安六铁路对门寨隧道大型溶洞群形成机理分析及整治方案设计

周关学 王科 冯涛

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 工程概况

安顺至六盘水高速铁路东接沪昆客运专线安顺西站，向西经六盘水市六枝特区，于六盘水枢纽水城站接轨后利用既有沪昆铁路至六盘水站，运营长度124.65 km，设计时速250 km，是六盘水市至贵阳市的快速铁路通道［1］。

对门寨隧道起止里程为DK33+844—DK35+600，全长1 756 m，线间距4.6 m，全隧位于5%的单面上坡。在隧道进口工区施工揭示出大型溶洞群，其中：隧道中溶洞里程为DK34+110—DK34+215，DK34+340—DK34+450，泄水洞中溶洞里程为XDK34+380—XDK34+495。溶洞处隧道埋深20～40 m。对门寨隧道隧底溶洞平面如图1所示。

图1 对门寨隧道隧底溶洞平面示意

2 隧址区岩溶地质环境

2.1 地层岩性与地貌

对门寨隧道属于低山丘陵区，地面高程1 318.5～1 751.1 m，相对高差432.6 m。隧道地表岩溶漏斗、洼地、落水洞及溶蚀沟谷发育。线路左侧为溶蚀槽谷区，右侧山脊为测区最高峰老鸭山。

隧道穿越三叠系中统关岭组（T2g）和下统永宁镇组（T1yn）地层，DK34+110—DK34+450 段溶洞发育段地层岩性为三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1）的浅灰色至深灰色中厚～厚层灰岩夹少量白云质灰岩。

2.2 地质构造

隧址区位于扬子地台之滇黔川鄂台褶带。隧道位于六枝向斜北东翼，岩层产状为 N50°～85°E/30°～40°SE，两组张节理产状为N50°E/90°和N60°W/90°，张节理在溶蚀作用下形成岩溶裂隙及岩溶管道，控制地下水流向［2-3］。

2.3 水文地质

2.3.1 区域水文地质条件

该隧道北侧为六枝向斜北翼（大煤山背斜南翼），山脊为长江水系与珠江水系的分水岭［4］，分水岭北部地下水流向N 及NE 方向，汇入乌江；分水岭南部地下水流向S 及SE 方向，流经六枝河，最后汇入北盘江。六枝向斜属于珠江流域北盘江水系，向斜核部地表冲沟发育，轴部溶蚀槽谷内地表水及地下水丰富。

2.3.2 岩溶水的补给、径流和排泄

地下水类型为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水及岩溶水，岩溶水丰富。隧址区地下水总体由北流向南，由线路右侧流向左侧。大气降雨在大煤山背斜的最高峰老鸭山一带汇集，沿含煤地层的地表冲沟流至可溶岩与非可溶岩分界线时，在接触带灰岩侧岩溶发育的耳红村大洞口和苏家寨村龙滩口汇集并转入地下暗河［5］。地下暗河流经对门寨隧道隧底溶洞群后，受非可溶岩地层影响，由西向东流入黑晒河，流程长约4 km。对暗河出口泉点进行了一个雨季的观测，暴雨时最大流量42 163 m3/d。对门寨隧道水文地质图见图2。

图2 对门寨隧道水文地质图（高程单位：m）

3 溶洞地质补勘

3.1 DK34+110—DK34+215段溶洞

上台阶施工至DK34+195 时发现拱顶发育溶洞，暴雨时溶洞及其周边裂隙有小股水流出，水量约150 m3/d。下台阶施工至DK34+164 时，左侧隧底揭示一溶洞，溶洞口沿线路方向长约5 m，垂直线路方向宽约7 m，可测深度约36 m。溶洞口自稳性较差。

3.1.1 溶洞大厅测量

在DK34+164 隧底揭示出大型溶洞，溶洞口长8～10 m、宽6～11 m，近方形。溶洞大厅岩层产状N85°E/30°SE，节理产状N50°E/90°，N60°W/90°。该溶洞主轴与线路交角40°～54°，主轴长约189 m（线路左侧、右侧分别长67，122 m），溶洞最深约46 m，最宽约38 m。该溶洞沿区域性张节理（产状N60°W/90°）延伸，溶洞走向与岩层倾向基本一致。石钟乳、石柱发育，溶洞底可见积水潭，洞顶坍塌严重。DK34+164 隧底溶洞主轴断面如图3所示。

3.1.2 物探及钻探补勘

图3 DK34+164隧底溶洞主轴断面示意图

经物探及钻探补勘［6-7］，隧底溶洞口高程1 376.85 m，溶洞底部最低高程1 323.81 m，溶洞顶板厚度0 ～19.3m，溶洞高度5～53 m。溶洞高程1 376.85 ～1 330.10 m 段无充填物，高程1 330.10～1 323.81 m 段有充填物，充填物为松散的碎块石，碎块石表面有冲积的薄层黄色黏土。

3.1.3 地下水观测

溶洞大厅底部可见出水点和积水潭，出水点高程1 338.5 m，水量约3 000 m3/d，水质清泽，洞壁可见水淹痕迹线。DK34+120.92 左侧50.106 m 处溶腔壁水淹痕迹线高程1 338.99 m；DK34+126.85左侧12.23 m处溶腔壁水淹痕迹线高程1 341.351 m，隧底距溶洞内最高水位痕迹线的垂直距离为35.50 m。

3.2 DK34+340—DK34+450段溶洞

3.2.1 溶洞大厅测量

DK34+340—DK34+450 段施工中揭示出空溶洞（图 4），溶洞壁岩层产状N80°E/30°SE。溶洞分布：①DK34+345—DK34+390 左侧边墙及拱部，溶洞宽0.3～5.2 m，高 2～10 m，无 充 填 。 ② DK34+405—DK34+430 段左侧19.0 m 至右侧0.5 m 范围及拱顶以上，溶洞长约42 m，宽3～5 m，高5～15 m，无充填，溶洞底部为过水通道。DK34+415 右侧2 m 处的溶洞向右斜穿线路，并延伸出右边墙外，溶洞长约11 m，宽0.3～2.0 m，高0.5～5.0 m。

图4 DK34+340—DK34+430段隧道左边墙纵断面示意

3.2.2 溶洞地质补勘

经地质补勘，隧底溶洞顶板厚度0～10 m，高度1.0～5.4 m，溶洞分布于 DK34+360—DK34+430 段左边墙及线路左右线，高程1 362.50～1 375.79 m。

3.2.3 地下水观测

DK34+405—DK34+440段溶洞底部左侧有地下水流动，水深约1 m，水流量约60 m3/d。DK34+409—DK34+415段左侧10～19 m溶洞底部有积水潭，水深约10.1 m，洞腔壁最高水位线高程1 371.768 m。旱季水位高程1 368.648 m，比隧底约低6.4 m；暴雨时积水潭水位上升至高程1 374.074 m，比隧底约低1.0 m。

3.3 XDK34+380—XDK34+495段溶洞

本隧道进口至DK34+425段线路右侧30 m设计泄水洞，泄水洞起止里程XDK33+818—XDK34+478，全长660 m。泄水洞开挖至XDK34+444 时，坑底发现一溶洞，溶洞口长约5 m，宽约5 m，深不见底。溶洞向线路右侧和左侧都有较长的延伸，溶洞内部呈不规则形状，岩溶管道发育且复杂，有塌陷风险［8］。

3.3.1 溶洞测量及补勘

XDK34+380—XDK34+495 段揭示溶洞主轴与泄水洞交角为20°，40°，主轴长约155 m，隧底溶洞最深约43.6 m，最宽约35 m，岩层产状N45°E/35°SE，溶洞顺岩层面斜向下发育，为半充填型溶洞。隧底以下35 m 范围为空溶洞，溶洞底部有洞顶坍塌的碎块石及粉土堆积，堆积物厚度0～20 m。粉土层呈饱和状，厚0～3 m。该溶洞已伸入铁路隧道底以下，顶板厚18 m，宽1～8 m，高4.5～20.0 m，溶洞与隧道相交后逐渐尖灭。XDK34+444处坑底溶洞主轴断面如图5所示。

图5 XDK34+444处坑底溶洞主轴断面示意

3.3.2 地下水观测

XDK34+380—XDK34+495 段溶洞上游可见台阶状陡崖，陡崖脚可见积水塘，积水塘面积约324 m2，水塘深约3～5 m，水位高程1 328.07 m，积水塘水位距泄水洞坑底垂直距离为43.27 m。推测地下水位位于泄水洞坑底以下15～20 m。

4 溶洞群形成机理分析

4.1 有利的碳酸盐岩组

永宁镇组一段中～厚层隐晶质灰岩地层为岩质纯的碳酸盐岩组，该岩组岩溶化程度高。

4.2 受构造节理裂隙控制

位于六枝向斜北东翼的对门寨隧道受向斜构造影响，测区N50°E/90°和N60°W/90°两组张节理发育，岩层面及张节理为地下水活动和岩溶作用提供了有利条件。

4.3 大气降雨及地下水的作用

测区降雨丰沛，年平均降雨量1 200 mm，植被发育。大气降雨在通过空气和土壤时水中的游离CO2增加，增强了对碳酸盐岩的溶蚀作用［9］。富含大量CO2的地下水顺着岩层面和张节理下渗，朝向斜核部的沟槽移动，增强了隧道岩溶的发育程度。

4.4 可溶岩与非可溶岩分界线的影响

隧道洞身两侧岩溶受可溶岩与非可溶岩地层接触带的影响和控制。隧道洞身位于两套非可溶岩地层夜郎组（T1y）和关岭组一段（T2g1）之间的永宁组一段（T1yn1）可溶岩地层中，岩溶及岩溶水特别发育。

4.5 地下暗河径流控制溶洞发育方向

大煤山汇集的地表水沿上二叠统煤系地层和夜郎组非可溶岩地表冲沟径流，流至T1yn1灰岩地层时，在耳红村大溶洞口和苏家寨村龙潭口分别汇入地下，形成2条地下暗河。地下暗河由线路右侧流经对门寨隧底，在 DK34+110—DK34+215，DK34+340—DK34+450 和XDK34+380—XDK34+495 形成大型溶洞群。溶洞群主轴方向与地下暗河径流方向一致。

5 溶洞群整治方案设计

5.1 隧底低水位溶洞分层间隔回填处理

对地下水位低的DK34+120—DK34+190 和XDK34+380—XDK34+495 隧底溶洞采用“弃渣+C20 混凝土”分层间隔回填［10-11］，回填层厚度3 m（图6）。其中弃渣层回填分层进行，分层厚度1 m，并碾压密实，压实度K≥ 0.95。

图6 DK34+120—DK34+190段隧底岩溶处理（高程单位：m）

岩溶空腔大，为避免回填完成后基础产生不均匀沉降，回填施工前对挡墙及回填体基础采用φ76 mm钢管桩加固。钢管桩间距1 m（纵向）×1 m（横向），加固深度应嵌入完整基岩1 m。

回填体两侧设置C25混凝土挡墙，挡墙顶宽1.5 m，胸坡坡度1∶0.3。挡墙内设置钢管脚手架，用以外挂模板浇筑混凝土。

溶洞内地下水总体由北向南流动，在底层（C20混凝土回填层）底部及顶部、第2 层（C20 混凝土回填层）顶部，分别埋设3 排钢筋混凝土管，每排3 根，间距1.5～2.0 m，其中第1 排、第3 排管直径100 cm，第2 排管直径150 cm。排水坡坡度为2%。

DK34+164处隧底岩溶处理完成后，在隧底设置沉降观测点，共布置 5 个断面（DK34+145，DK34+150，DK34+155，DK34+160，DK34+170），每个断面埋设3个观测点。经过1 年多观测，工后沉降监测数据满足设计要求。

5.2 隧底高水位溶洞桩筏结构处理

对地下水位高的DK34+340—DK34+450 隧底溶洞采用桩筏结构通过。钻孔桩桩径1.25 m，桩长4～12 m，桩间距3.5 m（横向）×3.5 m（纵向），采用C35 钢筋混凝土，桩底嵌入基岩深度2 m。

桩顶筏板横向宽13.30～17.80 m，筏板厚1.5 m，采用C35 钢筋混凝土。筏板横向施工缝间距10 m，且设置于2排桩中间位置。

5.3 隧道洞身岩溶处理

洞身DK34+340—DK34+450 左边墙及拱肩溶洞空腔设2 m 厚C20 混凝土护墙。左墙脚溶洞空腔、拱部及右拱肩溶洞空腔采用C20混凝土回填密实。空腔壁采用锚网喷防护［12］：喷C25 混凝土，厚10 cm；φ8 钢筋网，网格间距20 cm×20 cm；φ22砂浆锚杆长4 m，间距1.0 m（纵向）×1.0 m（横向）。

为加强地下水引排，环向盲管每间隔3 m 设一环。中心水沟与侧沟连接处设φ100 PVC横向导水管，纵向间距为5 m。边墙溶洞设置护墙，护墙施作前预埋φ100 HDPE波纹管，纵向间距2 m，波纹管直接引入中心水沟。波纹管端头外裹无纺布，并伸入护墙外50 cm。

5.4 设置泄水洞及集水廊道引排地下水

为确保隧道施工及运营的安全，充分发挥泄水降压作用，于隧道进口至DK34+425段右侧30 m设置1个泄水洞，泄水洞起止里程XDK33+818—XDK34+478，全长660 m。为有效引排正线DK34+404—DK34+440段左侧溶洞积水及过水通道内的积水，于泄水洞XDK34+454.97（对应铁路隧道里程DK34+404.75）处设置了集水廊道和下穿铁路隧道的框架涵。

6 结语

通过水文地质补充勘察，查明了对门寨隧道大型溶洞群位置、形态、水文地质特征及形成机理，为溶洞整治设计提供了依据。

对门寨隧道隧底低水位溶洞采用“弃渣+C20混凝土”分层间隔回填，对高水位溶洞采用桩筏结构处理，并加强隧道引排水设置了泄水洞及集水廊道。经实施该方案安全可靠。