溶洞多发铁路隧道溶洞处理施工技术

黄彬

溶洞多发铁路隧道溶洞处理施工技术

黄彬

（中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030024）

结合溶洞多发单线铁路隧道施工实践，详细阐述了洞身开挖溶洞、仰拱开挖溶洞、隧底隐伏溶洞及溶蚀破碎带等隧道内多种溶洞的处理措施，为喀斯特地貌地区溶洞多发铁路隧道岩溶处理这一难题提供了可供借鉴的资料，供类似的工程施工单位参考。

溶洞多发铁路隧道；溶洞处理；施工技术；掌子面

1 工程概况

某铁路隧道位于贵州省境内，起讫里程ZDK540+740—ZDK541+767，全长1 027 m，最大埋深约145 m，隧道进口段558.15 m位于直线上，出口段468.85 m位于半径为= 1 600 m的左偏曲线上；自进口至出口设计纵坡分别为10.5‰（10 m）上坡、 5‰（1 009 m）上坡、3‰（8 m）下坡。隧区属溶蚀构造类型的低山丘陵、溶蚀槽谷地貌，该地区属典型的喀斯特地貌，地下岩溶十分发育，地面标高245～440 m，相对高差40～20 m，自然坡度20°～55°。

山脉走向、槽谷走向受构造控制，呈NE向分布，线路右侧350～400 m为锦江。隧道进口、出口端地形陡峭，局部形成陡崖，地表多覆盖着灌木丛。隧道主要地层有弱膨胀土、块石土、黏土、灰岩等，未见断裂构造，岩层单斜，节理裂隙较发育；整体上该地层中岩溶水总量不大。全隧道地下水环境作用等级为T2。隧道为时速120 km电化单线铁路隧道，洞内设置重型无砟轨道，采用弹性支承块式整体道床并铺设60 kg/m钢轨，设计轨道结构高度60 cm。隧道从进口、出口双向掘进，采用台阶法组织施工，其中出口工区从进洞后不断揭示各类充填型溶洞或空溶洞，隧道出口于2017-08-11开挖进洞，共累计完成掘进任务564 m，隧道进口于2018-03-07开挖进洞，共累计完成掘进任务463 m，全隧道于2018-07-31完成贯通，贯通里程为ZDK541+203，隧道二衬于2018-08-28完成施工。

2 隧道溶洞施工处理措施

2.1 ZDK541+744溶洞

2017-08-23，隧道掌子面开挖至ZDK541+744时，上台阶线路右侧拱墙揭示填充溶腔，腔内充填物为软塑状黏土，溶腔宽3.2 m，平均深度为2.4 m，溶腔纵向发育约3 m，填充物坍空后，掌子面基岩可见，且有一个φ60 cm小洞，延伸深度约为7.5 m，未能探到最里面，如图1所示。该溶洞具体处治方案为：清除ZDK541+748—ZDK541+741溶腔内剩余填充物，溶腔内敷设3根φ50 cm透水管，间距1 m，同时环向排水盲管加密至每3 m设置一道，直接引入侧沟，上台阶锁脚锚杆每边增加2根；结合岩体破碎情况及地下水发育情况，对溶腔内采取局部径向注浆加固处理，溶腔范围内初支施作时预留混凝土泵送管，坍空后的溶腔采取在二次衬砌完成，达到设计强度后泵送C20混凝土填充密实，仰拱施作前，采用钎探等手段探测基底是否存在隐伏岩溶。

2.2 ZDK541+720溶洞

2017-09-21，开挖至ZDK541+720线路左侧时拱顶出现溶腔，腔内充填物为软塑状黏土，溶腔向掌子面前方延伸。开挖至ZDK541+712掌子面拱部溶腔内黄泥填充物全部溜塌，溶腔宽5.6～7.0 m，平均深度6.5 m，填充物溜塌完后，四周基岩全部可见。ZDK541+711掌子面拱部前方出现突泥，溜塌物为软塑状黏土。溜塌坡脚至ZDK541+737断面处，溜塌量约800 m3，如图2所示。

图1 ZDK541+744溶洞

图2 ZDK541+720溶洞

该溶洞具体处理方案为：①对ZDK541+737—ZDK541+711段溜塌体表层进行抛石回填固结处理；然后对ZDK541+720—ZDK541+711段溜塌体进行挂网喷砼支护封闭（挂设Φ8钢筋网片@20 cm×20 cm；喷射10 cm厚C25混凝土封闭溜塌体）。②ZDK541+720—ZDK541+716段由溜塌体表层施作Φ76钢花管注浆，钢管桩嵌入仰拱底部0.5 m，@0.8 m×0.8 m呈梅花形布置，对溜塌体进行局部注浆固结处理。③开挖清除ZDK541+737—ZDK541+720段溜塌体至弃碴场，开挖后ZDK541+720处临空面采用挂网喷砼支护（挂设Φ8钢筋网片@20 cm×20 cm；喷射10 cm厚C25混凝土）。④在ZDK541+720断面处扩挖安装两榀I20型钢钢架后，分层施作一道C25混凝土封堵墙（下部基础2.0 m宽，拱部1.0 m宽），每浇筑一层封堵墙，在封堵墙对应的隧道洞身初支施工Φ22砂浆锚杆（单根长度为3.5 m/根，@0.5 m× 0.5 m呈梅花形布置，锚杆外露0.5 m）；同步从弃碴场转运洞碴对ZDK541+720—ZDK541+711段进行反压回填，反压回填洞碴至拱顶剩余约50 cm高时，施工封堵墙（预留泵送管）支撑至隧道拱顶，预留泵送管及初支后溶腔注浆管，泵送塌落度较大的C20细石混凝土，将封堵墙内部空隙回填密实。⑤在ZDK541+720断面拱顶，利用预留注浆管向封堵墙前方ZDK541+720—ZDK541+711处塌空溶腔回填M20水泥砂浆充填拱部溶腔，回填砂浆至拱顶上部1.5 m高。⑥待溶腔回填M20砂浆强度不小于50%后，利用新安装I20型钢钢架支撑，在ZDK541+720处拱部150°范围内施作Φ108大管棚超前注浆加固，单根长度暂定为30 m，环向间距30 cm，结合大管棚施作情况，初步探明前方充填溶腔的纵向发育情况。⑦拆除封堵墙，开挖溜塌体和已回填洞碴至掌子面，开挖进尺每循环不大于3 m。开挖过程中全程加强洞内监测及安全管理，查验初支是否有侵陷，原预留溶腔的排水管道是否畅通。

2.3 ZDK541+702—ZDK541+695溶洞

2017-11-23，掌子面开挖至ZDK541+702线路左侧拱顶偏右发现一空溶洞，底部充填少量黄泥，溶洞由掌子面向左前方延伸，开挖至ZDK541+695线右拱脚前方溶洞宽约 7.0 m，深度约17 m，四周基岩全部可见，如图3所示。

ZDK541+715下台阶跟进开挖中涌出软塑状黏土，溜塌量约30 m3，开挖后发现下台阶边墙部位全为黏土，深度约1 m；且根据上台阶开挖情况及前方钎探发现往掌子面方向延伸约20 m，如图4所示。

图3 ZDK541+702溶洞

图4 ZDK541+695溶洞

该溶洞具体处理方案为：ZDK541+715—ZDK541+695段下台阶每侧Φ42锁脚锚管增加至2组，并进行局部注浆加固处理。ZDK541+702线路左侧拱顶偏右发现空溶洞，洞腔进行清危后拱部进行喷锚防护，锚杆采用Φ22砂浆锚杆，间距为1.2 m×1.2 m，长3 m，挂设Φ8钢筋网片@20 cm× 20 cm；喷射10 cm厚C25混凝土支护。对溶洞内消水通道预埋φ100透水盲管外裹土工布并固定于溶洞壁上。ZDK541 +695线路右侧拱脚前方溶洞，初支外采用C25混凝土施作护拱形成耳墙，拱顶上方护拱施作时，每榀拱架增加一道竖向支撑。施作ZDK541+695—ZDK541+685段初期支护时加密环向排水盲管外裹土工布，按间距2 m布设，环向盲管直接接入侧沟排。

2.4 ZDK541+700—ZDK541+677段溶洞

2017-12-23，开挖仰拱ZDK541+700—ZDK541+677段隧底发现出现一大型溶腔，腔内充填物为软塑状黏土，平均深度5 m，溶腔由右向左前方延伸，如图5所示。该溶洞具体处理方案为：ZDK541+715—ZD2K541+700段隧底打设φ76钢花管（间距1 m×1 m）嵌入基岩1 m，进行注浆加固处理。ZDK541+700—ZDK541+677段将溶腔底部黏土清除干净，两侧下导钢架接至底部基岩面上，并挂设双层φ8@ 20 cm×20 cm钢筋网片，每榀接长钢架设两根长4 m的φ42锁脚锚管固定，采用喷射C25混凝土封闭。同时对两侧边墙施工4.5 m长的φ42钢花管（间距0.5 m×0.5 m）注浆加固处理。再采用C25混凝土回填至设计隧底高程。

图5 ZDK541+700—ZDK541+677段溶洞

2.5 ZDK541+567溶洞

2018-01-06晚，掌子面开挖至ZDK541+567断面揭示出现溶腔，溶腔位于断面中线，腔内充填物为软塑状黏土，溶腔宽2～4 m，溶腔向掌子面前方延伸，如图6所示。该溶洞具体处治方案为：对掌子面施作3孔超前水平钻，探明前方溶腔发育情况，对ZDK541+567—ZDK541+557段隧道已揭示溶腔部位进行径向注浆加固处理。对ZDK541+557—ZDK541+537段线路右侧边墙进行径向注浆加固处理。ZDK541+653—ZDK541+537段环向排水盲管加密至每3 m设置一道。

图6 ZDK541+567溶洞

2.6 ZDK541+555溶洞

2018-01-19，掌子面开挖至ZDK541+555时，上台阶拱顶发现一处溶洞，由掌子面向洞口大里程方向发育延伸，溶洞范围较大，纵向约160 m长，高5～30 m，溶腔内局部人眼看不见顶部，宽1～12 m，小里程方向四周为钟乳石，大里程方向均露出基岩，围岩破碎，节理裂隙发育，且拱部及边墙岩层已发生剥离和掉块现象，如图7所示。该溶洞具体处理方案为：溶洞与隧道洞身交叉位置（ZDK541+555）40 m范围内，对溶洞璧进行锚网喷支护。锚杆采用Φ22砂浆锚杆，1.2 m×1.2 m梅花形布置，单根长3 m；挂设Φ8钢筋网片，网格间距20 cm×20 cm；喷射12 cm厚C25混凝土。溶洞与隧道洞身交叉位置施作1.5 m厚C30混凝土护拱，护拱上面用0.5 m厚细砂作为缓冲层。

图7 ZDK541+555溶洞

2.7 ZDK541+501溶洞

2018-04-03，开挖至ZDK541+501掌子面发现拱部线路偏右侧发现充填溶腔，宽2～4 m，深度为1.5～2.5 m，充填物为硬塑状黏土，溶腔向掌子面前方延伸，左右两侧为薄层状近水平的灰岩，拱部岩体破碎，掌子面湿润局部有滴水，如图8所示。该溶洞具体处理方案为：对掌子面施作3孔超前水平钻，探明前方溶腔发育情况，施作ZDK541+503—ZDK541+493段初期支护时加密环向排水盲管外裹土工布，按间距3 m布设，环向盲管直接接入侧沟排。

图8 ZDK541+501溶洞

2.8 ZDK541+416溶洞

2018-04-26，开挖至ZDK541+416掌子面发现拱部揭示小半填充型溶腔，（掌子面围岩破碎）以及线路两侧垂直隧道洞身方向发育一条过水通道。过水通道河床位于仰拱底下4～10 m，沿线路左侧方向垂直线路向外发育约180 m，沿线路右侧方向垂直线路向外发育约100 m，该过水通道约5～14 m宽，一般有20～30 m高，局部人眼看不见顶部；掌子面前方6 m发育一条宽约5 m的溶槽，与线路左侧方向的过水通道相连。过水通道内目前有少量流水。该溶洞具体处理方案为：对ZDK541+426—ZDK541+386段拱墙进行径向注浆加固处理，ZDK541+537—ZDK541+386段环向排水盲管加密至每3 m设一道。拆除ZDK541+418—ZDK541+424段已施作仰拱，ZDK541+405—ZDK541+424段隧底过水通道采用板梁跨越，板梁下设置枕梁；隧道二衬取消仰拱，初支及二衬边墙架立在板梁上。枕梁基底采用φ75钢管桩注浆加固，钻孔深度5 m或嵌入稳定基岩不小于1 m。ZDK541 +396—ZDK541+405段采用C20砼对隧底溶洞充填物进行换填。ZDK541+382处隧底溶洞采用大块石洞碴进行充填。ZDK541+371—ZDK541+396段隧底采用板梁跨越，板梁下设置枕梁；隧道二衬取消仰拱，初支及二衬边墙架立在板梁上。ZDK541+382、ZDK541+416段跨越溶洞适当位置，于线路左侧二衬边墙处各设置1处检查门洞，门洞外侧设置栅栏门并朝外开。

2.9 ZDK541+382溶洞

2018-05-07，掌子面开挖至ZDK541+382发现，仰拱底部发育一个垂直线路方向的大型溶洞，周边围岩破碎。该溶洞底部宽3～4 m，垂直线路方向贯穿隧道，位于隧底20～25 m，溶洞顶板高于隧底约4 m，往两侧延伸均较远，线路左侧方向往内宽度逐渐变窄，人无法进入，线路右侧往内亦逐渐变窄。经调查分析：该隧道范围内发育两组垂直裂隙，一组近于垂直线路发育，另一组近于平行线路发育，整个隧道沿着线路垂直方向发育多个大型溶洞，并在溶洞底部可见水流冲刷的痕迹，施工期间（旱季）无水，推测在雨季期间可能有较大涌水。该溶洞具体处理方案为：结合现场情况，对溶洞测量完成后，从弃碴场运碴先将该处溶槽回填至隧底，掌子面继续掘进开挖。对ZDK541+390—ZDK541+370段隧底和线路左侧边墙非溶洞部位进行径向注浆加固处理。ZDK541+386—ZDK541+366段环向排水盲管（外裹土工布）加密至每3 m设一道，直接引入侧沟。

3 隧道溶洞施工注意事项

施工前应对地表地形地质和水环境条件、构筑物与生产生活用水状况等进行全面调查，并建立洞内外监测系统，对隧道内外工程地质与水文条件，包括洞室、坑道、桩基等各部位的岩土体稳定性，各种有害气体，空穴及地下水等各风险因素进行常态化实时监测，妥善完成初始状态与施工过程状态记录。

根据相关监测成果，结合施工中地质勘察和超前地质预报，进行各种风险危害的预测和灾害危险征兆的预警，及时对照初始状况分析各项安全条件，对可控风险应及时采取相应的防范与处理措施；一旦出现危险征兆，应立即断电并撤离相关工区人员及机械设备，并启动应急处理和应急救援预案，避免发生相关事故和灾害。

应加强洞内地下水的引排，尤其是仰拱低洼、明挖基坑等部位，应配置足够的、有备份的抽水设备，避免积水恶化工程条件或淹没危险。针对雨洪侵袭、岩土与围岩坍塌等各类危害或事故，设置防洪堤台、救生管、栈桥等应急通道；配备爬梯、安全绳、供氧防毒避难室等逃逸与救援设备与设施，具备及时自救与救援基本条件，避免和减少灾害损失。

认真实施超前地质预报措施并仔细记录，查明前方和周边地质条件，同时逐段核实围岩级别；逐点逐段监测水量、水压，并取岩样和水样化验，对环境和侵蚀作用的类型和 等级、水量、水质进行复查，及时分析和提出差异或异常情况，为避免施工和环境灾害、妥善处理工程提供基本条件。

应按《铁路隧道监控量测技术规程》和本设计要求，全面实施洞内外监控量测并及时进行反馈分析。当监控量测及分析成果为正常情况时，应严格按设计文件施工，不得随意改变设计参数；如有异常应立即采取措施保证安全，并迅速报告有关单位，以便及时处理。

隧底结构施作前，应采取进一步针对性的物探、钻探及勘测等综合措施，查明隧道周边，尤其是隧道基底以下的地质条件，若存在软弱或空穴等情况，不得随意回填，应及时采取措施保证安全并提请相关部门进行相应处理。相应支护层应预留探查与处理条件，所报情况须经设计处理或明确后，方可施作隧底结构。

本隧道围岩软弱，洞内岩溶弱发育，全隧道施工应务必落实超前地质预报措施，谨慎施工，并加强监控量测、及时支护和衬砌；各洞口及相关地段应采取切实的构筑物加固和保护措施，落实安全控制和管理，保证施工安全和既有构筑物运营安全。

4 结语

由于岩溶发育无规律性，仍难以准确查清岩溶的具体形态及其对隧道的影响范围与程度，这说明进行铁路工程岩溶勘察（尤其是隧道岩溶勘察）的难度极大，岩溶发育具有高度隐蔽性、无规律性、不均一性及复杂性，通过处理本段岩溶，为隧道溶洞处理积累了宝贵经验。

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［4］王少辉，陈兆，蒋冲，等.特大型溶洞隧道综合处治方案及施工技术［J］.隧道建设，2017，37（6）：748-752.

［5］王者鹏，陈迪杨，叶志华，等.山岭隧道溶洞处治技术［J］.公路工程，2016，41（2）：72-74，112.

U455.49

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.005

2095－6835（2020）02－0018－04

黄彬（1983—），男，本科，工程师，主要从事铁路工程施工管理。

〔编辑：严丽琴〕