新建贵广高铁坪山岩溶隧道设计与施工

曹 磊，何昌国

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 工程概况

新建贵阳至广州高速铁路是我国“八横八纵”高速铁路网中兰(西)广通道的重要组成部分，跨越黔、桂、粤三省，是世界首条穿越喀斯特地貌的高速铁路，线路全长约857 km，其中隧道近220座，约占线路总长的54%，设计速度250 km/h，建成后大大缩短了西南地区与珠三角地区之间的时空距离[1]。

坪山隧道位于桂林市灵川与阳朔两县交界处，全长 6 360.24 m，进口里程 D3K462+507，出口里程D3K468+518。隧道位于溶蚀中低山区，地形陡峭且坡度起伏较大，隧道上方地表植被茂密。山坡自然坡度10°～50°，上覆土体较薄，基岩大片裸露，多见陡崖峭壁[2]。地表高程250～700 m，相对高差100～500 m，最大埋深370 m，过沟浅埋段仅20 m。由于隧址区岩溶极为发育，雨季地表水丰富，地下水发育，该隧道被定为贵广高铁I级高风险长大隧道。

2 隧道水文地质条件

2.1 地层岩性

坪山隧道进、出口段出露的基岩和洞身穿越段的岩性均为泥盆系中统唐家湾组灰岩、白云质灰岩夹白云岩，节理、裂隙较为发育[3]。据钻探揭示，岩芯局部较破碎，可见蜂窝状溶孔、溶隙，溶蚀较严重，部分为角砾状灰岩，岩溶发育。隧道部分区段埋深较浅，据以往施工经验该类隧道开挖易出现涌突水、变形坍方、冒顶等不良地质现象[4-5]。

2.2 水文地质情况

隧址区降雨量丰富，地表树枝状水系及冲沟较为发育，综合考虑隧址区地表水系发育情况和地下水的排泄特征，隧址区有两大岩溶水系统。隧道开挖后将大大改变岩溶水系统中地下水的流向，系统内的地下水将通过隧道和暗河同时排泄，成为隧道涌突水灾害风险源。

2.3 地下岩溶分布

根据钻孔揭示，地下岩溶主要发育于浅表部的垂直循环带中，以垂直溶洞为主，规模大小不一。多数溶洞已被充填，充填物主要是圆砾土、卵石土。钻进时局部掉钻，多为漂石架空形成的空洞。其中，在D3K465+715和D3K465+720就出现了掉钻现象。

在D3K465+555附近岩溶在垂向与水平方向均比较发育。D3K465+555左22 m岩溶在垂向最发育，D3K465+715和D3K465+720附近岩溶发育微弱，甚至不发育。从总体来看，岩溶发育具有随深度增加而减弱的规律。此外，地下岩溶主要发育于中～厚层状灰岩中。

3 施工中遇到的问题

隧道开挖揭示的洞身岩性及水文地质特征整体上与勘察阶段的认识相符。正洞D3K462+885—D3K463+252段、D3K465+535—D3K465+748段和平导PDK465+500—PDK465+745段开挖揭示有多个溶洞，溶蚀较为严重，溶槽、溶隙较为丰富，并充填黏土。岩体破碎，地下水发育且流动性强，呈线状或股状流出，并与地表水贯通性较好。在施工时超前地质预报和施工揭示岩溶后，由于未能及时有效控制岩溶填充物涌出，洞内出现涌水、突泥，并引起局部地区地表塌陷。施工中针对具体的地质风险采取相应的工程措施进行整治。

4 整治工程措施

4.1 岩溶整治

坪山隧道正洞及平导段掌子面揭示的岩溶情况及其整治措施见表1。

表1 正洞及平导段掌子面揭示的岩溶情况及其整治措施

4.2 地表塌陷处理

4.2.1 地表塌陷成因

隧道上方冲沟沟床覆土为粉质黏土、粉土、卵石土、漂石土等，结构较松散，同时有地表水沿塌陷地带下渗。设计分析地表水下渗产生的渗透潜蚀作用是导致地表变形的主要原因。由于隧道施工形成新的地下水排泄基准面，降低地下水位，使水头差增大，动水压力增大，对松散土层渗透潜蚀作用增大，使地下水排泄能力增强，形成涌水、涌泥，并造成溶洞顶板的土体失稳，从而导致地面塌陷。地表塌陷进一步造成地表水集中下渗，对隧道周边的土体渗透潜蚀作用急剧增强，导致大量地下水从隧道内涌出。因此，施工时应加强洞顶地表监测工作，对地表坍塌坑及时进行工程处理。

4.2.2 地表塌陷情况

隧道施工至D3K465+745时，完成爆破后发现线路右侧掌子面拱腰处有大量泥浆、磨圆孤石等随水涌出。同时在D3K465+710—D3K465+731段线路上方地表发生了塌陷，塌陷面积约414 m2，深度约7 m，坑底位于隧道正线拱顶上方35 m处，塌陷处位于地表冲沟中心位置(冲沟和线路中线斜交)，并在塌陷处往大里程方向山体有局部滑塌现象。

隧道施工至平导PDK465+545时，沿线路前进方向右侧拱腰处揭露一溶腔，流塑状泥浆及孤石从腔体内涌出，同时在地表发现直径约40 m的圆形坍陷坑。

隧道施工至平导PDK465+530时，线路方向右侧拱腰接近拱顶位置揭露一个2 m(环)×1.5 m(纵)溶洞口，溶洞填充物随水流大量涌出，蔓延至平导PDK465+560。后因大量溶洞填充物堆积，溶洞口当时没有继续涌水涌泥。最初地表河沟旁出现直径约10 m的圆形塌陷坑，随着地表河沟水部分流入塌陷坑内，塌陷坑逐步发展成为2个圆形坑(1个直径7～10 m，1个直径8～10 m)，2个塌陷坑相互咬合在一起，形成近椭圆形的较大塌陷坑，直径13～15 m，深约10 m。

4.2.3 地表塌陷处理措施

1)地表水引流

在地表水沟两侧设置临时混凝土拦水坝，坝顶设置过水钢管，钢管长度要满足过水钢管跨越塌陷坑。

2)混凝土回填

为防止河床沉降及地表水再次下渗，待洞内施工完成，护拱达到设计强度后，在地表塌陷坑位置对溶腔进行混凝土回填，回填至河床高度。施工完成后，对两侧拦水坝中间塌陷坑满铺防水隔离层，上面铺砌浆砌片石，恢复沟形，然后拆除两侧拦水坝及引水管，确保地表沟水顺流。

3)采用袖阀管进行注浆加固

当隧道正洞浅埋且穿越地表塌陷坑时，为加固隧道周边塌陷松软体及岩溶破碎带，地表采用φ50袖阀管进行注浆加固，间距1 m×1 m，梅花形布置。为避免地表塌陷坑积水，采用土石夯填，夯填至原地面。土石顶表面采用M10浆砌片石进行铺砌，铺砌厚度30 cm，铺砌到隧道中线左右两侧各12 m；其余地段表面采用黏土隔水层进行铺砌，铺砌厚度50 cm。如图1所示。

图1 袖阀管注浆加固

4)加强监测

开挖过程中当掌子面出现溶腔或溶洞时，在加强监测洞顶地表水系分布情况的同时，还需采取铺砌、引流等措施防止地表水下渗至洞内，避免造成洞内施工条件的进一步劣化。施工单位对洞顶地表易受洞内坍塌影响的范围进行监测，设置警戒线及警示标志，并派专人进行守护，防止有不明情况的人员靠近危险地段，导致意外事故发生。

4.3 隧底处理

4.3.1 隧底揭示情况

隧道开挖揭示一古暗河岩溶通道，该通道与线路相交，相交角度16°，相交里程为D3K462+950—D3K463+190，岩溶通道的顶板在隧道顶部上方5 m以上，只在部分区段隧道顶部可见灰岩出露。

岩溶通道在隧道边墙外的充填物厚度也均>5 m，岩溶通道底板在隧底以下2～29 m。古暗河岩溶通道目前已经填满充填物，充填物为黏土、卵石、块石。现场隧道中水量较小，只是局部有少量渗水，周边岩层裂隙很发育，裂隙都充填黏土、土石混杂物。各段落仰拱的岩溶揭示情况：

1)D3K462+885—D3K462+954段隧底多为灰岩，裂隙发育，充填黏土。

2)D3K462+954—D3K462+957段隧底为充填物，充填物厚2～3 m。

3)D3K462+957—D3K463+252段隧底为溶洞充填物，承载力仅85 kPa，不满足设计要求。

4.3.2 隧底基础处理措施

由于D3K462+885—D3K463+252段隧道底部为岩溶填充物，且填充物局部呈软塑状态，使得沉降无法满足高速铁路沉降要求，施工中应对隧底基础进行加固处理。

1)隧道D3K462+885—D3K462+957,D3K463+161 —D3K463+252段基底岩溶填充物深度<3 m，采用C20混凝土换填。

2)隧道D3K462+957—D3K463+161段基底岩溶填充物深度>3 m，隧底采用φ600长6～28 m微型桩加固，两侧边墙桩间距1.35 m×1.39 m，交错布置，其余桩间距1.6 m×1.6 m，等边三角形布置。隧底岩溶填充物局部呈软塑状，为防止微型桩钻孔时塌孔，局部钻孔可增设钢护筒护壁。衬砌底板采用1 m厚钢筋混凝土，拱墙采用相应围岩级别加强衬砌。典型断面(D3K463+050)微型桩方案布置情况如图2所示。

图2 典型断面微型桩方案布置情况

5 结语

1)为确保岩溶隧道施工及运营期的安全，通过超前地质预报和施工揭示隧道岩溶后应根据各岩溶地段不同的地质特征，逐段进行整治。

2)水对地表松散土层的渗透潜蚀作用和施工对地下水位的改变是地表出现塌陷的主要原因。因此，在岩溶地段开挖隧道时应进行地表水引流。在出现地表塌陷坑时，应及时采取回填塌陷坑、采用袖阀管注浆加固等措施，同时要加强对洞顶地表易受洞内坍塌影响范围的监测。

3)当隧道底部为岩溶填充物且填充物局部呈软塑状态时，充填物深度较小的地段隧底基础可采用混凝土换填，充填物深度较大的地段隧底基础可采用微型桩加固处理。

[1]曹化平，王科.铁路岩溶隧道工程地质选线研究[J].高速铁路技术，2011(2):31-36.

[2]宋朋超,孙星亮.浅埋岩溶隧道下穿河流段施工技术[J].铁道建筑，2016,56(8):83-85,99.

[3]刘强,刘运来,徐志华,等.岩溶隧道突涌水来源及路径分析[J].铁道建筑，2016,56(10):63-66.

[4]中铁二院工程集团有限责任公司.坪山隧道D3K462+885—D3K463+252段岩溶整治变更设计[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2012.

[5]中铁二院工程集团有限责任公司.坪山隧道D3K465+535—D3K465+748段正洞及平导段岩溶整治变更设计[R].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2015.