铁盔山隧道富水岩溶塌落柱段施工处理技术

王 芳 汪 勇 郑杰元

(中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

铁盔山隧道位于成贵铁路贵州省境内黔西至贵阳区间，为设计时速250 km的单洞双线隧道，全长5 227 m，最大埋深约380 m。下伏基岩为三叠系中统狮子山组(T2sh)之灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩夹薄层页岩、溶塌角砾岩，三叠系中统松子坎组(T2sh)页岩、泥质白云岩、灰岩、白云岩、泥岩、泥质灰岩夹石膏，三叠系下统茅草铺组(T1m)泥质白云岩、白云岩、泥质灰岩灰岩夹页岩、溶塌角砾岩；另外分布有断层角砾岩、断层泥、压碎岩等组成的断层破碎带(Fbr)物质。预计最大涌水量为8.24万m3/d，岩溶主要发育段涌水量预计6.94万m3/d。

为加快施工进度，满足工期要求，解决施工通风、排水以及不良地质段处理等问题，兼顾运营期间防灾救援，铁盔山隧道采用“进口平导+出口平导”的辅助坑道方案，其中进口平导与正洞为剪刀差形式。铁盔山隧道纵断面见图1。

2 岩溶塌落柱发育分析

2.1 岩溶塌落柱现场发育情况

铁盔山隧道出口平导开挖至PDK469+395时，掌子面揭示有溶洞塌落堆积体，堆积体以块石为主，夹少量黏土，结构紊乱且具有一定胶结性，岩块棱角分明，块径0.2 m～2 m不等，自稳性较差，掌子面出水量约4 000 m3/d，后经雨季观测，最大出水量达36 000 m3/d。现场揭示情况如图2，图3所示。

通过在平行导坑掌子面及后方施作7个水平地质钻孔，探明了掌子面前方地质情况及不良地质体范围。同时为降低超前平导及正洞施工风险，确保施工安全，根据超前探测资料，在PDK469+435线路右侧实施迂回导坑方案，其布置图如图4所示。

施工现场于正洞、平导、迂回导坑实施超前水平钻孔和隧底补勘工作。通过对钻孔情况、芯样成分进行分析，结合现场超前TSP报告，基本探明该不良地质体的发育范围，发育范围位于平导PDK469+341～PDK469+395段线左32 m至线右27 m，侵入正洞约6.5 m。示意图如图5所示。

综合分析揭示围岩情况、现场揭示水文地质情况以及隧区地形地质条件，基本判断该不良地质体为岩溶塌落柱。岩溶塌落柱是岩溶洞穴塌陷的产物，它是下伏可溶性岩层，经地下水强烈溶蚀形成溶洞后，在各种地质因素的作用下，引起上覆岩层失稳、塌陷，从而形成的筒状柱体。

2.2 岩溶塌落柱发育的地质环境

岩溶塌落柱的发育是多种地质因素共同作用的结果，它的形成往往需经历一个孕育、发生、发展的复杂过程，有其特定的地质环境。

1)可溶性岩层。可溶性岩层是岩溶塌落柱发育的前提条件，也是塌落柱发生的始发层位。该不良地质体段穿越三叠系中统松子坎组(T2s)，地层中的灰岩、白云岩、石膏层属可溶性岩层；下伏的三叠系下统毛草铺组(T1m)地层主要为可溶性岩层，岩溶中等～强烈发育。

3)地下水径流条件。隧址区侵蚀基准面为鸭池河，其河面标高大致为840 m，平导PDK469+395底面标高为1 108 m，地势落差大，地下水运动非常活跃，该不良地质体下伏地层内有充分发育形成溶洞的条件。

4)地质构造(主要是裂隙)。该不良地质体段位于铁盔山盆状向斜核部附近，竖向张开节理发育，洞身所穿三叠系中统松子坎组(T2s)地层以薄～中厚层状为主，岩体被切割成规格各异的块体。在向斜核部张应力作用下，岩层底部蚀空、脱空后易于发生坍塌陷落，为塌落柱的向上发育创造了条件。

5)力学条件。主要指的是重力作用，其是岩溶塌落柱向上不断发育的主要力学条件。以伸展构造为主的铁盔山盆状向斜区域，其最大主应力处于垂直方向，水平应力相对较低。

2.3 岩溶塌落柱地质特征

1)岩溶塌落柱工程地质特征。PDK469+395揭示的岩溶塌落柱其塌落主要发生于三叠系中统松子坎组(T2s)地层，其岩性主要为页岩、泥质白云岩、灰岩、白云岩、泥岩、泥质灰岩夹石膏。根据现场实施水平探孔取芯分析，隧道周边塌落堆积岩块母岩主要为泥质白云岩、页岩、灰岩等，根据现场PDK469+395掌子面揭示情况，塌落堆积岩块之间有一定胶结，说明是有一定地史时期的塌落柱，其中泥岩因受长期侵蚀，有一定的泥化现象。PDK469+395掌子面揭示的塌落体呈块石夹黏土状，其中的黏土一部分由地下水携带而来，一部分则为泥化的页岩。

另外，岩溶塌落柱的形成是一个多次塌落的过程，在长期的塌落过程中，上覆岩体向柱体内塌落，柱边围岩不断受到塌落岩块的撞击，加之卸荷作用，岩溶塌落柱的柱边围岩将逐渐形成环状裂隙破碎带，其结构强度也将降低。

可见，该岩溶塌落柱柱体及其柱边围岩属于地质体薄弱带，岩体稳定性差，且承载力较低。

2)岩溶陷落柱水文地质特征。根据施工现场水文观测，2017年6月23日PDK469+395掌子面出水量达36 000 m3/d，可见该岩溶塌落柱为一典型的发育于地下水强径流带上的导水塌落柱，其塌落堆积物未能很好压实胶结，自身成为导水通道。

另一方面，塌落柱周边裂隙带导水，也容易引发塌落柱突水。塌落柱在形成过程中，周边围岩因卸荷、松动、撞击形成了一个以塌落柱柱体为中心的、不规则环状破碎裂隙带，受次生应力作用(即隧道开挖后岩体内应力重新分布)的影响，裂隙带抗剪强度降低，地下水的侵入，导致裂隙尖端应力集中，使裂隙扩展、贯通，成为导水通道，引发塌落柱突水。结合现场施工实际情况，隧道出口工区施工至DK469+918之后，洞室内逐渐出现裂隙出(涌)水的情况，最大出水量达约12 000 m3/d，这种裂隙出(涌)水的情况在某种程度上与塌落柱周边裂隙带导水的分析相吻合。

总体而言，该岩溶陷落柱柱体本身及柱体边围岩均为地质体薄弱带，阻水强度低，施工时容易引发突水。岩溶塌落柱发育纵断面示意如图6所示。

3 隧道穿越岩溶塌落柱段施工处理措施

3.1 隧道穿越岩溶塌落柱段面临的问题

隧道穿越岩溶塌落柱段施工时，首要问题是结合岩溶塌落柱的特点确定其范围以及与隧道的相对位置关系，这一问题在前文中已经说明清楚。其次是施工中需要对岩溶塌落柱段的地下水进行有效引排以及对不良地质体进行有效地加固，从而确保隧道穿越岩溶塌落柱段的施工安全。

3.2 岩溶塌落柱段隧道施工处理措施

1)富水岩溶塌落柱段排水降压。前文中迂回平行导坑采取模筑混凝土衬砌，目的是为了能够将富水岩溶塌落柱段的地下水尽量引排至迂回导坑，同时在导坑内靠近塌落柱段模筑混凝土衬砌边墙处布置集水钻孔，钻孔孔径为150 mm，每孔长度35 m，集水钻孔纵向间距为2 m，钻孔布置如图7所示。通过设置集水钻孔，有效地将岩溶塌落柱段的地下水进行引导排放，从而降低了该段隧道结构承受的水压力，保证了施工安全。

2)富水岩溶塌落柱段注浆加固。根据地质勘察情况，对DK469+353～DK469+393段富水岩溶塌落柱段进行注浆加固处理，主要采用超前周边注浆、拱墙范围径向注浆加固措施以及隧底袖阀管注浆加固措施。具体如下：

a.超前周边注浆。铁盔山隧道DK469+393～DK469+353段线路右侧揭示不良地质体，侵入正洞掌子面约1/3，不良地质体由大小不一的碎块石紊乱堆积，岩块棱角分明，最大块径约1 m，间夹较多软塑状黏土。为确保施工安全，于DK469+396～DK469+335段采用超前周边注浆加固，注浆过程中根据地质水文条件适当调整注浆参数。

主要注浆参数见表1，超前注浆纵断面见图8。

表1 超前周边注浆相关参数表

b.拱墙范围不良地质体影响区域注浆加固。采用φ60钢花管注浆加固(壁厚5 mm)，间距0.6 m(纵向)×1 m(环向)，每根长5 m，考虑到雨季施工地下水发育情况，注浆采用双液浆，注浆压力为1.2 MPa～2.5 MPa，通过现场注浆试验确定具体注浆压力、配合比等有关参数和合理的施工工艺。注浆过程中对浆液流动性、进浆速度、注浆压力、进浆量等参数进行全过程记录，并根据施工需要适当掺外加剂调整浆液的流动性。

c.隧底注浆加固处理。隧底不良地质体影响范围内采用φ108钢质袖阀管(壁厚6 mm)注浆加固，钻孔直径为φ127，间距0.6 m×0.6 m，交错布置，袖阀管至仰拱填充面以下30 m，利用仰拱填充面高程作为施工平台，平台面至平台以下5.3 m区域不注浆。注浆完成后，基底采用厚3 m的钢筋混凝土筏板通过，筏板每次开挖不超过12 m。二衬采用80 cm厚的钢筋混凝土衬砌。施作筏板时为确保初期支护的安全，钢架应接到筏板底并设置锁脚锚管，同时锚网喷临时防护。隧底处理典型断面如图9所示。

4 结论

本文结合成贵铁路铁盔山隧道富水岩溶塌落柱段施工，对岩溶塌落柱发育情况和隧道穿越岩溶塌落柱段面临的问题进行分析，提出隧道穿越富水岩溶塌落柱段施工处理措施，形成如下结论：1)大型不良地质体需加强超前预测预报工作，准确探明不良地质体发育范围和性质，综合分析富水充填体储量、水压、连通性、充填物等特征，充分评估其对隧道施工和运营的危害程度。明确充填物性质及其与隧道的相互关系是首要工序。2)岩溶塌落柱段地下水对隧道施工及结构的安全影响很大，安全有效的排水降压是确保工程顺利实施的关键要点。3)结合岩溶塌落柱段的物理特性和隧道结构受力模式针对性地采取不同的注浆方式，明确注浆目的和作用是解决施工安全问题的重要前提。4)铁盔山隧道穿越岩溶塌落柱段施工，通过采取迂回导坑和超长钻孔探明了富水岩溶塌落柱发育范围，结合不良地质范围与隧道相互关系分析控制因素，采用排水降压和超前周边注浆、拱墙范围径向注浆加固措施以及隧底袖阀管注浆加固等措施，优化调整隧底结构型式，保证了该段复合地基承载力特征值不小于400 kPa，确保了铁盔山隧道不良地质体范围的施工安全。本文总结的富水岩溶塌落柱隧道施工处理技术对岩溶地区类似隧道工程的建设具有重要的指导意义。