龍 禹

(中國中鐵股份有限公司，北京 100039)

1 概述

我國巖溶分布面積廣闊，其中，廣東、廣西、貴州、云南等地的巖溶發(fā)育尤其強烈。隨著鐵路交通建設(shè)的快速發(fā)展，越來越多的隧道穿越巖溶活動強烈地層。在如此工程條件下，如何保證隧道建設(shè)及運營安全，成為工程技術(shù)人員密切關(guān)注的課題。

針對復(fù)雜巨型巖溶體系，工程中常用的處治原則主要包括“避、引、堵、穿、繞、跨”[1]。“避”是指設(shè)計中對那些穿越困難、工程量大的溶洞區(qū)，首選避開，不能避開時，則盡量以大角度穿越；“引”是指引流溶洞水，溶洞水大量涌入坑道會給施工帶來危害，引離溶洞水應(yīng)避免巖溶地區(qū)生活、生產(chǎn)用水受到影響；“堵”是指對于停止發(fā)育、無水溶洞，應(yīng)根據(jù)其位置及填充情況，用漿砌片石、干砌片石等堵塞封閉，必要時需壓漿或用混凝土填實；“跨”是指對于不宜作堵塞處理的大溶洞，因溶洞充填松軟，不宜施作道路路基，需要修建橋梁工程跨越；“繞”是指對處理難度極大的溶洞，用迂回導(dǎo)坑繞過溶洞，使處理溶洞工程與前方隧道工程平行作業(yè)，不致延誤工期。

針對上述基本原則，對隧道穿越巨型溶洞的施工方法進行系統(tǒng)研究，施工及處置方法大致可以分為：①改線繞避；②基底處理；③巖溶水處理；④樁基、橋梁跨越。張龍等提出了鐵路隧道穿越溶洞時的改線繞避方案[2]；S.Alija等依托西班牙Gavarres隧道穿越巖溶地區(qū)的工程案例，提出了采用貧混凝土、砂漿、樹脂等材料填充空腔解決相關(guān)溶洞問題的工程方案[3]；劉艷結(jié)合工程實例對管波探測法等進行了較為詳細(xì)的介紹[4]；馬濤以宜萬鐵路穿越龍麟宮1號溶洞為背景，提出了一種“路基+明洞”跨越溶洞的方案[5]；林本濤等結(jié)合朱砂堡二號隧道穿越特大型溶巖空腔的工程實際，針對穿越溶洞時沉降控制問題，提出了一種大體積空心混凝土回填技術(shù)[6]；何佩軍依托在宜萬鐵路野三關(guān)隧道穿越大型高壓富水塊石充填型的施工背景，采用迂回繞避等綜合處理的方式穿越溶洞[7]；李庚許結(jié)合宜萬鐵路大支坪巖溶隧道突水突泥溶腔及暗河的復(fù)雜水文地質(zhì)背景，提出了一種“就地封堵+迂回繞行”的施工作業(yè)方案[8]；李學(xué)東等依據(jù)朱家?guī)r隧道特大型溶洞的工程背景，針對溶洞圍巖破碎、穩(wěn)定性差的情況，提出了一種橋梁永久性跨越溶洞的方案[9]；薛成等結(jié)合清連高速白須公隧道的工程實際，針對特大溶洞空間大、側(cè)向延伸廣，地質(zhì)軟弱帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程難題，提出了一種樁基跨越的方案[10]。

不難看出，溶洞對鐵路隧道工程建設(shè)影響巨大，其中，溶洞的復(fù)雜形態(tài)、填充物的松散特征、溶洞洞壁的局部坍落以及管道水、暗河水的沖刷，增加了工程建設(shè)的難度。鑒于此，介紹一種“暗河改道+隧道洞渣回填+隧道內(nèi)連續(xù)梁跨越”的巨型復(fù)雜溶洞處理方案，以期為類似復(fù)雜溶洞工程施工提供借鑒。

2 工程概況

某高鐵玉京山隧道位于中國云南省威信縣境內(nèi)，全長6 306 m，為雙線隧道，軌面設(shè)計坡度為30‰，隧底鋪設(shè)無砟軌道道床。隧區(qū)地處大婁山系以西，隧道最大埋深約350 m，隧址區(qū)地表多為季節(jié)性沖溝，灰?guī)r段地表多發(fā)育有漏斗、溶洞和暗河天窗，局部發(fā)育有暗河進口。該隧道是一條集瓦斯突出、巖溶強烈發(fā)育、突水涌泥等復(fù)雜地質(zhì)條件于一體的高風(fēng)險隧道。

隧道分進口、出口、橫洞3個工區(qū)同時組織開展施工，揭示的巨型復(fù)雜溶洞位于橫洞工區(qū)。隧道于溶洞大廳頂部位置穿越溶洞，溶洞沿線路方向長約93 m，垂直于線路長約230 m，高50～120 m，溶腔體積達108萬m3；溶洞底部左側(cè)坡腳發(fā)育一條寬5～15 m的暗河，水流湍急。洞壁存在局部掉塊和坍落現(xiàn)象。溶洞形態(tài)和線路關(guān)系見圖1。

3 施工難點

考慮到上述穩(wěn)定性問題，該巨型復(fù)雜溶洞處理施工過程中存在如下風(fēng)險因素。

(1)線路通過難度大

①空腔巨大：溶洞橫向?qū)挾燃s230 m，縱向跨度約93 m，頂部到底部高差50～120 m。

②與線路組合極為不利：線路軌面高程位于穹頂附近，隧道拱部嵌入穹頂，需對溶腔頂板進行縱向切槽。

(2)巖溶大廳洞壁淺層穩(wěn)定性差

①洞頂部分段落巖面較新鮮，原始狀態(tài)下近期有掉塊現(xiàn)象，影響范圍廣，縱向為100 m，橫向為200 m。

②人工擾動后掉塊嚴(yán)重，尤其受爆破震動影響。

③小里程端倒懸段整體穩(wěn)定性差，影響范圍為縱向60 m，橫向150 m，局部有開裂現(xiàn)象。掉塊區(qū)域及現(xiàn)場掉塊情況見圖2。

(3)溶洞底部充填物土層深厚

① 溶洞底部區(qū)域有大量充填物，縱向影響范圍134 m，橫向227 m，厚20～97 m。底部充填物勘探情況見圖3。

圖3 溶洞洞底碎塊石、黏土堆積體

② 充填物成分復(fù)雜，表層為0～15 m厚的硬塑狀黏土，其下為溶洞洞壁坍落形成的碎石土，局部為軟塑狀黏土，土質(zhì)不純。

(4)溶洞底部充填物穩(wěn)定性差

① 堆積物從線路右側(cè)頂部到暗河底部呈一個上緩下陡的斜面，坡度為15°～35°，結(jié)合觀測結(jié)果及天然狀態(tài)穩(wěn)定性檢算分析，穩(wěn)定性系數(shù)在0.9～1之間，斜坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

② 底部暗河和周邊支管道水反復(fù)波動、沖刷，對斜坡穩(wěn)定性影響巨大，存在整體失穩(wěn)風(fēng)險。

③ 堆積層上加載會進一步加大穩(wěn)定性風(fēng)險。只要有在堆積體上發(fā)生工程活動，極有可能導(dǎo)致失穩(wěn)。

(5)巖溶大廳水系復(fù)雜，主暗河下游消水能力有限，對底部充填物及工程構(gòu)筑物的沖蝕風(fēng)險較大。暗河現(xiàn)場勘探情況見圖4。

圖4 溶洞洞底暗河情況

4 主要研究過程和技術(shù)路線

4.1 總體研究思路

受“溶腔淺層洞壁穩(wěn)定性差+底部深厚充填層+地下暗河寬大且水流湍急”等多種施工不利因素疊加影響，造成該工程施工難度大，安全質(zhì)量風(fēng)險高，人員設(shè)備保護難度大，工期、成本難以控制，對此，采取了以下總體研究思路(見圖5)。

圖5 玉京山隧道溶洞工程施工總體研究思路

4.2 溶洞工程處理方案研究比選與實施

該隧道巨型復(fù)雜溶洞施工處理方案研究比選與實施過程主要分為3個階段，各階段主要情況如下。

(1)方案研究比選階級

初期踏勘后，主要開展了以路基、橋梁、隧道等多種方式跨越巖溶大廳初步方案的比選研究，各方案優(yōu)缺點見表1。經(jīng)綜合研究分析，各種穿越方案都需要對溶洞大廳進行回填，故提出了多通道輔助坑道回填溶洞方案。溶洞大廳回填過程中，溶洞頂部存在間斷掉塊現(xiàn)象，為確保安全，需對溶洞大廳回填方案進行研究調(diào)整[12-16]。

表1 穿越巖溶大廳各比選方案優(yōu)缺點分析

(2)方案實施與研究調(diào)整階段

針對回填過程中溶洞頂部存在間斷掉塊現(xiàn)象，提出將回填至線路設(shè)計高程方案調(diào)整為溶洞滿填方案，通過回填體支撐溶洞洞壁及穹頂，減小淺層圍巖損傷。溶洞滿填完成后，穿越溶洞大廳方案研究提出為“溶洞頂板錨索及錨網(wǎng)噴防護+回填體路塹式開挖防護+橋梁跨越”方案。在溶洞頂板開挖支護過程中多次出現(xiàn)掉塊情況，通過現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)進口工區(qū)、橫洞工區(qū)溶洞頂板均有不同程度的裂縫出現(xiàn)。經(jīng)研討，認(rèn)為溶洞頂板有繼續(xù)發(fā)生掉塊的可能性。從線路運營長期安全角度考慮，認(rèn)為“頂板錨索及錨網(wǎng)噴防護+橋梁跨越+輕型棚洞”方案不能保證拱部巖體的穩(wěn)定性，對施工與運營帶來較大的安全隱患。因此，有必要對跨越方案進行深入一步研究調(diào)整。

(3)方案深入研究

結(jié)合前兩階段方案實施過程中本溶洞工程體現(xiàn)的特點及控制因素，認(rèn)為“錨索+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合加固手段對溶洞頂板整體穩(wěn)定性控制仍起到關(guān)鍵作用。在此基礎(chǔ)上，為提高隧道穿越溶洞的安全保障力度，提出將穿越溶洞大廳方案調(diào)整為“回填體暗挖+橋梁跨越”，通過設(shè)置暗挖隧道永久性襯砌結(jié)構(gòu)保護橋梁與軌道的運營安全，最終研究提出 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護+連續(xù)梁跨越”的綜合施工方案，安全穿越了溶洞，并可確保線路運營長期安全穩(wěn)定。

5 總體方案

玉京山隧道巨型復(fù)雜溶洞穿越施工研究經(jīng)過3個階段，經(jīng)反復(fù)論證與實踐，為確保線路運營的長期安全，最終形成“暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護+連續(xù)梁跨越”的處理方案。

(1)暗河改道

新增泄水洞對溶洞坡腳暗河進行繞移改道，以消除暗河水對溶洞回填體及工程結(jié)構(gòu)沖刷引起的不良影響。

(2)溶洞滿填

合理利用隧道棄渣滿填溶洞，為溶洞頂板處理提供作業(yè)平臺，也為溶洞洞壁的后期穩(wěn)定提供支撐，同時減少土地占用。

(3)穹頂支護

溶洞頂板采用“錨索+錨網(wǎng)噴鋼纖維混凝土”綜合防護技術(shù)，從總體上解決巨型溶洞頂板圍巖長期穩(wěn)定的難題。

(4)回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護

采取回填體內(nèi)暗挖432 m2超大斷面隧道，并設(shè)置襯砌結(jié)構(gòu)防護。襯砌結(jié)構(gòu)采用錨網(wǎng)噴初期支護，噴C30混凝土，厚40 cm，采用全環(huán)HW500 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼鋼架，縱向間距為0.5 m/榀。襯砌結(jié)構(gòu)位于溶洞回填體內(nèi)，錨桿采用φ42 mm鋼花管(壁厚3.5 mm)，長5 m，錨桿間距均為1 m×1 m(環(huán)×縱)，鋼筋網(wǎng)采用φ8 mm鋼筋，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm。以確保線路運營長期安全穩(wěn)定。

(5)連續(xù)梁跨越

采用橋梁跨越溶洞，避免因回填體沉降導(dǎo)致無砟軌道線路下沉，而造成線路運營危害。

6 實施效果

通過研究比選，最終提出并實施 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護+連續(xù)梁跨越”的綜合施工方案，安全穿越了溶洞，并可確保線路運營長期安全穩(wěn)定。實施效果見圖6。至2022年6月，該隧道已開通運營兩年多的時間，隧道運營狀況良好。

圖6 橋梁-隧道結(jié)構(gòu)跨越溶洞工程效果

7 結(jié)論與建議

針對玉京山隧道穿越巨型暗河復(fù)雜溶洞工程，介紹“暗河改道+溶洞滿填+橋梁跨越+隧道襯砌防護”的總體施工方案。其中，通過新增泄水洞對溶洞坡腳暗河進行繞移改道，既維持了原地下水的徑流，也避免了對溶洞充填物及回填體的沖刷；合理利用隧道棄渣滿填溶洞，既保證了溶洞腔壁，特別是穹頂?shù)姆€(wěn)定，也避免了隧道棄碴對環(huán)境的影響；橋梁跨越，基礎(chǔ)建立在溶洞外的基巖上，避免了溶腔充填物和回填體沉降對線路的影響，確保了高速鐵路運營安全；在橋梁結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置隧道襯砌防護，保障了橋梁的安全，確保了鐵路線路不受溶洞變化的影響。

在本工程方案討論與實施應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，穹頂洞壁掉塊坍塌、底部充填物滑塌、施工中巖溶水突涌等多為高風(fēng)險事件，在處理方案比選研究過程中應(yīng)重點考慮。施工前先可通過現(xiàn)場補勘、三維激光輪廓掃描重構(gòu)等方法與手段，揭示溶洞工程空間尺寸、位置關(guān)系及發(fā)育特征；再根據(jù)巖溶發(fā)育特征勘探結(jié)果，結(jié)合數(shù)值計算分析，對溶洞工程穩(wěn)定性進行評價，對風(fēng)險等級進行劃分，及時采取針對性施工措施與防護措施，以提高工作效率，保障施工安全。