铁路隧道穿越充填型溶洞处理技术研究

刘 黎

（中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031）

1 引言

岩溶现象在我国南方地区广泛发育，主要涉及寒武纪、奥陶纪、二叠纪、三叠纪等碳酸盐岩地层[1]。随着我国高速铁路网的规划，跨越岩溶地区的高速铁路将会逐渐增多，同时遇到岩溶工程问题也是无法避免的，特别是修建隧道工程时，岩溶问题往往是威胁隧道建设、地下工程建设安全的重要因素之一[2-4]。岩溶洞穴按照洞内充填物的状态和形式，可分为非充填型溶洞和充填型溶洞。非充填型溶洞基本是溶洞壁裸露，洞中地下水较少且沉积物较少，该类型较容易处治且对隧道施工安全影响较小；而充填型溶洞是指整个溶洞大部分被沉积物或地下水充填，由于溶洞内部物质的不稳定性，通常导致隧道施工过程中的力学状态不稳定，若溶洞中充填粉细砂或泥质物质时，易在隧道开挖过程中发生突发性突水及涌泥现象，对隧道工程施工安全影响极大，且处治难度大，工程代价高，例如：渝怀[5-7]、宜万[8-9]、黔昆[10]、南昆[11]等铁路线都发生充填型溶洞突水涌泥等事故，威胁隧道施工安全。因此，对于穿越充填型岩溶的隧道工程，如何处治该类型溶洞关乎于工程的成败。本文以我国西南山区的云桂高速铁路的石林隧道作为充填型岩溶洞穴的典型工点，分析了充填型岩溶的危害性及一般处理原则，探讨了该类型岩溶的处治方法，为今后我国类似岩溶处治提供一定的借鉴意义。

2 工程概况

石林隧道处于滇东南石林期剥夷面岩溶地貌区，隧道埋深约为105 m，主要穿越泥盆系中统曲靖组（D2q）石灰岩，呈中厚层状，垂直节理裂隙发育，为弱风化状态，且含水丰富，岩溶强烈发育。通过地质雷达探测发现，石林隧道里程DK658 + 920 ～ DK659 + 060段右侧发育岩溶洞穴（图1），该地段穿越第四系全新统溶洞充填物（Q4ca）黏土、泥盆系中统曲靖组（D2q）石灰岩及断层角砾（Fbr）。岩溶洞穴中充填的黏土呈棕红～褐黄色，软塑状态，其黏性较强，同时含有灰岩质碎块石充填于溶洞内。该地段在隧道施工中未见地下水发育，且该地段处于垂直渗流带～季节变动带，雨季以“过路水”为主运动方向以垂直运动为主。由于该地段穿越充填型溶洞，且充填大量软塑红黏土，在隧道施工过程中主要出现2次涌泥过程，现场涌泥量约2500m3，涌泥体坡脚至DK658+950m，具体阐述如下：

（1）第一次涌泥：DK658+981～ +976 m段右侧拱部出现大量红黏土涌出，并有块石不断掉落，致使该段的初期支护钢架被巨大推力推垮，钢架掉落至溶洞充填物（涌泥）之上，同时涌泥侵入整个隧道断面，纵向长度约10m，涌泥量约680m3。

（2）在第一次涌泥过后10小时，现场涌泥灾害持续扩大，掌子面被全部封堵，涌泥坡脚至DK658+958 m，涌泥纵向长度约18m，涌泥量约1200m3。

（3）第二次涌泥：掌子面再次出现涌泥情况，涌泥为塑状黏土，整个隧道断面被向前推动，纵向长度约8m，涌泥量约700m3。

3 充填型岩溶隧道的处理原则与方法

对于岩溶隧道必须查明隧道工程线路穿越或受影响的岩溶洞穴的分布范围、发育程度、充填物质类型、影响距离及地下水渗流情况。岩溶的治理必须遵循“以疏为主、堵排结合、经济合理、综合治理、不留后患”的原则进行处理，在处治过程中必须尽量减少岩溶水径流路径，防止岩溶水对隧道衬砌产生高压环境而使隧道衬砌开裂或受到损毁，同时在施工过程中需要坚持“早预报、短进尺、强支护、紧衬砌、勤量测”的原则采取多种综合方案处治岩溶区，以便隧道安全经济的通过危险区。

对于隧道穿越充填型溶洞的处理，一般情况需考虑洞穴的大小、规模、围岩稳定性、地下水水量、充填物物理性质状态等情况，主要可采取跨越、加固、清除充填物并回填夯实、注浆加固、地下水疏排等综合措施，其主要需考虑以下几点要求：

（1）对于充填型溶洞，需探明充填物的类型、物理性质状态，了解充填物是否会形成突水涌泥等事故灾害，若必须穿越软弱性充填物溶洞，需利用注浆技术防止洞穴岩壁或洞顶坍塌。可将充填物挖除并充填稳定性较好的块石或用注浆技术加固洞穴充填物的物理力学性质。

（2）若有地下水渗流进入充填型溶洞，则需采用泄水洞或迂回导洞等技术将地下水排泄，同时疏排地下水，禁止堵塞地下水通道，防止地下水高水压对隧道衬砌产生压裂或破坏作用。

（3）根据充填型溶洞的大小、规模和与隧道的相对位置，选择跨越、边墙加固、大管棚注浆支护措施等治理措施。

4 隧道岩溶具体整治措施

根据前述石林隧道的充填型岩溶的充填物的物理状态、涌泥的规模，确定涌泥整治的步骤为：确保安全的前提下，对涌泥体坡脚采用砂袋码砌，喷砼封闭涌泥体坡面，清理部分上部涌泥体值接近掌子面，建立施工平台，进行横向加固右边溶洞，并采用纵向大管棚注浆技术通过充填型岩溶区。

4.1 边墙及右边溶洞加固处理

在溶洞右侧设置导洞，在导洞左侧拱腰位置向正洞方向施作φ108横向大管棚（图2），管棚施工仰角20°，从导洞左侧拱腰至隧道中线拱顶以上约2m的施工范围，管棚的施工长度为34m，嵌入基岩深度不小于3m，管棚纵向间距40cm，管棚内设置钢筋笼，并采用1:1水泥砂浆注浆加固，注浆压力0.5～1.0MPa，同时施工过程中必须根据钻进记录优化调整管棚的施作长度及施作范围。利用形成的横向大管棚，利进行横向注浆加固隧道右侧边墙的溶洞，此时导洞左边墙向正洞呈辐射状施作5排φ75钻孔对溶洞充填物采用1:1水泥砂浆进行注浆加固，注浆方式采用后退式注浆，注浆压力0.5～1.0MPa。施作长度为导洞边墙至隧道右侧开挖轮廓线，竖向间距45cm，纵向间距80cm。为保证钻孔成孔效果，位于溶洞范围内钻孔采用φ75钢花管跟管钻进。

4.2 对涌泥的反压减载

对涌泥体坡脚采用砂袋码砌，喷10cm厚的C25混凝土封闭涌泥体坡面，同时对涌泥体进行分段分部清除，每次清除纵向长度不宜大于2.0m，并喷10cm厚度的C25混凝土临时封闭坡面，对涌泥达到反压减载的作用。当涌泥清除至溶洞范围内时，在涌泥上搭建施工平台，形成上台阶作业条件。

4.3 纵向大管棚注浆处理

对横向大管棚进行注浆加固之后，对隧道右侧溶洞进行边墙封堵工作，同时利用封堵墙作为导向墙在溶洞范围内施作φ108大管棚，设置环向间距为40cm，长度为40m，且嵌入基岩不小于5m，注浆采用1:1水泥砂浆，注浆压力0.5～1.0MPa，以达到对隧道顶部和侧边岩溶加固处理。此时清除涌泥，在隧道拱部位置需设置环向间距0.4m，每环38根，长度为4.5m的φ42的超前小导管，通过压入1:1的水泥砂浆来环向加固充填岩溶区。

在整个施工过程中，需根据监控量测的情况动态调整初期支护参数，当累计变形量达到10cm或变形速率发生较大突变或初期支护因变形出现喷砼剥落、钢架扭曲及剪断等或其它影响施工安全的迹象时，应采取初期支护的补强措施。

5 结论

（1）隧道岩溶是隧道工程中的不良地质现象，特别是充填型岩溶对隧道施工和安全通过岩溶地区具有极大的威胁性，必须因地制宜的对充填型岩溶中的充填物进行加固之后再对隧道边墙与衬砌进行加固处理，便于安全穿越岩溶洞穴。

（2）充填型岩溶中充填物物理力学指标极低，开挖施工揭露时通常会产生涌泥现象，为确保后续施工顺利进行，必须对涌泥进行加固。

（3）实践证明，在隧道侧面开挖导洞，利用横向大管棚注浆技术加固岩溶洞穴，之后进行纵向大管棚注浆加固和环向大外插角小导管注浆处理来加固隧道，以便安全的穿越充填型溶洞是可行的，为类似工程可以提供一定技术处理措施的参考。

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