龍 禹

(中國(guó)中鐵股份有限公司，北京 100039)

1 概述

我國(guó)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(qiáng)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(dòng)強(qiáng)烈地層。在如此工程條件下，如何保證隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全，成為工程技術(shù)人員密切關(guān)注的課題。

針對(duì)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(jì)中對(duì)那些穿越困難、工程量大的溶洞區(qū)，首選避開，不能避開時(shí)，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(huì)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(duì)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(shí)需壓漿或用混凝土填實(shí)；“跨”是指對(duì)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(duì)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(duì)上述基本原則，對(duì)隧道穿越巨型溶洞的施工方法進(jìn)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(shí)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(shí)例對(duì)管波探測(cè)法等進(jìn)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(hào)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(hào)隧道穿越特大型溶巖空腔的工程實(shí)際，針對(duì)穿越溶洞時(shí)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(duì)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(shí)際，針對(duì)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(duì)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(guó)云南省威信縣境內(nèi)，全長(zhǎng)6 306 m，為雙線隧道，軌面設(shè)計(jì)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(jìn)口。該隧道是一條集瓦斯突出、巖溶強(qiáng)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(xiǎn)隧道。

隧道分進(jìn)口、出口、橫洞3個(gè)工區(qū)同時(shí)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(zhǎng)約93 m，垂直于線路長(zhǎng)約230 m，高50～120 m，溶腔體積達(dá)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(diǎn)

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(xiǎn)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(duì)溶腔頂板進(jìn)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?yàn)?00 m，橫向?yàn)?00 m。

②人工擾動(dòng)后掉塊嚴(yán)重，尤其受爆破震動(dòng)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(chǎng)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(gè)上緩下陡的斜面，坡度為15°～35°，結(jié)合觀測(cè)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(dòng)、沖刷，對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響巨大，存在整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

③ 堆積層上加載會(huì)進(jìn)一步加大穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。只要有在堆積體上發(fā)生工程活動(dòng)，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(duì)底部充填物及工程構(gòu)筑物的沖蝕風(fēng)險(xiǎn)較大。暗河現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)高，人員設(shè)備保護(hù)難度大，工期、成本難以控制，對(duì)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(shí)施

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

(1)方案研究比選階級(jí)

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(diǎn)見表1。經(jīng)綜合研究分析，各種穿越方案都需要對(duì)溶洞大廳進(jìn)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(duì)溶洞大廳回填方案進(jìn)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(diǎn)分析

(2)方案實(shí)施與研究調(diào)整階段

針對(duì)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(jì)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(hù)+回填體路塹式開挖防護(hù)+橋梁跨越”方案。在溶洞頂板開挖支護(hù)過程中多次出現(xiàn)掉塊情況，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)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(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期安全角度考慮，認(rèn)為“頂板錨索及錨網(wǎng)噴防護(hù)+橋梁跨越+輕型棚洞”方案不能保證拱部巖體的穩(wěn)定性，對(duì)施工與運(yùn)營(yíng)帶來較大的安全隱患。因此，有必要對(duì)跨越方案進(jìn)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(shí)施過程中本溶洞工程體現(xiàn)的特點(diǎn)及控制因素，認(rèn)為“錨索+錨網(wǎng)噴”聯(lián)合加固手段對(duì)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(hù)橋梁與軌道的運(yùn)營(yíng)安全，最終研究提出 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護(hù)+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護(hù)+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(yùn)營(yíng)長(zhǎng)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(gè)階段，經(jīng)反復(fù)論證與實(shí)踐，為確保線路運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期安全，最終形成“暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護(hù)+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護(hù)+連續(xù)梁跨越”的處理方案。

(1)暗河改道

新增泄水洞對(duì)溶洞坡腳暗河進(jìn)行繞移改道，以消除暗河水對(duì)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(tái)，也為溶洞洞壁的后期穩(wěn)定提供支撐，同時(shí)減少土地占用。

(3)穹頂支護(hù)

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

(4)回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護(hù)

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(hù)。襯砌結(jié)構(gòu)采用錨網(wǎng)噴初期支護(hù)，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(zhǎng)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(yùn)營(yíng)長(zhǎng)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(yùn)營(yíng)危害。

6 實(shí)施效果

通過研究比選，最終提出并實(shí)施 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護(hù)+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護(hù)+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(yùn)營(yíng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。實(shí)施效果見圖6。至2022年6月，該隧道已開通運(yùn)營(yíng)兩年多的時(shí)間，隧道運(yùn)營(yíng)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(duì)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(hù)”的總體施工方案。其中，通過新增泄水洞對(duì)溶洞坡腳暗河進(jìn)行繞移改道，既維持了原地下水的徑流，也避免了對(duì)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(duì)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(duì)線路的影響，確保了高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全；在橋梁結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置隧道襯砌防護(hù)，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(shí)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(xiǎn)事件，在處理方案比選研究過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮。施工前先可通過現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)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(jì)算分析，對(duì)溶洞工程穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，及時(shí)采取針對(duì)性施工措施與防護(hù)措施，以提高工作效率，保障施工安全。