高速铁路隧道内连续梁跨越巨型复杂溶洞施工技术研究

龙 禹

(中国中铁股份有限公司，北京 100039)

1 概述

我国岩溶分布面积广阔，其中，广东、广西、贵州、云南等地的岩溶发育尤其强烈。随着铁路交通建设的快速发展，越来越多的隧道穿越岩溶活动强烈地层。在如此工程条件下，如何保证隧道建设及运营安全，成为工程技术人员密切关注的课题。

针对复杂巨型岩溶体系，工程中常用的处治原则主要包括“避、引、堵、穿、绕、跨”[1]。“避”是指设计中对那些穿越困难、工程量大的溶洞区，首选避开，不能避开时，则尽量以大角度穿越；“引”是指引流溶洞水，溶洞水大量涌入坑道会给施工带来危害，引离溶洞水应避免岩溶地区生活、生产用水受到影响；“堵”是指对于停止发育、无水溶洞，应根据其位置及填充情况，用浆砌片石、干砌片石等堵塞封闭，必要时需压浆或用混凝土填实；“跨”是指对于不宜作堵塞处理的大溶洞，因溶洞充填松软，不宜施作道路路基，需要修建桥梁工程跨越；“绕”是指对处理难度极大的溶洞，用迂回导坑绕过溶洞，使处理溶洞工程与前方隧道工程平行作业，不致延误工期。

针对上述基本原则，对隧道穿越巨型溶洞的施工方法进行系统研究，施工及处置方法大致可以分为：①改线绕避；②基底处理；③岩溶水处理；④桩基、桥梁跨越。张龙等提出了铁路隧道穿越溶洞时的改线绕避方案[2]；S.Alija等依托西班牙Gavarres隧道穿越岩溶地区的工程案例，提出了采用贫混凝土、砂浆、树脂等材料填充空腔解决相关溶洞问题的工程方案[3]；刘艳结合工程实例对管波探测法等进行了较为详细的介绍[4]；马涛以宜万铁路穿越龙麟宫1号溶洞为背景，提出了一种“路基+明洞”跨越溶洞的方案[5]；林本涛等结合朱砂堡二号隧道穿越特大型溶岩空腔的工程实际，针对穿越溶洞时沉降控制问题，提出了一种大体积空心混凝土回填技术[6]；何佩军依托在宜万铁路野三关隧道穿越大型高压富水块石充填型的施工背景，采用迂回绕避等综合处理的方式穿越溶洞[7]；李庚许结合宜万铁路大支坪岩溶隧道突水突泥溶腔及暗河的复杂水文地质背景，提出了一种“就地封堵+迂回绕行”的施工作业方案[8]；李学东等依据朱家岩隧道特大型溶洞的工程背景，针对溶洞围岩破碎、稳定性差的情况，提出了一种桥梁永久性跨越溶洞的方案[9]；薛成等结合清连高速白须公隧道的工程实际，针对特大溶洞空间大、侧向延伸广，地质软弱带结构复杂的工程难题，提出了一种桩基跨越的方案[10]。

不难看出，溶洞对铁路隧道工程建设影响巨大，其中，溶洞的复杂形态、填充物的松散特征、溶洞洞壁的局部坍落以及管道水、暗河水的冲刷，增加了工程建设的难度。鉴于此，介绍一种“暗河改道+隧道洞渣回填+隧道内连续梁跨越”的巨型复杂溶洞处理方案，以期为类似复杂溶洞工程施工提供借鉴。

2 工程概况

某高铁玉京山隧道位于中国云南省威信县境内，全长6 306 m，为双线隧道，轨面设计坡度为30‰，隧底铺设无砟轨道道床。隧区地处大娄山系以西，隧道最大埋深约350 m，隧址区地表多为季节性冲沟，灰岩段地表多发育有漏斗、溶洞和暗河天窗，局部发育有暗河进口。该隧道是一条集瓦斯突出、岩溶强烈发育、突水涌泥等复杂地质条件于一体的高风险隧道。

隧道分进口、出口、横洞3个工区同时组织开展施工，揭示的巨型复杂溶洞位于横洞工区。隧道于溶洞大厅顶部位置穿越溶洞，溶洞沿线路方向长约93 m，垂直于线路长约230 m，高50～120 m，溶腔体积达108万m3；溶洞底部左侧坡脚发育一条宽5～15 m的暗河，水流湍急。洞壁存在局部掉块和坍落现象。溶洞形态和线路关系见图1。

3 施工难点

考虑到上述稳定性问题，该巨型复杂溶洞处理施工过程中存在如下风险因素。

(1)线路通过难度大

①空腔巨大：溶洞横向宽度约230 m，纵向跨度约93 m，顶部到底部高差50～120 m。

②与线路组合极为不利：线路轨面高程位于穹顶附近，隧道拱部嵌入穹顶，需对溶腔顶板进行纵向切槽。

(2)岩溶大厅洞壁浅层稳定性差

①洞顶部分段落岩面较新鲜，原始状态下近期有掉块现象，影响范围广，纵向为100 m，横向为200 m。

②人工扰动后掉块严重，尤其受爆破震动影响。

③小里程端倒悬段整体稳定性差，影响范围为纵向60 m，横向150 m，局部有开裂现象。掉块区域及现场掉块情况见图2。

(3)溶洞底部充填物土层深厚

① 溶洞底部区域有大量充填物，纵向影响范围134 m，横向227 m，厚20～97 m。底部充填物勘探情况见图3。

图3 溶洞洞底碎块石、黏土堆积体

② 充填物成分复杂，表层为0～15 m厚的硬塑状黏土，其下为溶洞洞壁坍落形成的碎石土，局部为软塑状黏土，土质不纯。

(4)溶洞底部充填物稳定性差

① 堆积物从线路右侧顶部到暗河底部呈一个上缓下陡的斜面，坡度为15°～35°，结合观测结果及天然状态稳定性检算分析，稳定性系数在0.9～1之间，斜坡处于临界稳定状态。

② 底部暗河和周边支管道水反复波动、冲刷，对斜坡稳定性影响巨大，存在整体失稳风险。

③ 堆积层上加载会进一步加大稳定性风险。只要有在堆积体上发生工程活动，极有可能导致失稳。

(5)岩溶大厅水系复杂，主暗河下游消水能力有限，对底部充填物及工程构筑物的冲蚀风险较大。暗河现场勘探情况见图4。

图4 溶洞洞底暗河情况

4 主要研究过程和技术路线

4.1 总体研究思路

受“溶腔浅层洞壁稳定性差+底部深厚充填层+地下暗河宽大且水流湍急”等多种施工不利因素叠加影响，造成该工程施工难度大，安全质量风险高，人员设备保护难度大，工期、成本难以控制，对此，采取了以下总体研究思路(见图5)。

图5 玉京山隧道溶洞工程施工总体研究思路

4.2 溶洞工程处理方案研究比选与实施

该隧道巨型复杂溶洞施工处理方案研究比选与实施过程主要分为3个阶段，各阶段主要情况如下。

(1)方案研究比选阶级

初期踏勘后，主要开展了以路基、桥梁、隧道等多种方式跨越岩溶大厅初步方案的比选研究，各方案优缺点见表1。经综合研究分析，各种穿越方案都需要对溶洞大厅进行回填，故提出了多通道辅助坑道回填溶洞方案。溶洞大厅回填过程中，溶洞顶部存在间断掉块现象，为确保安全，需对溶洞大厅回填方案进行研究调整[12-16]。

表1 穿越岩溶大厅各比选方案优缺点分析

(2)方案实施与研究调整阶段

针对回填过程中溶洞顶部存在间断掉块现象，提出将回填至线路设计高程方案调整为溶洞满填方案，通过回填体支撑溶洞洞壁及穹顶，减小浅层围岩损伤。溶洞满填完成后，穿越溶洞大厅方案研究提出为“溶洞顶板锚索及锚网喷防护+回填体路堑式开挖防护+桥梁跨越”方案。在溶洞顶板开挖支护过程中多次出现掉块情况，通过现场观测，发现进口工区、横洞工区溶洞顶板均有不同程度的裂缝出现。经研讨，认为溶洞顶板有继续发生掉块的可能性。从线路运营长期安全角度考虑，认为“顶板锚索及锚网喷防护+桥梁跨越+轻型棚洞”方案不能保证拱部岩体的稳定性，对施工与运营带来较大的安全隐患。因此，有必要对跨越方案进行深入一步研究调整。

(3)方案深入研究

结合前两阶段方案实施过程中本溶洞工程体现的特点及控制因素，认为“锚索+锚网喷”联合加固手段对溶洞顶板整体稳定性控制仍起到关键作用。在此基础上，为提高隧道穿越溶洞的安全保障力度，提出将穿越溶洞大厅方案调整为“回填体暗挖+桥梁跨越”，通过设置暗挖隧道永久性衬砌结构保护桥梁与轨道的运营安全，最终研究提出 “暗河改道+溶洞满填+穹顶支护+回填体暗挖及衬砌结构防护+连续梁跨越”的综合施工方案，安全穿越了溶洞，并可确保线路运营长期安全稳定。

5 总体方案

玉京山隧道巨型复杂溶洞穿越施工研究经过3个阶段，经反复论证与实践，为确保线路运营的长期安全，最终形成“暗河改道+溶洞满填+穹顶支护+回填体暗挖及衬砌结构防护+连续梁跨越”的处理方案。

(1)暗河改道

新增泄水洞对溶洞坡脚暗河进行绕移改道，以消除暗河水对溶洞回填体及工程结构冲刷引起的不良影响。

(2)溶洞满填

合理利用隧道弃渣满填溶洞，为溶洞顶板处理提供作业平台，也为溶洞洞壁的后期稳定提供支撑，同时减少土地占用。

(3)穹顶支护

溶洞顶板采用“锚索+锚网喷钢纤维混凝土”综合防护技术，从总体上解决巨型溶洞顶板围岩长期稳定的难题。

(4)回填体暗挖及衬砌结构防护

采取回填体内暗挖432 m2超大断面隧道，并设置衬砌结构防护。衬砌结构采用锚网喷初期支护，喷C30混凝土，厚40 cm，采用全环HW500 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢钢架，纵向间距为0.5 m/榀。衬砌结构位于溶洞回填体内，锚杆采用φ42 mm钢花管(壁厚3.5 mm)，长5 m，锚杆间距均为1 m×1 m(环×纵)，钢筋网采用φ8 mm钢筋，网格间距20 cm×20 cm。以确保线路运营长期安全稳定。

(5)连续梁跨越

采用桥梁跨越溶洞，避免因回填体沉降导致无砟轨道线路下沉，而造成线路运营危害。

6 实施效果

通过研究比选，最终提出并实施 “暗河改道+溶洞满填+穹顶支护+回填体暗挖及衬砌结构防护+连续梁跨越”的综合施工方案，安全穿越了溶洞，并可确保线路运营长期安全稳定。实施效果见图6。至2022年6月，该隧道已开通运营两年多的时间，隧道运营状况良好。

图6 桥梁-隧道结构跨越溶洞工程效果

7 结论与建议

针对玉京山隧道穿越巨型暗河复杂溶洞工程，介绍“暗河改道+溶洞满填+桥梁跨越+隧道衬砌防护”的总体施工方案。其中，通过新增泄水洞对溶洞坡脚暗河进行绕移改道，既维持了原地下水的径流，也避免了对溶洞充填物及回填体的冲刷；合理利用隧道弃渣满填溶洞，既保证了溶洞腔壁，特别是穹顶的稳定，也避免了隧道弃碴对环境的影响；桥梁跨越，基础建立在溶洞外的基岩上，避免了溶腔充填物和回填体沉降对线路的影响，确保了高速铁路运营安全；在桥梁结构外侧设置隧道衬砌防护，保障了桥梁的安全，确保了铁路线路不受溶洞变化的影响。

在本工程方案讨论与实施应用过程中发现，穹顶洞壁掉块坍塌、底部充填物滑塌、施工中岩溶水突涌等多为高风险事件，在处理方案比选研究过程中应重点考虑。施工前先可通过现场补勘、三维激光轮廓扫描重构等方法与手段，揭示溶洞工程空间尺寸、位置关系及发育特征；再根据岩溶发育特征勘探结果，结合数值计算分析，对溶洞工程稳定性进行评价，对风险等级进行划分，及时采取针对性施工措施与防护措施，以提高工作效率，保障施工安全。