高速铁路隧道穿越大型竖向岩溶管道施工技术

周大勇

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 工程概况

某高速铁路蔡家寨隧道全长3108m，隧区地貌为高原溶蚀峰丛洼地地貌，峰顶浑圆，多呈圆锥状，洼地呈长条形，不规则。沿线地面高程为1420～1580m，相对高差50～120m。隧道进口端为深切河谷左岸斜坡，出口端隧道两侧为溶蚀槽谷，隧道洞身行进在溶蚀峰丛及洼地之下，基岩裸露，植被不发育，溶蚀槽谷、洼地为旱地。隧道最大埋深约120m，最浅埋深约3m。

2 隧道工程地质、水文地质条件

该隧道上覆地层为第四系全新统坡残积黏土，下伏基岩为三叠系下统永宁镇组三段灰岩夹泥质灰岩，二段泥岩、白云质泥岩及泥质灰岩、一段灰岩。隧道穿越区属于单斜构造，未发现断裂构造痕迹。层面较平整，产状平缓。

隧道区域内地表水主要为大气降水，雨季个别沟槽内有少量流水，平时无其他地表水体。降雨后很快以蒸发、下渗和径流等形式排泄，地表缺水严重。

地下水主要为岩溶水和基岩裂隙水，主要靠大气降水补给，由于距深切的河谷较近，隧道底至河谷高差达200m，排泄基准面低，雨季地表水补给后有个别性泉点出水，大部分雨水沿节理裂隙、溶蚀管道以垂直的排泄形式排入河中，隧道位于岩溶水的垂直循环带内，总体地下水不发育。隧道洞身存在泥岩，泥质白云岩，起到隔水作用，雨季局部溶洞可能存在积水，浅埋地段沟槽内地下水易进入隧道，雨季局部溶洞积水可能会造成突水事故。计算的隧道正常涌水量：Q总=11837m3/d，最大涌水量Qmax=23674m3/d。

3 岩溶揭示及判识

隧道施工采用三台阶法由小里程向大里程方向开挖，上台阶开挖至隧道里程D3K417+565时，正对隧道掘进工作面的左侧加深炮孔、左侧局部炮孔钻探突进，无水，经判识前方安全后爆破开挖，后在里程D3K417+567处上台阶左侧爆破揭示溶洞，呈垂直向发育，溶洞壁较光滑，见图1溶腔发育状态。

溶腔上部状态

溶腔上部状态

溶洞位于隧道掘进工作面左侧，直径约8m，侵入隧道左侧开挖轮廓线约3m；隧道拱顶发育溶洞支洞，岩体较破碎。溶洞从上台阶开挖线向上发育可见约30m(该处埋深约45m)，溶腔顶有掉块及渗水现象；从上台阶开挖线向下发育推测深度大于200m(抛石估算深度)，具体深度不详，溶洞与隧道位置关系见图2溶洞平面示意图。

图2 溶洞平面示意图

隧道位于岩溶水的垂直循环带内，该溶洞洞壁发现过水痕迹且有渗水现象，抛石估算深度时可听见水响。无线地震波三维成像地质超前预报系统的报告显示隧道里程D3K417+560～D3K417+607段围岩以中风化为主，层理或裂隙很发育，破碎夹层发育；岩石以较硬岩石为主；完整性很差、稳定性很差、自稳性差；地下水不发育。隧道里程D3K417+563～D3K417+574段围岩溶槽(洞)发育，含有泥质充填物。超前预报的地质情况与隧道掘进工作面实际情况基本相同。结合该段水文地质条件，判识该溶洞为一大型竖向过水岩溶管道。

4 岩溶处理

4.1岩溶处理原则

确保隧道掘进工作面安全。位于隧道左侧的溶洞，宽度及高度均较大，在隧道掘进工作面开挖方向延伸。处理后，应使隧道在掘进工作面能保持围岩的相对稳定，防止工作面坍塌。溶洞处理应结合补勘地质资料及施工中超前地质预报资料来进行。溶洞揭示前，在靠近溶洞处的掘进工作面加深炮孔进行地质预报，勘探前方围岩情况，确定溶洞是否向线路右侧发育。

在中、下台阶开挖前，采用风枪钻孔等方法，探测隧道台阶范围垂直向下方向围岩地质情况，确定溶洞在台阶范围内是否发育，保证施工人员及机械在施工过程中的安全。

满足永久隧道结构的承载力、变形要求。溶洞填充物和岩层承载力有很大的差别，溶洞延伸至隧道底的部分，其填充物承载力较低，不能保证隧道底部的稳定。通过对填充物处理，应提高该处地层的承载力，减小不同地层之间的差异沉降。

满足隧道防排水要求。隧道穿越区溶洞范围内均发现有水痕迹或少量的积水，溶洞内有季节性岩溶水。溶洞处理后，隧道结构需满足防水要求，不影响溶洞原有过水通道。

处理前在溶洞口周边做好警戒，加强照明，并设置固定栏杆防护。对溶洞段附近地表进行详细的勘查，地表存在漏斗时进行地表处理。核实地质情况，进行岩溶、塌方、突泥突水危险性评估。对溶洞处理施工过程中可能出现的塌方、突泥突水等情况制定可靠的处理措施。利用围岩量测系统做好溶洞洞顶的沉降观测工作，对地表对应范围进行警戒、标示，加强巡视，防止地表坍陷后造成次生灾害。溶洞处理流程见图3溶洞处理流程图

图3 溶洞处理流程图

4.2初期支护施工

上台阶施工超过溶腔范围外3m时，掘进工作面停止掘进。拱部范围溶腔壁喷射C25混凝土封闭，厚度为10cm。

隧道拱顶120°范围内的超前支护采用管棚法。管棚为壁厚6mm的Φ89热轧无缝花钢管,管棚中心环向间距40cm,外插角为1°～3°，管棚长度为15m, 内设钢筋笼，管棚注浆浆液采用P·O 42.5型。管棚与小里程已支护完成的钢拱架进行搭接，搭接长度不小于2m，并焊接牢固。

溶洞段在确保安全后于开挖范围外施工2m 厚混凝土护拱，内设I20b工字型钢钢架，护拱嵌入基岩以下0.5m并预留5根Φ150管作为泵送混凝土孔，同时预留吹砂孔，护拱完成后，及时进行施工初期支护。该处初期支护采用型钢钢架加强，钢架预留沉降量加大至15cm，钢架间距0.5m/榀； 钢架锁脚处每个接头增设2根Φ42锁脚锚杆，每根长4m，钢架锁脚处需满足承载力要求，若岩体不满足，采取换填、注浆加固等措施。系统支护采用Φ42注浆锚杆代替系统锚杆。待初期支护结构稳定后，通过泵送孔泵送混凝土至拱顶以上2m，泵送混凝土达到工程要求后，利用预留吹砂孔吹砂至泵送混凝土以上3m, 预留吹砂孔后期兼做排水孔，吹砂孔采用Φ100的PVC管，周边打孔并外裹无纺布，采用6根Φ80环向排水管引水至隧道侧沟。

溶洞段支护施工完成并确认拱部岩体稳定后，前方采用“短进尺、快循环、弱爆破、少扰动、紧封闭”的方法，进行开挖掘进。

开挖过程中采用竖向支撑来保证溶洞范围内半幅初支拱架的安全与稳定，竖向支撑为间距1m的双I18工字型钢钢架，钢架底部焊接16mm厚50cm×50cm钢板撑脚。施工时先将地面虚碴清理干净，然后在地面打入1m深Φ22锚杆，将锚杆与钢架撑脚牢固连接，支撑钢架顶部与初支钢架连接，见图4溶腔竖向支撑示意图。

溶洞段上台阶拱脚处施工一座长15m、宽1m跨溶洞简支钢梁栈桥，栈桥向左侧岩壁伸入80cm，两端采用混凝土固结，左侧上台阶拱架立于栈桥上。左侧拱架每榀增设5组锁脚锚管，拱架背后与溶洞壁之间的空隙采用喷射混凝土回填密实。

图4 溶腔竖向支撑示意图

隧道中台阶开挖至距离溶洞位置7m时暂时停止掘进，在该处线路右侧及上台阶掘进工作面与线路方向45°施工一长30m的探孔，进一步探查溶洞及周边地质条件。经过探查，钻探范围内无溶洞发育，围岩完整，为保证施工进度及安全，正洞采用小断面先行通过的施工方案，溶洞区影响范围内不施工衬砌，待溶洞处理完成后再组织施工。

4.3溶洞处理

由于隧道揭示溶洞影响到隧道拱顶和隧道左侧大部分围岩，致使上台阶拱架左侧拱脚无支撑点，拱脚底部采用栈桥作为底梁跨越溶洞，上台阶型钢拱脚落至栈桥上，然后对隧道该溶洞段采用左右侧下台阶开挖，开挖时，底部仍然采用栈桥作为底梁跨越溶洞，将下台阶型钢焊接至上台阶栈桥的靠边墙侧型钢上，与此同时，割除上台阶栈桥未焊接到拱架上的工字型钢。

结合该段水文地质条件，首先对该处溶洞采用石块进行回填，为下一步溶洞处理形成作业平台。考虑该溶洞为过水溶洞，前期利用隧道弃碴对溶洞进行回填，弃碴采用大型钢丝笼装裹石块抛填，石块直径不小于2m，3至4个为一体，整体抛填，以便石块可以卡住溶洞形态变化处，减少抛填量，同时留出排水通道。当大型石块抛填至距隧道底面约150m时(通过测绳测量)，直接将隧道内弃碴抛填至溶洞内，抛填至距隧道底面约5m，其上部采用干净的碎石回填。

利用碎石回填面作为溶洞处理的施工平台，对溶洞周边喷射混凝土封闭，以防止小的松散体掉落，局部增设锚杆和钢筋网片。

溶洞段采用2榀纵向托梁跨越，预留该处仰拱填充段，衬砌段不施工，为后期托梁施工预留工作面。托梁截面2m×2m，置于隧道边墙底及边墙左侧。碎石回填面上托梁范围施工厚10cm 的混凝土找平层。找平层施工时留出过水通道，不封闭托梁以外范围。仰拱开挖后，确定托梁基础位置，使托梁梁端置于稳固可靠的基础上。托梁基础采用扩大基础。在基础顶面上浇筑钢筋混凝土基础梁。基础梁宽度为12m，厚度为100cm。钢筋的主筋(纵向筋)采用Φ25 mm的螺纹钢，间距为10cm；横向筋采用Φ14mm螺纹钢，间距为15cm；架立筋采用Φ10mm的圆钢。搭接长度不小于1 m。

根据现场实际情况，再增加C25钢筋混凝土路面板。施工时每2 m预埋高密度聚乙烯透水管。衬砌拱墙范围外施工C30混凝土护拱及护墙，厚1.5m，内设I20b型钢钢架，纵向间距0.8m。工字型钢钢架与岩面接触处设置2根锁脚锚杆，长4m/根；与托梁接触处设置垫板及锚栓固结。护墙施作前预留横向PVC排水管至隧道侧沟，于溶洞影响范围里程起点、中点、终点各设置一道，共计3道，护拱护墙完成后及时施作衬砌。

结语

探明溶洞周边地质后，通过初期支护增加竖向钢支撑，预留溶洞段衬砌，掘进施工小断面先行通过，保证过水通道畅通的方案，在不耽误工期的情况下，岩溶管道得到了有效的处理。经过铁路的实际运营，岩溶管道处理效果良好，该段隧道未出现质量病害。竖向溶洞管道处理时探明周边的地质情况及保证岩溶管道的过水通畅是关键，这样才能保证施工中及运营后的安全与质量。