周關(guān)學(xué) 曾 誠 付開隆

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

安順至六盤水鐵路(簡稱“安六鐵路”)是貴州省第一條城際鐵路，也是六盤水市至貴陽市的快速鐵路通道，運(yùn)營線路長度為124.65 km，設(shè)計(jì)速度為250 km/h[1]。

安六鐵路穿越云貴高原，沿長江水系與珠江水系分水嶺山脊線行走[2]，線路以25‰上坡由六枝溶蝕平原爬行到水城高原盆地，工程以短隧、淺埋隧道為主，淺表豎向巖溶發(fā)育，隧道施工開挖中易出現(xiàn)豎向發(fā)育的空溶洞。

近年來，許多學(xué)者提出，工程地質(zhì)測繪和巖溶水垂直分帶是指導(dǎo)巖溶區(qū)選線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[3]，巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察應(yīng)開展隧道涌水、突泥及大型溶洞等災(zāi)害的分析評估[4]。貴陽樞紐胡家坡隧道隧底溶洞采用混凝土回填處理[5]；宜萬鐵路下村壩隧道隧底大型半充填溶洞采用樁基結(jié)構(gòu)跨越溶洞[6]；宜萬鐵路龍麟宮1號(hào)大型溶洞采用“路基強(qiáng)夯+注漿加固”處理[7]；滬昆客專朱砂堡二號(hào)以及安六鐵路對門寨隧道采用“棄渣+C20混凝土”分層間隔回填處理隧底大型空溶腔[8-9]。以下基于前人的研究，對安六鐵路茨沖一號(hào)隧道大型溶洞形態(tài)勘察及處理技術(shù)進(jìn)行研究。

1 溶洞所處的巖溶地質(zhì)環(huán)境

1.1 地層巖性與地貌特征

安六鐵路位于云貴烏蒙山區(qū)，為侵蝕構(gòu)造低中山地貌。測區(qū)地面高程1 560～2 084 m，相對高差524 m，地形綿延起伏，山梁與深谷相間分布，基巖多裸露。

隧址區(qū)主要穿過石炭系地層，為石炭系上統(tǒng)馬平群和中統(tǒng)黃龍群石灰?guī)r地層。隧道進(jìn)口DK95+730～DK96+017段為石炭系中統(tǒng)黃龍群淺灰色厚層塊狀致密灰?guī)r夾生物灰?guī)r及鮞狀灰?guī)r。

茨沖一號(hào)隧道進(jìn)口里程為DK95+175，出口里程為DK96+645，全長1 470 m，為雙線隧道。進(jìn)口DK95+730～DK96+017段為石炭系中統(tǒng)黃龍群淺灰色厚層塊狀致密灰?guī)r，DK95+730開始出現(xiàn)溶洞，DK96+017溶洞群結(jié)束。揭示主要溶洞發(fā)育段有：DK95+730～DK95+785、DK95+794～DK95+805、DK95+945～DK96+017，各溶洞內(nèi)均發(fā)育多個(gè)支洞，溶洞內(nèi)幾乎無充填物，溶洞空間較大，隧道洞身及隧底多位于大型溶洞內(nèi)。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)處于黔西山字形構(gòu)造體系前弧西翼的主干構(gòu)造白泥濫壩向斜內(nèi)，位于南丹—紫云—六盤水大斷裂北側(cè)，是揚(yáng)子板塊南緣內(nèi)陸較大的斷裂，控制著周圍地區(qū)盆地沉積和構(gòu)造樣式，為逆沖和走滑斷裂。受區(qū)域斷裂構(gòu)造影響，該段地層倒轉(zhuǎn)，為老地層石炭系中統(tǒng)黃龍群傾覆于新地層石炭系上統(tǒng)馬平群之上。單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀為N10～20°W/50～65°NE，兩組張性節(jié)理為E-W/65～85°S和S-N/50～70°W。在一定巖溶化作用下，形成巖溶裂隙及巖溶管道，控制測區(qū)的地下水流向[10-11]。

1.3 水文地質(zhì)

(1)區(qū)域水文地質(zhì)條件

隧區(qū)位于長江水系與珠江水系分水嶺之南側(cè)約3 km，南側(cè)為珠江水系北盤江流域，以牂牁江為最低點(diǎn)。倒轉(zhuǎn)背斜軸部縱向張裂隙極為發(fā)育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，南翼地下水自北向南徑流，在南丹—紫云—六盤水大斷裂形成陡崖及深切溝谷底部，由三疊系下統(tǒng)碎屑巖巖組與相鄰灰?guī)r地層的接觸地帶出現(xiàn)地下暗河的露頭、巖溶大泉及暗河口。

(2)巖溶水的補(bǔ)給、徑流、排泄

地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水較豐富。隧區(qū)巖溶水主要發(fā)育于石炭系中統(tǒng)黃龍群淺灰色厚層塊狀致密的灰?guī)r中，地表巖溶形態(tài)發(fā)育，以槽谷、洼地、漏斗、落水洞、豎井為主，雨季時(shí)地表水向槽谷、洼地匯集，由落水洞、豎井下滲到地下，通過豎向的巖溶管道及溶蝕裂隙下滲補(bǔ)給地下暗河[12]。

該隧線路右側(cè)DK95+400～DK96+200段地表沖溝、洼地及塌陷坑發(fā)育，洼地長約200 m，寬約50 m，洼地內(nèi)塌陷坑較多，陷坑直徑3～5 m，可見深度4～8 m。該段地表植被發(fā)育，大氣降雨及地表水匯入洼地、落水洞及塌陷坑后，沿節(jié)理和巖層面滲入地下，呈現(xiàn)地下暗河或巖溶管道水[13]，在DK95+430和DK96+165處隧底以下30～50 m穿越線路，暗河在線路左側(cè)1 200 m的猴兒關(guān)峽谷的陡崖腳以巖溶大泉出露，流量約39.6 L/s，泉點(diǎn)與鐵路高差約300 m，計(jì)算水力坡度i=250‰，隧道位于地下水垂直入滲帶內(nèi)。茨沖一號(hào)隧道水文地質(zhì)情況見圖1。

2 加深巖溶隧道施工地質(zhì)工作

加深巖溶隧道施工地質(zhì)工作有：溶洞形態(tài)測量、隧底巖溶物探探測、結(jié)合物探異常和溶洞處理工程進(jìn)行地質(zhì)鉆探，以及補(bǔ)充洞內(nèi)和地表巖溶地質(zhì)測繪等[14]。

2.1 溶洞形態(tài)測量

圖1 測區(qū)茨沖一號(hào)隧道水文地質(zhì)情況

在確保安全的條件下，首先進(jìn)行溶洞形態(tài)測量，測量成果有：溶洞頂部、中部、底部平面，隧道左邊墻、左中線、右中線及右邊墻縱斷面，以及溶洞主軸方向縱斷面，還包括隧道每5 m間距的溶洞橫斷面等。

2.2 隧底巖溶物探探測

采用地震映像法及地質(zhì)雷達(dá)法對隧底隱伏巖溶進(jìn)行物探探測，沿線路方向分別在隧道左軌道中心、中心水溝左側(cè)(右側(cè))0.5 m和右軌道中心位置布置3條物探測線，必要時(shí)補(bǔ)充橫斷面物探測線。

2.3 隧底巖溶地質(zhì)鉆探

對隧底巖溶物探探測異常點(diǎn)，結(jié)合隧底可見溶洞形態(tài)進(jìn)行第一次地質(zhì)鉆探，鉆孔采用20 m間距布置，掌握隧底溶洞形態(tài)特征后，隧道專業(yè)結(jié)合溶洞形態(tài)確定處理方案，地質(zhì)專業(yè)根據(jù)樁位及基礎(chǔ)類型進(jìn)行第二次地質(zhì)鉆探，鉆孔布置于樁基位置，查明隧底溶洞處理工程的樁基埋置深度，溶洞處理中需要加強(qiáng)地質(zhì)驗(yàn)基、驗(yàn)槽，以確保樁基嵌巖深度及承載力滿足要求。

2.4 補(bǔ)充巖溶地質(zhì)調(diào)繪

調(diào)繪地表巖溶形態(tài)和地表水補(bǔ)給、徑流和排泄情況；調(diào)繪隧道內(nèi)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和層理、節(jié)理產(chǎn)狀；觀測洞內(nèi)地下水位及水量變化情況，測量溶腔壁歷史水位線，對溶洞穩(wěn)定性及地下水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。

3 溶洞的基本特征

3.1 DK95+730～+785段

(1)溶洞調(diào)繪及形態(tài)測量

DK95+730～DK95+785段地層巖性為石炭系中統(tǒng)黃龍組淺灰色厚層塊狀灰?guī)r，弱風(fēng)化，測得巖層產(chǎn)狀為N20°W/60°NE。DK95+730下臺(tái)階隧底施工中左側(cè)邊墻底向外、向上、向前發(fā)育的溶洞口，與DK95+760掌子面右側(cè)拱腳和拱頂溶洞、DK95+769掌子面右側(cè)拱頂溶洞、DK95+772右側(cè)拱腰溶洞、DK95+778右側(cè)邊墻腳溶洞、DK95+780右側(cè)邊墻溶洞、DK95+782右側(cè)邊墻溶洞、DK95+785左側(cè)拱頂溶洞為同一個(gè)溶洞群，無充填物，洞壁穩(wěn)定，洞頂、洞底多見鐘乳石發(fā)育，僅DK95+785掌子面左邊墻處有小股狀水流出，出水量約10 m3/d。DK95+780右側(cè)邊墻溶洞形態(tài)見圖2。

圖2 DK95+780溶洞形態(tài)

(2)隧底巖溶物探探測及地質(zhì)鉆探

地質(zhì)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)，該溶洞洞頂高程1 842.71 m，溶洞底部最低高程1 808.12 m，溶洞高5～34 m，為空溶洞，該溶洞在隧底發(fā)育深5～20 m。

(3)溶洞形態(tài)基本特征

DK95+730～DK95+785隧底下為大溶洞，隧底以下溶洞發(fā)育深5～20 m，隧底溶洞貫穿整個(gè)橫斷面，其中，DK95+730～DK95+750段溶洞延伸出左側(cè)邊墻，沿邊墻溶洞垂直高度約6 m，邊墻輪廓線外水平延長深度2～5 m；DK95+750～DK95+785段溶洞延伸出右側(cè)邊墻及右拱頂，沿邊墻溶洞垂直高度約為6～15 m，拱頂以上溶洞高2～5 m，邊墻輪廓線外水平延長深度為0～4 m。

3.2 DK95+794～DK95+905溶洞的基本特征

(1)溶洞調(diào)繪和形態(tài)測量

地層巖性為石炭系中統(tǒng)黃龍組淺灰色厚層塊狀灰?guī)r，弱風(fēng)化，巖層產(chǎn)狀N20°W/60°NE。

圖3 DK95+805溶洞形態(tài)

①DK95+805左側(cè)拱腳揭示的溶洞大廳向左、向前發(fā)育，溶洞底部斜向右下方(向隧底)發(fā)育，向大里程方向長約15 m，垂直邊墻向左寬約15 m，高3～13 m，向左側(cè)約15 m(大廳邊緣)垂直向下發(fā)育一個(gè)支洞，直徑約5 m，向上可見高度10 m，向下目測深度大于20 m，洞頂石鐘乳發(fā)育，有滴水現(xiàn)象，人無法進(jìn)入。在左側(cè)拱腳向下約6 m向大里程方向發(fā)育長約13 m、寬約3 m、深約1.5 m的巖溶過水通道，洞頂發(fā)育大量石鐘乳，目前無地下水。DK95+805左側(cè)溶洞形態(tài)見圖3。

②DK95+836右側(cè)拱腰至拱腳揭示近圓形的溶洞口，直徑約5 m，向線路前進(jìn)方向及右側(cè)各發(fā)育一個(gè)支洞，向線路前進(jìn)方向的溶洞后方可見一個(gè)溶洞大廳，沿線路方向長約15 m，高13～30 m，垂直線路方向?qū)捈s20 m，該溶洞端部向上、向下發(fā)育一個(gè)豎向溶洞，該豎向溶洞直徑約8 m，溶洞底部斜向下發(fā)育，較隧底深約16 m，洞頂比隧底高約18 m；在右側(cè)邊墻外約2 m發(fā)育的溶洞直徑約7 m，洞頂發(fā)育鐘乳石，有滴水現(xiàn)象，溶洞底部沉積有薄層淤泥，厚約50 cm，溶洞壁穩(wěn)定，未見地下水。

③DK95+852～DK95+858段拱頂向前、向上發(fā)育一空溶洞，沿線路方向長約6 m，環(huán)向?qū)捈s8 m，拱頂輪廓線以外高約7 m，無充填物，洞壁穩(wěn)定，有滴水現(xiàn)象。

④DK95+865掌子面發(fā)育一個(gè)豎向空溶洞，沿線路方向長約15 m，環(huán)向?qū)捈s7 m(從左側(cè)拱腳內(nèi)側(cè)約2 m處至隧道中線位置)，拱頂輪廓線以上可見高度約15 m，頂部形態(tài)多樣，可見多個(gè)小支洞，有滴水現(xiàn)象。

⑤DK95+885線路左側(cè)拱腰揭示一個(gè)溶洞，沿線路方向長約4 m，環(huán)向?qū)挾燃s6 m，拱頂輪廓線以上可見高約7 m，洞壁穩(wěn)定，有滴水現(xiàn)象。該段溶洞旱季無地下水，雨季時(shí)出水量約100 m3/h。

(2)隧底巖溶物探探測及地質(zhì)鉆探

地質(zhì)補(bǔ)勘揭示，該溶洞頂面高程為1 851.83 m，溶洞底部最低高程為1 784.80 m，溶洞一般高5～30 m，個(gè)別段落溶洞高67 m，為空溶洞，該溶洞在隧底發(fā)育深度為5～45 m。

(3)溶洞形態(tài)基本特征

DK95+794～+814段隧道中心至左側(cè)邊墻隧底為溶洞，隧底以下溶洞發(fā)育深度15 m，溶洞順巖層面發(fā)育延伸出左側(cè)邊墻外18 m；DK95+814～+860段隧底全為溶洞，隧底以下溶洞發(fā)育深度3～8 m，溶洞向兩側(cè)邊墻發(fā)育，并延伸出邊墻外，邊墻位置可見溶洞高度3～10 m；DK95+860～+880段發(fā)育豎向“V”形溶洞，并貫穿拱頂至隧底，拱頂以上溶洞發(fā)育高度約18 m，隧底以下發(fā)育深度約45 m，溶洞橫斷面寬度約7 m；DK95+880～+905段隧底以下全為溶洞，溶洞順層理由左側(cè)邊墻向右側(cè)邊墻腳發(fā)育，并延伸出右邊墻外，延伸出右邊墻外長度約50 m，隧底下溶洞發(fā)育深度約9 m。

3.3 DK95+945～DK96+017段

(1)溶洞調(diào)繪和形態(tài)測量

進(jìn)口上臺(tái)階施工至掌子面DK95+968時(shí)，掌子面中部揭示一溶洞口，洞口寬約7 m，高約4 m，溶洞口向大里程發(fā)育溶洞大廳，大廳沿線路方向可見長度約37 m，橫斷面方向?qū)捈s26 m，隧底以下可見深度約18 m，洞壁為石炭系中統(tǒng)黃龍組厚層狀塊狀灰?guī)r，弱風(fēng)化，測得巖層產(chǎn)狀為N20°W/60°NE，洞壁較穩(wěn)定，洞頂穩(wěn)定性差，有少量鐘乳石，未見地下水及流水聲。DK95+987溶洞形態(tài)見圖4。

圖4 DK95+987溶洞形態(tài)

該段溶洞拱頂以上發(fā)育高度2～6 m，溶洞頂面較平整、延伸較遠(yuǎn)、跨度較大，溶洞洞頂穩(wěn)定性差，施工開挖中易發(fā)生坍塌，其中，DK95+968～DK96+005溶洞頂部發(fā)生巖體坍塌，塌腔沿縱向長約37 m，環(huán)向?qū)捈s17 m，塌落厚度約1.5 m。溶洞頂坍塌情況見圖5。

圖5 DK95+987～DK96+001溶洞頂部坍塌

(2)隧底巖溶物探探測及地質(zhì)鉆探

地質(zhì)補(bǔ)勘揭示，該溶洞頂面高程為1 846.26 m，溶洞底最低高程為1 813.30 m，溶洞高5～33 m，隧底以下溶洞發(fā)育深2～18 m，為空溶洞，洞底見有少量塊石及軟塑狀黏土。

(3)溶洞形態(tài)基本特征

DK95+945～DK96+017段隧道穿越大型溶洞，隧底以下溶洞發(fā)育深度2～18 m，溶洞向兩側(cè)發(fā)育，并延伸出左側(cè)、右側(cè)邊墻輪廓線外水平深度2～15 m，隧道拱頂以上溶洞高度2～6 m。1號(hào)～3號(hào)溶洞分布以及與隧道的位置關(guān)系見圖6。

圖6 溶洞分布以及與隧道的位置關(guān)系

4 溶洞處理措施設(shè)計(jì)

結(jié)合洞身溶洞特征及水文地質(zhì)條件，確定溶洞綜合整治措施方案[15]：隧道洞身采用混凝土護(hù)拱、護(hù)墻及C20混凝土回填，易坍塌拱部加強(qiáng)防護(hù)；隧底采用樁筏結(jié)構(gòu)、“橫向托梁+筏板”跨越和C25混凝土換填或回填等處理，并加強(qiáng)隧道引排水，確保地下暗河及巖溶管道過水暢通的溶洞處理措施，各段處溶洞處理措施設(shè)計(jì)如下。

4.1 隧道洞身巖溶處理

(1)DK95+730～DK95+785段洞身溶洞處理

該段洞身外側(cè)的空溶腔發(fā)育深度范圍均較小，邊墻及拱部輪廓線外側(cè)溶洞深度一般都小于5 m，故該段洞身外側(cè)小溶腔采用C20混凝土回填。

(2)DK95+794～DK95+905段洞身溶洞處理

①對DK95+794～DK95+806段等5處隧道洞身外側(cè)小溶腔，采用C20混凝土回填密實(shí)。

②對DK95+806～DK95+814段等5處隧道洞身外側(cè)大溶腔，采用設(shè)2～3 m厚C20混凝土護(hù)墻，為了確保該溶腔壁穩(wěn)定，對該溶腔壁采用錨網(wǎng)噴防護(hù)加固處理，巖溶整治典型斷面見圖7。

(3)DK95+945～DK96+017段洞身溶洞處理

①該溶洞小里程端拱部及邊墻發(fā)育的小溶腔以及初期支護(hù)背后與溶洞壁間空洞范圍采用C20混凝土回填。

②該溶洞大里程端兩側(cè)邊墻發(fā)育的較大空溶腔采用施作厚度不小于3 m的C20混凝土護(hù)墻或采用C20混凝土回填[16]。

圖7 DK95+806～+814段巖溶整治典型斷面(單位：cm)

③該溶洞中部DK95+987～DK96+005段溶洞空腔較大，且溶洞頂易發(fā)生大面積坍塌剝落，采用I25a型鋼鋼架于初支外設(shè)置套拱、鋼架間距1 m，型鋼套拱拱部盡量與巖面密貼，鋼架拱部與巖面間采用噴射C25混凝土回填密實(shí)；套拱施做完成后對拱部120°范圍施做錨網(wǎng)噴防護(hù)，錨桿采用φ25 mm砂漿錨桿，錨桿間距1 m×1 m，長4～8 m；每榀I25a型鋼鋼架拱腳各設(shè)2根12 m長φ32 mm中空注漿錨桿；初支與套拱間空洞采用C20混凝土回填密實(shí)。該段溶洞整治典型斷面見圖8。

圖8 DK95+987～DK96+005段巖溶整治典型斷面(高程單位：m；其余：cm)

4.2 隧底巖溶處理

(1)隧底巖溶發(fā)育較深的段落采用樁筏結(jié)構(gòu)

DK95+725～DK95+776等5段隧底以下巖溶發(fā)育深度較大的段落采用樁筏結(jié)構(gòu)處理，樁基樁徑1.50 m，樁橫向間距4.5～5.0 m、縱向間距3.5 m，共設(shè)136根樁基，采用C35鋼筋混凝土的不等長嵌巖樁，樁長4～25 m，樁底嵌入基巖深度不小于2 m。邊墻外護(hù)墻底位于溶洞內(nèi)的段落，采用φ76 mm鋼花管注漿。

(2)隧底巖溶發(fā)育較淺的段落采用C25混凝土換填或回填

DK95+776～DK95+786等3段隧底以下巖溶發(fā)育深度較淺的段落采用C25混凝土換填或回填處理，換填深度要求進(jìn)入基巖不小于0.5 m。

(3)隧底巖溶發(fā)育呈深“V”形段落采用“橫向托梁+筏板”跨越

DK95+866～+883段豎向溶洞發(fā)育呈“V”形，隧底以下發(fā)育深度達(dá)45 m，橫斷面寬度約7 m，采用“橫向托梁+1.5 m厚筏板”跨越通過，垂直于線路方向設(shè)4處托梁，托梁截面尺寸1.2 m(寬)×3 m(高)，托梁長13～16 m，該段溶洞整治典型斷面見圖9。

圖9 DK95+866～+883段巖溶整治典型斷面(高程單位：m；其余：cm)

4.3 引排水措施

(1)為加強(qiáng)溶洞段地下水引排，采用φ50 mm環(huán)向盲管加密設(shè)置，并且中心水溝與側(cè)溝連接處設(shè)φ100 mm PVC橫向?qū)埽v向間距加密至5 m。

(2)中心水溝設(shè)置φ110 mm豎向泄壓管(HDPE波紋管)，縱向間距3～3.5 m，泄壓管下端應(yīng)伸入隧底溶腔中不小于50 cm，泄壓管上端管口距離中心水溝溝底60 cm。

(3)仰拱初支與仰拱間設(shè)置隧底環(huán)向φ50 mm盲管(外裹無紡布)，盲管直接引入側(cè)溝，縱向間距3 m。

(4)兩邊墻腳于縱(環(huán))向盲管出水口之間，按縱向間距不大于1 m設(shè)置1道泄水孔，泄水孔直徑不小于110 mm。

5 結(jié)語

(1)隧道施工揭示溶洞后，可采用溶洞形態(tài)測量、隧底巖溶物探探測、結(jié)合物探異常和溶洞處理工程的地質(zhì)鉆探，以及補(bǔ)充巖溶地質(zhì)測繪等加深地質(zhì)工作，準(zhǔn)確勘察溶洞形態(tài)特征，為溶洞整治設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。

(2)隧道洞身揭示的溶洞可采用混凝土護(hù)拱、護(hù)墻及混凝土回填等措施，易坍塌拱部應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)；隧底巖溶采用樁筏結(jié)構(gòu)、“橫向托梁+筏板”跨越和混凝土回填等處理，并加強(qiáng)隧道引排水措施。

(3)巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)期間，應(yīng)加強(qiáng)地表巖溶地質(zhì)調(diào)繪，復(fù)雜巖溶隧道應(yīng)加強(qiáng)地表巖溶物探探測及深孔驗(yàn)證鉆探工作，避免線位沿大型溶洞行走，以減少巖溶隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。