棚注浆，根据需要实施超前帷幕注浆及开挖后径向补注浆。

图3 溶洞注浆示意图

3.4 衬砌结构加强

根据现场溶洞情况对隧道D9K55+219~D9K55+257段衬砌作特殊加强（图4、图5），二衬结构考虑承担40m高水土压力设计。

图4 溶洞段加强衬砌断面图

图5 三台阶法施工方案横断面图

（1）初期支护：拱墙设置长40m的φ127超前大管棚加强支护（拱部双层管棚、边墙单层管棚）；全环工25b型钢钢架1榀/0.5m；全环径向φ42小导管注浆加固。

（2）二次衬砌：考虑到初支承载能力较弱，二次衬砌采用双层衬砌，两层衬砌厚度皆为50cm，第一层衬砌紧跟初支；隧底充填物较深，采取桩基托梁方式，底板厚度1.7m，左右纵梁2.6m（宽）×1.7m（高），左右侧桩直径1.5m，桩纵向间距6m。二衬主筋8根28mm HRB400钢筋；纵梁主筋上侧33根32mm HRB400钢筋，下侧各53根32mm HRB400钢筋。

（3）施工方法：注浆加固完毕后取芯检验注浆加固效果，达到设计要求并施作完成大管棚后，破除止浆墙施工正洞，采用三台阶法开挖（图5），上、中台阶设临时横撑，初期支护钢架开挖后尽快封闭成环。每步开挖后施作径向注浆φ42小导管注浆加固围岩，并取芯检验注浆效果，确保注浆效果。

3.5 泄水洞

由于雨季溶洞涌水量最大达2.3m3/s，大大超过隧道侧沟过水能力，为确保运营期间的隧道安全，将右侧平导延伸至隧道进口作为永久排水通道。

中坝隧道施工过程中采用泄水降压、局部充填、超前注浆等方式，施工过程中未产生大型突水突泥等地质灾害。目前中坝隧道已竣工近两年，隧道二次衬砌未出现渗漏水、裂缝等病害，表明溶洞治理取得了显著效果。

4 结论

（1）溶洞的存在具有隐蔽性、不可预见性，岩溶突泥突水是施工过程中的重大安全隐患，在施工中应全面开展综合超前地质预报工作，探明溶洞位置、形态、岩溶分布规模、富水段落，全面开展动态设计，尽可能减少溶洞带来的施工风险。

（2）岩溶处理要按照“早预报、常观测、强支护、快封闭、早衬砌”的综合处理措施，在施工穿越富水型溶洞时，可利用超前注浆、局部注浆等方式进行注浆和堵水。

（3）根据中坝隧道施工经验，岩溶水处理作为溶洞治理的关键之一，可采用排、堵及排堵结合的治理方案进行处理，其中对于补给型溶洞，宜排不宜堵。

（4）隧道穿越水平循环带时，衬砌结构设计需考虑水压荷载作用，加强衬砌结构设计，确保隧道结构安全。

（5）类似溶洞段，多层衬砌即两层模筑的结构型式值得推荐，第一层衬砌（可采用格栅钢架混凝土衬砌）紧跟初支，既为隧道开挖安全创造了条件，也保证了隧道永久结构安全。