铁路隧道穿越的复杂管道型溶洞处治技术

王秋

中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023

我国喀斯特地貌覆盖面宽广，特别是云贵川地区溶蚀分布广泛，发育强烈［1］。随着西南地区铁路路网的建设。隧道穿越可溶岩地层段落越来越长，面临的喀斯特地质问题愈发突出。

近些年，国内溶洞及岩溶水成功处治的案例越来越多。宜万铁路马鹿箐隧道针对充填富水溶洞采取了加强支护、注浆加固等措施，确保了隧道安全［2-3］；渝贵铁路东山隧道采取了泄水洞、分区段防排水及跨越溶洞的结构形式对巨型过水溶洞进行了处理［4］；宜万铁路龙麟宫隧道对所揭示半充填大型溶洞采取了立柱支顶与锚喷结合加固、复合地基的设计方案［5］；长昆铁路朱砂堡二号隧道采用空心混凝土对特大型溶腔进行了回填处理［6］；奉巫高速羊角坝隧道采用了绕避大型溶洞的改线方案，取得了良好的经济技术效果［7］；宜万铁路针对规模化溶洞采取了回填、板跨、桥跨等多种处理方式［8］。随着岩溶隧道的大量修建，在岩溶处治方面逐渐形成了绕避、截排、封堵、跨越的处治原则［9］。但鉴于溶洞及岩溶水的复杂多变性及独特性，其处理措施不尽相同，若处治不当易对隧道结构及运营安全造成重大影响［10］。

本文以重庆—贵阳铁路宗家山隧道为依托，结合隧道区域工程地质、水文地质条件，根据揭示的溶洞和岩溶水特性，开展了复杂管道型溶洞处治技术研究。

1 工程概况

宗家山隧道位于贵州省桐梓县境内，为时速200 km/h的客货共线双线隧道，全长2 770 m，隧道线路纵坡为5.9‰、15.5‰的单面上坡。隧址区属构造侵蚀溶蚀中山峡谷地貌，洞身主要穿越志留系下统石牛栏组地层，岩性为灰色泥灰岩，地表存在溶蚀洼地、落水洞等岩溶形态，岩溶强烈发育，存在涌水危害，最大埋深约170 m。

宗家山隧道施工至D2K171+320时，拱顶左上侧揭示出溶洞，溶洞宽约2 m，在拱顶以上约4 m。经测绘发现该溶洞小里程端始于D2K171+260线路左侧，大里程端延伸至D2K171+550处岩溶坍塌区，两端无法进入。

溶洞主通道迂回，支洞发育，与隧道线路交角小。溶洞管道体系与隧道线路多次交叉，在D2K171+450处合并后分成左右两支洞并继续向前发展。各交叉处溶洞洞顶高于隧道拱顶0～8 m，底部侵入隧道轮廓最大约6 m。溶洞管道遍布于该段隧道洞身两侧，溶洞与隧道的位置关系如图1。工程地质与水文地质情况分述如下。

1）工程地质

溶洞段隧道位于中厚层泥灰岩地层，隐晶结构，质硬，隧道边墙及底部岩体完整，溶蚀不发育；溶洞区域内岩层产状近水平，溶洞发育的总体方向约为N2°～10°E，岩体溶蚀现象明显，洞壁局部风化严重，稳定性差。

图1 隧道与溶洞位置关系

溶洞堆积物由化学沉积物、崩积物、冲积物等构成，其中化学沉积物主要为碳酸钙沉淀物，主要表现为石笋、石柱、石钟乳及石幔；崩积的块石在溶洞中零星分布，多为新近崩塌物，块体体积多为0.5～2.0 m3；冲积物主要分布于溶洞底部低洼区，以黏土、碎石和角砾为主，充填厚度在0～3 m，各组成物比例变化较大，分布规律不强，无明显的成层特征。

2）水文地质

随着隧道开挖掘进，陆续揭示了多处溶洞，其中仅D2K171+360处溶洞底部有流水，水流量约10 L/s，水质清澈。其他部位揭示出的溶洞未见流水，但对与之相通的岩溶管道踏勘发现相对低洼的溶洞段有积水。

经洞外调查及一个雨季的洞内观测，该溶洞在雨季有间歇性流水，水量严格受降雨控制，暴雨期水量骤增，且带有泥沙。调查发现，与该溶洞有直接水力联系的地表汇水点有两处：①D2K170+550左侧270 m的水井湾消水洞，承接约0.022 km2的汇水面积；②D2K170+080左侧460 m的马孔消水洞，承接约0.213 km2的汇水面积。

2015年5月15日桐梓普降暴雨，降雨量达到118.2 mm，隧道溶洞段水量暴增且出水浑浊，隧道涌水滞后于隧址区降雨约半小时，涌水对降雨高度响应，经测算，极端降雨条件下最大涌水量将达25 350 m3/h。

综上，隧道揭示溶洞岩溶管道发育，与地表落水洞连通性好，岩溶水具有流域补、径、排特点，瞬时水量大，且水中带有泥沙沉积，对隧道结构及运营安全存在重大影响。

2 处治方案比选

隧道溶洞规模大，支洞发育，与隧道交叉关系复杂，局部洞壁稳定性较差，岩溶水受降雨补给强烈，瞬时水量大，洞内水沟已不能满足岩溶季节性涌水排泄需求，因此，溶洞处理主要考虑岩溶水处治及衬砌结构安全。根据溶洞形态及水文地质条件，可选的处治方案主要有以堵为主的抗水压衬砌方案和以排为主的泄水洞方案。

1）抗水压衬砌方案

结合溶洞段隧道与地表的关联，为获取安全可靠的衬砌结构参数，采用荷载结构法计算得到结构体系内力与变形，并确定结构的尺寸与配筋。

因水井湾消水洞距隧道垂直高度120 m，按最不利水头高度计算，该段衬砌承受水压最大将达1.2 MPa。通过MIDAS GTS软件对隧道衬砌进行抗水压设计和配筋，参数如下：衬砌重度25 kN/m3，围岩竖向荷载84 kPa，侧向水平围岩压力为6～26 kPa，呈线性分布；水压1.2 MPa。围岩弹性反力系数取500 MPa/m。衬砌内力分布见图2，内力及配筋计算结果见表1。

图2 衬砌内力分布

表1 内力及配筋计算结果

计算结果表明，若采用抗水压衬砌方案，衬砌厚度需不小于85 cm，且结构每米最小配筋不小于7根ϕ28 HRB400钢筋。

2）泄水洞方案

因溶洞分布范围广且与隧道多次交叉，结合隧区左高右低地形及水文特点，于溶洞段隧道左侧设置集水廊道，横向下穿隧道段设置泄水洞引排集水廊道内岩溶水至洞外（图3）。

图3 集水廊道与泄水洞平面布置

增设泄水洞后溶洞段隧道正洞衬砌不再考虑水压影响，仅考虑承受周边围岩压力即可。

3）方案比选

根据宗家山隧道地貌，结合溶洞及岩溶水特点，对两种方案进行分析。方案对比见表2。

表2 方案对比

由表2可知，泄水洞方案虽工期较长，但从交叉段溶腔处理、岩溶水的有效引排、隧道结构及长期运营安全考虑，该方案更优。因此，最终以泄水洞方案为主，同时采用设置局部排水联络坑道和排水钻孔、溶洞内封堵疏排、加强局部衬砌等综合处治措施。

3 处治方案设计与施工

3.1 集排水设计

1）集水廊道。①于正洞D2K171+255—D2K171+465段左线线路中线左侧16.9 m处平行设置集水廊道，全长210 m。集水廊道设置为V形坡，其中JSD2K171+255—JSD2K171+345段为-10‰的下坡，JSD2K171+345—JSD2K171+465段为15‰的上坡。②集水廊道采用模筑衬砌，断面净空尺寸为3.5 m×3.5 m（宽×高）。

2）泄水洞。①垂直于隧道正洞线路设置泄水洞（图4），其起点接集水廊道的最低点JSD2K171+345，泄水洞全长124 m，坡度为-30‰的单面下坡。②泄水洞与正洞交叉段采用箱涵衬砌，其净空尺寸（宽×高）为2.5 m×1.5 m；其余段落的净空断面与集水廊道相同。

图4 泄水洞与集水廊道、正洞的交叉关系

3）排水联络坑道。①为有效引排岩溶水，于集水廊道JSD2K171+280右侧、JSD2K171+385左侧各设置1条排水联络通道，将上游管道水全部截排至集水廊道。②泄水洞XSDK0+033左侧设置1条排水联络通道与溶腔连通，将管道可能的其他涌水疏排至泄水洞。③于溶洞内合适位置设置多处混凝土封堵，确保将季节性涌水在隧道远端有效引排入集水廊道内。岩溶水引排平面布置见图5。④为方便施工及检修，并避免岩溶水冲刷破坏围岩，影响隧道结构及运营安全，排水联络通道净空尺寸设为2.0 m×2.0 m（宽×高），衬砌采用钢筋混凝土，入口段设为喇叭口渐开形。排水联络通道布置见图6。

图5 岩溶水引排平面布置（箭头表示水流方向）

图6 排水联络通道布置

4）排水钻孔。①结合排水联络通道的布置，于集水廊道JSD2K171+305、JSD2K171+357、JSD2K171+375里程右侧以及泄水洞XSDK0+039右侧分别布设ϕ76 mm的排水钻孔接通溶腔，每断面钻设3～6孔，引排溶洞管道内积水至集水廊道或泄水洞。排水钻孔典型断面见图7。②作为集水、排水通道，集水廊道及泄水洞均不设防水层，衬砌施作完成后集水廊道及泄水洞（除箱涵段）沿衬砌内缘径向施作ϕ50 mm钻孔，孔深1.0 m，沿衬砌内缘环向及纵向间距均为1.0 m，呈梅花形布置。

图7 排水钻孔典型断面

3.2 溶洞及其影响段正洞处治方案设计

1）溶洞处治措施。①溶洞底部多填充碎石、角砾，为减少岩溶水下渗，对D2K171+255—D2K171+465范围内溶洞底部进行清理并采用C20混凝土铺砌，使铺砌面对排水联络通道或排水钻孔呈下坡。②鉴于溶洞裂隙较发育且局部存在掉块风险，与正洞交叉段的溶洞应清除洞壁危石和浮渣，并于衬砌外设1.5 m厚C20混凝土护拱，以确保隧道结构及运营安全。隧道下穿溶洞典型横断面见图8。

图8 隧道下穿溶洞典型横断面

2）溶洞影响段正洞处治方案。①D2K171+320—D2K171+340及D2K171+350—D2K171+370段隧道拱部侵入溶洞底部。为防止拱部坍塌和掉块，拱墙设置I20b型钢钢架加强支护，钢架纵向间距0.6 m，该段隧道采用Vc型钢筋混凝土衬砌。②D2K171+340—D2K171+350段隧道与泄水洞正交。为减少隧道底部开挖，正洞采用无仰拱型钢筋混凝土复合衬砌结构，确保隧道与箱涵紧密贴合。因该段隧道周边基岩完整，隧道底部不必另行加固处理。③D2K171+395—D2K171+417及D2K171+439—D2K171+449段 隧 道边墙侵入溶洞。拱墙设置I20b型钢钢架加强支护，钢架纵向间距0.8 m，该段衬砌采用Ⅴb型钢筋混凝土复合衬砌。

3.3 施工要点

1）施工中结合正洞揭示及勘察资料，采用超前地质预报、加深炮眼、水文观测等措施，进一步查明了岩溶情况，妥善处理了岩溶及地下水，避免了隐伏的岩溶危害。

2）岩溶处理均在旱季施工，由正洞D2K171+345处开辟通道引入。首先施作泄水洞、集水廊道及排水廊道，其次设置排水钻孔、封堵溶腔各处上游入口。

3）因溶洞洞壁局部风化严重且稳定性差，集水廊道及泄水洞采用控爆开挖，并加强监控量测，减少了对溶洞及正洞衬砌结构的影响。

4）排水联络通道及钻孔的位置，可根据情况适当调整。排水钻孔应在各项工程基本完成之后，各处封堵墙施作之前钻设，避免堵塞。

4 运营情况

宗家山隧道溶洞已按设计于2016年12月处治完成，并于2018年1月开通运营。运营4年来，隧址区多次出现强降雨天气，雨量数次达110 mm，最大达150 mm以上，但隧道衬砌未见因季节性岩溶水影响造成的结构性裂缝、渗漏水等病害。排水设施通畅，按照设计目的实现了引排岩溶水的功能，保障了隧道结构的安全。目前该隧道运营良好，今后的类似岩溶隧道设计过程中，可结合施工及运营维护措施对泄水洞净空做进一步的优化及比选。

5 结论

1）重庆—贵阳铁路宗家山隧道施工揭示的溶洞管道形态发育、地质条件复杂。根据上述特点，结合其岩溶地下水的独特特性，采取了增设集水廊道与泄水洞、设置局部排水联络坑道和排水钻孔、加强局部衬砌等措施进行综合处治，确保了岩溶水的彻底引排，保证了衬砌结构免受溶洞及岩溶水的危害。

2）根据宗家山隧道溶洞发育形态规模，结合其与隧道的交叉关系，采取了溶洞内封堵、铺底、护拱及局部段落采用钢筋混凝土衬砌结构，保证了溶洞处理施工安全顺利进行及铁路运营的安全。

3）依托宗家山隧道形成了适用广泛的隧道岩溶水灾害防治、复杂型溶洞综合处治成套技术。经运营检验，溶洞处治措施得当，岩溶水引排合理，结构安全可靠，可作为复杂管道型溶洞的处治范例，为国内外同类隧道工程提供借鉴。