張廣澤,馮 君,崔建宏

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

高速鐵路列車運(yùn)行速度快、密度大，運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。線路高平順性是高速鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)管理的控制條件，也是有別于普速鐵路的最主要特點(diǎn)。高平順性要求高速鐵路線路曲線盡可能平滑，即線路平、縱斷面的變化盡可能平緩，由此決定了高速鐵路線路曲線半徑大，繞避不良地質(zhì)相對(duì)困難。我國(guó)巖溶總面積達(dá)346.3萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的1/3以上，主要分布于西南的貴州、云南、廣西、四川、重慶及中南的湖南、湖北、廣東等地。由于巖溶發(fā)育的不均一性、分布的隱蔽性和隨機(jī)性以及地下水動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，決定了通過復(fù)雜巖溶區(qū)的高速鐵路，場(chǎng)地穩(wěn)定性和工程適應(yīng)性差，潛在風(fēng)險(xiǎn)大，加上工程勘察難以查清，施工運(yùn)營(yíng)容易出現(xiàn)各種工程環(huán)境問題，誘發(fā)各種災(zāi)害。巖溶對(duì)隧道工程的影響尤為突出，處理難度大。高速鐵路隧道巖溶工程地質(zhì)問題主要有巖溶涌水、突泥，巨型溶洞、溶腔，洞穴堆積物，水環(huán)境破壞等。近年來(lái)，中國(guó)鐵路尤其是高速鐵路有了非常大的發(fā)展，其中東部發(fā)達(dá)地區(qū)高速鐵路具備了一個(gè)相對(duì)完善的路網(wǎng)體系，而西部山區(qū)高速鐵路發(fā)展還較為滯后，但伴隨西部鐵路尤其是高速鐵路的快速發(fā)展，不可避免地要處理復(fù)雜巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害。

鐵路隧道工程中主要有3種典型的巖溶災(zāi)害：涌水突泥、強(qiáng)巖溶化洞段圍巖失穩(wěn)及隧底大(巨)型溶洞。王喚龍[1]以云桂鐵路東風(fēng)隧道為例，提出了針對(duì)基底巖溶可采用樁+筏板基礎(chǔ)的防治措施。余慶鋒等[2]以油坊坪隧道巖溶突水為研究背景，對(duì)其突水機(jī)理展開了理論及數(shù)值計(jì)算研究，并提出了隧道不同開挖階段的防治措施。張雨露等[3]以黔桂鐵路拉岜隧道為研究對(duì)象，分析了該隧道的4處溶洞發(fā)育特征，并根據(jù)巖溶形態(tài)及充填物性質(zhì)的不同提出了不同的防治措施。張旭東等[4]以宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道為研究對(duì)象，分析了深部巖溶隧道潰水災(zāi)害特征及形成機(jī)理，提出“巖溶潰水”的概念，并提出相應(yīng)的防治措施。吳躍華等[5]通過對(duì)隧道巖溶地質(zhì)問題的闡述，提出了全環(huán)設(shè)置過水?dāng)嗝娴囊r砌防治結(jié)構(gòu)形式。曹化平等[6]通過對(duì)鐵路巖溶隧道巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件等的綜合分析，提出了鐵路隧道巖溶的防治措施，并建議了鐵路巖溶隧道工程地質(zhì)選線的原則。林國(guó)濤等[7]通過總結(jié)巖溶與隧道的位置關(guān)系，并基于力學(xué)分析的方法揭示了巖溶隧道的突泥機(jī)制和主要影響因素。本文針對(duì)高速鐵路隧道巖溶的3種典型災(zāi)害：巖溶涌水突泥、強(qiáng)巖溶化洞段圍巖失穩(wěn)及隧底大(巨)型溶洞，分別分析其致災(zāi)機(jī)理，并結(jié)合滬昆、南昆、貴廣、重慶樞紐等高速鐵路隧道工程的典型實(shí)例，對(duì)其防治技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 巖溶涌水突泥

1.1 致災(zāi)機(jī)理

巖溶涌水突泥主要與地質(zhì)構(gòu)造及施工開挖過程有關(guān)。通常，隧道巖溶突水可分為地質(zhì)因素誘發(fā)突水和非地質(zhì)因素誘發(fā)突水兩類[8-20]，由于隧道圍巖中普遍存在著節(jié)理、構(gòu)造裂隙、裂縫等地質(zhì)特征，因此地質(zhì)因素誘發(fā)突水占絕大部分。通常表現(xiàn)為地質(zhì)體失穩(wěn)形成突水通道。侵蝕性的水流在構(gòu)造裂隙中流動(dòng)使構(gòu)造裂隙不斷擴(kuò)大形成溶蝕裂隙，寬大的溶蝕裂隙繼續(xù)發(fā)展成巖溶管道，巖溶管道繼續(xù)溶蝕逐漸形成大的溶洞，出現(xiàn)涌水，并具有出水量大、分布不均、流動(dòng)迅速和集中排泄的特點(diǎn)。

隧道開挖過程中，集中水源中水壓力和開挖面至充水溶腔的距離會(huì)影響開挖面附近的水力梯度，這種水力梯度直接影響著涌水突泥的發(fā)生。隧道開挖前，巖體處于自然平衡狀態(tài)，隧道開挖擾動(dòng)了巖體，形成臨空面，并在隧道周邊形成松動(dòng)圈，導(dǎo)致原有的裂隙擴(kuò)張和新裂隙的產(chǎn)生，改變了圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和地下水的流動(dòng)狀態(tài)，加速了水循環(huán)。水循環(huán)的加速使得地質(zhì)體加速溶蝕，原有的裂隙、溶隙逐漸變大，形成溶管、溶腔，為突水涌泥的發(fā)生提供了通道。

1.2 防治技術(shù)

1.2.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

(1)防治思路

高速鐵路巖溶隧道，應(yīng)根據(jù)巖溶及巖溶水發(fā)育程度，以鉆探法為主，綜合地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁等方法，對(duì)掌子面前方巖溶發(fā)育情況、充填情況及充填物性質(zhì)，圍巖完整程度，地下水進(jìn)行預(yù)報(bào)。各種方法相互驗(yàn)證，并對(duì)各種預(yù)報(bào)成果進(jìn)行地質(zhì)綜合分析，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。實(shí)施過程中，根據(jù)預(yù)報(bào)情況及地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)報(bào)方法。

(2)工程實(shí)例

滬昆高鐵大獨(dú)山隧道位于斜坡過渡帶巖溶區(qū)，為雙線單洞隧道，全長(zhǎng)11 882 m，最大埋深約380 m。本次預(yù)報(bào)里程段屬構(gòu)造剝蝕、溶蝕中低山地貌。隧道主要穿越三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組一段(T1yn1)灰?guī)r、泥灰?guī)r。受區(qū)域構(gòu)造影響，該段斷層發(fā)育，次級(jí)斷層及褶曲較發(fā)育，巖體均較破碎，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地下水發(fā)育。

采取TSP法和地質(zhì)雷達(dá)法綜合預(yù)報(bào)，得出結(jié)論：D1K855+967～+986段右邊墻及外側(cè)位置存在溶洞、巖溶管道，富水?，F(xiàn)場(chǎng)掌子面施工至D1K855+986處時(shí)，線路右側(cè)邊墻距墻角0.8 m處發(fā)生突水，如圖1所示。水量較大，水質(zhì)渾濁，有一定壓力，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)涌水量約14.6×104m3/d，與超前預(yù)報(bào)結(jié)論吻合，驗(yàn)證了綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的可靠性。

1.2.2 注漿堵水

(1)防治思路

高速鐵路深埋巖溶隧道高水壓富水區(qū)的綜合防控，一般是先泄水，在環(huán)境或環(huán)保有特殊要求時(shí)采用注漿堵水、限量排放措施。地下水應(yīng)以堵為主，限量排放。同時(shí)，為避免隧道施工失水而影響地表水環(huán)境，可綜合超前帷幕注漿技術(shù)，將地下水排放量控制在平均≤1 m3/m·d范圍內(nèi)。

圖1 大獨(dú)山隧道D1K855+986處涌水

(2)工程實(shí)例

重慶樞紐歌樂山隧道，隧道近垂直穿越歌樂山山脈，地貌、地層特征受觀音峽區(qū)域性背斜控制，該背斜軸線近南北，與山脈走向基本一致。背斜兩翼為泥巖夾砂巖及煤系地層(隧道穿越1 600 m)，核部為三疊系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r及泥巖等可溶巖地層(隧道穿越2 450 m)。隧道最大埋深為280 m。區(qū)段地表溶蝕洼地、漏斗、落水洞、溶洞、溶溝、溶槽等現(xiàn)象強(qiáng)烈發(fā)育。地下水以巖溶水為主，且水位較高，最高水頭220 m，預(yù)測(cè)最大涌水量為5.3×104m3/d。

經(jīng)過綜合分析，認(rèn)為該隧道屬于深埋巖溶隧道，并且處于高水壓富水區(qū)，采取綜合注漿堵水的防治措施，注漿孔布置見圖2。采取措施后，通過對(duì)地表主要水源(如井、泉、暗河、水庫(kù)等)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料分析，洞內(nèi)涌水量達(dá)到了設(shè)計(jì)制定的隧道建成后地下水排放量平均≤1 m3/m·d的目標(biāo)，保護(hù)了地表水環(huán)境，驗(yàn)證了本方法的合理性。

圖2 歌樂山隧道注漿堵水注漿孔布置(單位：mm)

2 強(qiáng)巖溶化洞段圍巖失穩(wěn)

2.1 致災(zāi)機(jī)理

當(dāng)隧道穿越可溶巖，巖石的強(qiáng)烈?guī)r溶化，導(dǎo)致巖體中出現(xiàn)影響乃至控制巖體穩(wěn)定的溶蝕結(jié)構(gòu)，即溶洞。溶洞的存在會(huì)使隧道圍巖發(fā)生彎曲變形，一般高陡巖墻根部應(yīng)力場(chǎng)受溶洞和溶蝕裂隙控制明顯，坡腳溶洞對(duì)巖墻根部局部應(yīng)力場(chǎng)影響更大，溶洞周邊出現(xiàn)應(yīng)力釋放，局部應(yīng)力場(chǎng)變大。尤其是對(duì)于隱伏型溶洞，由于勘察設(shè)計(jì)階段探測(cè)其精確位置及范圍難度較大，往往會(huì)在設(shè)計(jì)階段被忽略，施工開挖時(shí)，其應(yīng)力釋放的大小和范圍難以估算，對(duì)隧道圍巖的穩(wěn)定性影響非常大。當(dāng)溶洞與隧道間巖層厚度達(dá)到臨界安全厚度時(shí)，圍巖就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生崩塌、垮塌等災(zāi)害。

2.2 防治技術(shù)

(1)防治思路

對(duì)隧道開挖中遇到的小型干溶洞、溶隙，可采用砂漿、混凝土回填封閉。對(duì)大型充填溶洞、干溶洞，可采取圬工回填、鋼管群樁、微型樁、旋噴樁進(jìn)行地基加固，確保隧道底板地基穩(wěn)定。

(2)工程實(shí)例

南昆高鐵幸福隧道，地處高原巖溶區(qū)，屬高原低中山地貌。隧道通過二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖，局部夾煤線。地表巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，以溶蝕洼地、落水洞、溶穴(隙)、溶槽為主，地下巖溶以層間溶隙為主。隧道多處于巖溶垂直滲流帶，部分處于水平流動(dòng)帶。

圖3 幸福隧道DK537+653掌子面溶洞充填物

圖4 幸福隧道DK537+680掌子面溶洞充填物

隧道DK537+640～+755段施工揭示為充填型溶洞，掌子面溶洞充填物為黏土及角礫碎石土(圖3、圖4)，厚0～20 m。其中黏土呈軟塑～硬塑狀，夾20%～30%碎石角礫，局部含量達(dá)50%，局部夾塊石。溶洞充填物軟硬不均，物質(zhì)成分不均，可能引起基底不均勻沉降，對(duì)工程影響大。經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，該段隧底采用微型樁支承道床板與鋼花管注漿改良地層方案，動(dòng)荷載由道床支撐結(jié)構(gòu)承擔(dān)，靜荷載由鋼花管注漿改良地層承擔(dān)。如圖5、圖6所示。

圖5 幸福隧道DK537+640～DK537+755段充填溶洞示意(單位：mm)

圖6 幸福隧道DK537+640～DK537+755段充填溶洞微型樁加固示意(單位：cm)

3 隧底大(巨)型溶洞

3.1 致災(zāi)機(jī)理

區(qū)別于小型溶腔，隧道底部大(巨)型溶洞造成的災(zāi)害更大。大(巨)型溶洞的形成，往往受巖溶層組類型、構(gòu)造、地下暗河等控制。隧道工程中，底部大(巨)型溶洞明顯地沿褶皺軸向、縱向張裂隙、橫向張裂隙、層間裂隙延伸發(fā)育或者發(fā)育于兩組強(qiáng)勢(shì)裂隙的交匯處。同時(shí)，大(巨)型溶洞的形成也與大型暗河系統(tǒng)有關(guān)，多發(fā)育于大型暗河與支暗河交匯區(qū)，排泄基面強(qiáng)烈下切的河流交匯處等水流交替活動(dòng)強(qiáng)烈地帶。

3.2 防治技術(shù)

(1)防治思路

對(duì)大(巨)型充填、干溶洞，地基加固處理措施困難，或難于滿足沉降要求時(shí)，可采用空心柱混凝土回填、橋梁跨越、樁基框架結(jié)構(gòu)或樁筏結(jié)構(gòu)等措施。

(2)工程實(shí)例

成貴高鐵玉京山隧道地處斜坡過渡帶巖溶區(qū)，D3K279+515～D3K280+310段穿越二疊系下統(tǒng)棲霞茅口組(P1q+m)灰?guī)r，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。2016年7月23日，橫洞工區(qū)正洞大里程端D3K279+948開挖揭示一巨型溶洞，隧道靠近該巖溶大廳頂部通過。巖溶大廳底部縱向長(zhǎng)約93 m，橫向?qū)捈s230 m，溶洞呈“蜂巢”狀，高50～90 m，底部呈15°緩坡接35°陡斜坡向下發(fā)育，如圖7、圖8所示。巖溶大廳底部為溶洞垮塌及充填物，表層為軟塑狀黏土及大型孤石，直徑1～15 m，下部為中密～密實(shí)狀碎塊石土，局部夾軟黏土透鏡體，總厚度30～97 m。在線路左側(cè)巖溶大廳斜坡底部發(fā)育暗河，與線路在D3K280+020處呈約70°斜交，由線路右側(cè)向左側(cè)排泄，暗河水面距隧道軌面高差約120 m。暗河沿巖層走向發(fā)育，形態(tài)呈S形，存在分支及多處高位干溶洞，巖溶大廳內(nèi)暗河流量5～21 m3/s，暗河出口總流量50～70 m3/s。巨型巖溶洞穴及暗河與隧道位置關(guān)系見圖9。

圖7 巖溶大廳中上部

圖8 巖溶大廳下部

根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)情況，對(duì)該巨型溶洞采用暗河改道(泄水洞)、溶洞大廳回填、溶洞大廳頂板及洞壁防護(hù)、橋梁跨越的總體方案。

①泄水洞(暗河改道)

于距暗河水流方向右側(cè)，距暗河洞壁不小于30 m設(shè)迂回泄水洞，將溶洞大廳范圍暗河段進(jìn)行改道。泄水洞全長(zhǎng)450 m，坑底綜合坡度為1.41%。暗河水面距隧道軌面高差約120 m，為施工泄水洞，于隧道橫洞內(nèi)增設(shè)2號(hào)通道，全長(zhǎng)1325 m。泄水洞施工完成后，對(duì)暗河上游溶洞大廳入水口首先進(jìn)行封堵，將暗河上游水截排至泄水洞內(nèi)，引至暗河下游排出。

②溶洞大廳回填

在將溶洞大廳線路左側(cè)坡腳暗河改道完成后，進(jìn)行溶洞大廳分層回填?？紤]1008 m高程以下范圍主要位于溶洞大廳暗河段，目前可見溶洞底部990 m高程近期曾出現(xiàn)有暗河水上漲浸漫痕跡，且大廳內(nèi)發(fā)育有裂隙水、巖溶管道水，為保證溶洞大廳底部排水通暢，1008 m高程以下范圍采用塊石回填，塊徑不小于30 cm。

③溶洞大廳頂板及洞壁防護(hù)

考慮溶洞大廳洞壁整體穩(wěn)定，局部存在不穩(wěn)定楔形掉塊，掉塊最大徑向深度為15 m，對(duì)未回填范圍洞壁永久防護(hù)采用錨網(wǎng)噴+錨索措施，以達(dá)到加強(qiáng)洞壁整體穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生松弛掉塊。

④橋梁跨越

隧道通過巖溶大廳段采用(38+108+38) m短邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通過(圖9)；隧道在結(jié)合橋梁施工、檢修需要的基礎(chǔ)上，采用直邊墻襯砌的隧道結(jié)構(gòu)。

圖9 超短邊跨連續(xù)梁跨越巖溶大廳縱斷面(單位：m)

綜合以上4種處治方法，玉京山隧道的巖溶災(zāi)害得到了控制，并最終完成了工程設(shè)計(jì)及施工。

4 結(jié)論

復(fù)雜巖溶區(qū)高速鐵路隧道建設(shè)遇到的工程地質(zhì)問題復(fù)雜多樣，處理不當(dāng)將誘發(fā)巖溶地質(zhì)災(zāi)害，危害嚴(yán)重。結(jié)合滬昆高鐵、重慶樞紐及成貴高鐵的典型實(shí)例，綜合分析了涌水突泥、強(qiáng)巖溶化洞段圍巖失穩(wěn)及隧底大(巨)型溶洞3類災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)，得到以下結(jié)論。

(1)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能發(fā)揮多種預(yù)報(bào)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，并能根據(jù)預(yù)報(bào)情況及地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)調(diào)整其預(yù)報(bào)方法，是預(yù)防巖溶隧道涌水突泥災(zāi)害發(fā)生的有效手段。

(2)隧道超前帷幕注漿、徑向注漿堵水是高速鐵路巖溶隧道中環(huán)境敏感區(qū)高壓富水綜合有效的防控技術(shù)。

(3)集成創(chuàng)新了巖溶隧道底部大(巨)型溶洞的空心柱混凝土回填、橋梁跨越、樁基框架結(jié)構(gòu)、樁筏結(jié)構(gòu)等綜合處理技術(shù)和強(qiáng)巖溶化洞段圬工回填、鋼管群樁、微型樁、旋噴樁等圍巖加固技術(shù)。