宜万铁路下村坝隧道大型半充填溶洞处理技术

赵玉龙

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

宜万铁路东起湖北宜昌，西至重庆万州，全长377 km，共分布 118座隧道，总长 226.7 km。全线70%地段位于碳酸盐地区，岩溶发育，地下水丰富。下村坝隧道为宜万铁路26座二级风险隧道之一，属深埋岩溶隧道，施工中揭示大型溶洞2处，小型溶洞50余处，溶洞类型以空溶洞、充填及半充填溶洞为主，形态变化多样。“+615”溶洞在大型半充填溶洞中很具有代表性，溶洞规模大、顶部大块危岩镶嵌、底部软塑状黏土充填，隧道在溶洞中部穿越，溶洞处理难度大。

1 隧道概况［1］

宜万铁路下村坝隧道位于恩施市白果坝镇，全长1 975 m，隧道进口里程DK236+088，隧道出口里程DK238+063，双线隧道，线路纵坡16.2‰，隧道最大埋深300 m。隧道区地表溶沟、溶槽较发育，局部发育溶蚀洼地、漏斗及落水洞。隧道穿越地层为奥陶系下统南津关组及寒武系上统耗子沱群白云质灰岩、灰岩局部含灰质白云岩等可溶岩地层，岩溶发育。隧道正常涌水量3 507 m3/d，最大涌水量21 857 m3/d。

2 溶洞规模及地质特征［2］

2.1 溶洞规模

下村坝隧道大型半充填溶洞——“+615”溶洞沿线路纵向发育里程为 DK236+565～DK236+615，长50 m;垂直线路方向从左边墙发育至右边墙外18 m;竖向向上发育至轨面以上最大高度30 m，向下发育至轨面以下最大深度18 m。溶洞发育平面见图1。

图1 “+615”溶洞发育平面

2.2 地质特征

溶洞段地层为寒武系上统耗子沱群白云质灰岩、灰岩局部夹灰质白云岩，灰白色、深灰色，节理裂隙较发育，中厚 ～厚层状，岩层产状:165°～178°∠ 8°～23°。主要存在两组节理:(1)节理面产状:305°∠87°，间距 0.3 条/m，裂隙宽 1 ～2 mm，缝内无充填;(2)节理面产状:55°∠61°，间距0.8条/m，裂隙宽5 ～10 mm，缝内无充填。溶洞段隧道埋深200 m左右，地表溶沟、溶槽较发育。该段隧道围岩层面较缓，拱顶易坍落、掉块。

“+615”溶洞为大型块石镶嵌并伴有黏土、块石土充填、半充填型的溶洞。该溶洞的发育受节理控制明显。溶洞底部及右边墙局部地段充填软塑状黏土以及松散～稍密的碎石土。溶洞局部有渗水，暴雨时右边墙局部地段有岩溶裂隙水出现，水量15 m3/h;左边墙附近也有少量岩溶裂隙水出现。溶洞内的岩溶裂隙水清澈，水量季节性明显，干旱时无水，暴雨时水量较大。溶洞揭露后右侧边墙外软塑黏土局部滑坍，溶洞右侧坍塌体旁发育1处消水洞，长约4 m，宽2～3 m，垂直向下发育。岩溶裂隙水可考虑引入该消水洞中排放。

2.3 拱顶岩体稳定性评价

溶洞顶部岩体在未采取加固措施的情况下，处于暂时稳定状态，但存在掉块5 m×4 m×2 m的可能性。

3 溶洞处理技术

为确保隧道施工及运营安全，根据溶洞发育规模及地质条件，采取“拱部回填稳定危岩、隧底桩基承台结构跨越溶洞、洞身加强型复合式衬砌结构”的综合处理技术［2］。溶洞处理纵断面见图2。

图2 溶洞处理纵断面(单位:m)

3.1 溶洞防护［8-10］

溶洞揭示后，为确保施工期作业人员及机械设备安全，需对溶洞进行必要的监测及防护。溶洞监测项目主要为顶板的稳定性、洞壁危岩的松动情况以及局部溶洞充填物的滑坍发展情况。溶洞防护施工需要在各项监测稳定的前提下进行，主要包括清除溶洞顶部影响施工安全的危石，对溶洞顶部进行必要喷锚网防护，隧道右侧滑坍体坡脚砂袋码砌反压。

喷锚网防护范围为隧道开挖轮廓线外5 m，必要时在危石处设钢架支撑，钢架需与围岩密贴，并与锚杆有效焊接。喷锚网参数为:φ32 mm锚杆，长4～6 m，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置;C20网喷混凝土，厚15 cm;φ8 mm钢筋网，网格为20 cm×20 cm。滑坍坡脚采用砂袋码砌，高3 m，厚1.5 ～2.0 m。

3.2 隧道结构

3.2.1 隧道结构计算［3，6］

溶洞段拟定二次衬砌采用60 cm厚C35钢筋混凝土结构，采用SAP84 V6.5软件计算，二次衬砌采用弹性梁单元模拟，围岩对墙背的抗力采用压弹簧单元模拟，按荷载-结构模式采用直接刚度法进行计算。

护拱产生的竖向荷载均按5×23=115 kN/m2考虑，根据溶洞发育特征及其与隧道的空间关系确定拱部围岩(可能的松动危石)产生的竖向荷载，隧道左侧按5×23=115 kN/m2考虑，隧道右侧按10×23=230 kN/m2考虑;由于拱部回填后，危石不存在坠落冲击的情况，故不考虑落石冲击荷载;围岩侧压力系数取0.15;拱墙弹性反力系数取800 MPa/m，承台弹性反力系数292 MPa/m;结构自重及列车荷载均按规范选取。计算模型共划分38个单元，围岩弹性抗力采用压弹簧模拟。隧道二次衬砌计算轴力图、弯矩图分别见图3、图4。

图3 二次衬砌计算轴力图

图4 二次衬砌计算弯矩图

计算显示，隧道的拱顶、拱腰以及墙脚是受力薄弱部位。二次衬砌弯矩主要发生在拱部与墙脚处，二次衬砌轴力分布相对比较均匀，最小的轴力出现在拱顶，最大轴力出现在边墙拱脚处。二次衬砌内力及配筋设计见表1。

表1 二次衬砌内力及配筋

根据计算结果，溶洞段隧道二次衬砌主筋选用φ25 mm HRB335钢筋，纵向间距125 mm，结构安全系数满足规范要求。

3.2.2 衬砌结构确定［3，4，6］

经理论计算并借鉴类似工程处理经验，溶洞段(DK236+569.8～+605)隧道结构采用曲墙平底形式。支护参数确定为:初期支护采用25 cm厚C20网喷混凝土，内置I20型钢架，钢架间距根据溶洞发育情况危石段0.5 m/榀，空腔地段1 m/榀。为保证初期支护钢架基础稳定，在隧底为溶洞地段(DK236+575～+590)的初期支护墙脚外设置两道型钢混凝土纵梁，纵梁截面为1 m×1 m，纵梁底部设置3榀I18型钢，纵梁两端支承于基岩的长度不小于1.5 m，纵梁下方溶腔充填物处采用钢管桩注浆加固。钢管桩采用φ108 mm，壁厚9 mm热轧无缝钢花管，下端嵌岩深度不小于50 cm，上端伸入纵梁50 cm，纵向0.5 m设1处，每处2根，横向间距0.5 m。注浆材料采用1∶1水泥浆，注浆压力1.0～1.5 MPa，注浆后，钢管中填充 C20混凝土，增强抗弯能力。溶洞段拱墙二次衬砌采用60 cm厚C35钢筋混凝土，底板采用60 cm厚C35钢筋混凝土;隧道二次衬砌环向主钢筋采用φ25@125 mm，纵向钢筋适当加强。溶洞段隧底结构见图5，隧底为基岩段隧道结构见图6。

图5 溶洞段衬砌断面(适用于隧底为溶洞段)(单位:cm)

3.3 隧底溶洞处理

3.3.1 桩基承台设计［5］

(1)为保证隧道长期运营安全，DK236+569.8～+590.2段隧底采用桩基承台结构，共设置 24根φ1.25 m的C25钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长6.5～23 m，纵向间距 3.6 m，横向间距 3.3 m，横向每排 4根，纵向设置6排。溶洞段隧道结构对下部桩基承台的荷载为:N=3 758 kN/延米(轴力、竖直向下);M=490 kN·m/延米。经计算，最大桩头轴力为4 806.65 kN;最大控制弯矩为-183.62 kN·m，据此确定桩横截面配筋参数为φ20 mm HRB335钢筋，环向间距194 mm，每截面均布18根。

图6 溶洞段衬砌断面(适用于隧底为基岩段)(单位:cm)

(2)桩底弱风化完整灰岩顶板厚度要求不小于6 m。桩身施工时先将承台底以下0.5 m范围内基岩及溶洞填充物予以清除，换填致密砂夹卵石碎石层以改善桩身受力。

(3)承台采用 C25 混凝土，厚度2.5 m，宽12.3 m，长20.4 m。承台顶面预留连接钢筋与隧道结构相连，φ25 mm HRB335钢筋，横、纵向间距25 cm，深入承台及上部隧道结构各50 cm。承台开挖时利用既有隧道结构下密排钢管桩作为挡护结构，开挖后及时喷混凝土封闭，确保施工安全。

3.3.2 溶洞处理

隧底为溶洞充填物段(DK236+575～+590)初期支护施作前先对隧底、右边墙外溶洞填充物注浆加固［7］，注浆材料选用0.6 ∶1～1 ∶1水泥浆，注浆范围至隧底以下5 m，φ50 mm注浆孔，间距3 m×3 m，注浆压力0.5～1.0 MPa。隧底发育浅层溶洞段(DK236+590.2～+595)采用C20混凝土换填处理。

3.4 拱部溶洞处理

隧底、边墙外溶洞充填物注浆达到预期效果，纵梁及初期支护施作完毕后，对隧道拱部危石及空腔部分泵送M10水泥砂浆(部分大的间隙采用C20混凝土)充填固结，使回填料与拱部危石固结为一体，达到整体稳定的效果。为保证初期支护的稳定，在初期支护拱脚、边墙底部施作临时横向钢支撑，隧道中线处设置临时竖向钢支撑，钢支撑采用I18型钢，间距0.5 m。泵送水泥砂浆(混凝土)分层进行，层厚1～2 m，最终在拱部形成5 m厚的加固圈(护拱)。回填水泥砂浆后利用回填时的预留孔，对隧道拱顶以上5～10 m范围内的围岩裂隙、岩溶裂隙注浆固结，注浆压力1.0～1.5 MPa，注浆材料采用1∶1水泥浆。溶洞处理典型横断面见图7、图8。

图7 溶洞处理典型横断面一(单位:cm)

图8 溶洞处理典型横断面二(单位:cm)

3.5 溶洞排水措施

DK236+580处边墙外侧发育1处消水洞，溶洞处理全过程不得堵塞该消水洞，以维系溶洞原有水路，保证排水通畅，避免岩溶水蓄积影响隧道结构安全。

3.6 施工工序

(1)隧底、右边墙外溶洞填充物注浆加固;

(2)墙脚纵梁及底部钢管桩施工;

(3)施作初期支护(包括临时横向、竖向钢支撑);

(4)隧道拱部分层泵送水泥砂浆(混凝土)及注浆加固;

(5)施作柱基础及承台结构;

(6)施作防水层及隧道二次衬砌。

4 结语

(1)下村坝隧道“+615”溶洞采用的拱部回填固结危岩、隧底桩基跨越溶洞、隧道结构加强等综合处治技术工程实践效果较好，施工及运营期结构安全可靠。

(2)此类溶洞拱部多存在危岩，传统方法主要考虑全部清除，但“+615”溶洞拱部危岩块体镶嵌，全部清除难度大且施工风险高，设计采取了回填及注浆固结方案，变“危岩”为“围岩”，解决了拱部危岩落石对隧道结构的危害，此种技术经济合理。

(3)溶洞发育复杂多变，设计根据“一次根治、不留后患”的处理原则，对“+615”溶洞隧底充填物发育深度大、承载力低的段落，采用了桩基承台结构，有效避免了工后沉降，确保了运营安全。

［1］中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图——下村坝隧道设计图［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2005.

［2］中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路宜万线宜昌东至万州段下村坝隧道DK236+565～+615段溶洞处理I类变更设计［Z］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2007.

［3］铁道第二勘察设计院.TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］铁道专业设计院.TB10108—2002 J159—2002 铁路隧道喷锚构筑法技术规范［S］.北京:中国铁道出版社，2002.

［5］铁道第三勘察设计院.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］张民庆，彭峰.地下工程注浆技术［M］.北京:地质出版社，2008.

［8］赵玉龙.宜万铁路云雾山隧道“+260”高压富水充填溶洞综合治理技术［J］.铁道标准设计，2010(8):111-115.

［9］苗德海，马涛，王伟，李鸣冲.宜万铁路隧道工程特点及设计对策［J］.铁道标准设计，2010(8):56-61.

［10］李鸣冲.宜万铁路龙麟宫隧道穿越大型半充填溶洞综合处理技术研究［J］.铁道标准设计，2010(8):119-121.

［11］刘彬.宜万铁路鲁竹坝2号隧道“+960”溶洞治理技术.铁道标准设计［J］.铁道标准设计，2010(8):107-110.