成贵铁路上高山隧道超大型溶洞处理技术与应用

方振华　余庆　岳志勤　丁浩江　罗明磊

摘要：隧道施工遇超大型溶洞，需对其进行科学地分析，查明其工程特性、分析评价其稳定性，进而制定安全、可靠、合理的工程处理措施。成贵铁路上高山隧道在施工过程中揭示出115 m×90 m×20 m（长×宽×高）的超大型溶洞大厅，底部岩溶堆积物厚30～49 m，隧道穿越长度约80 m。现场通过补充测绘、地质调查、钻探及内业分析对该超大型溶洞进行了详细的补充地质勘察。综合分析得出：岩溶大厅顶板大部分区域稳定性差，侧壁稳定性较差，但隧底堆积体整体是稳定的，经综合比选，采用填充混凝土的方法对溶洞大厅顶板及侧壁进行稳定处理;钻探查明溶洞底部堆积体最深可至隧底以下约49 m，层间夹有粗圆砾，且溶洞内揭示有稳定的地下水位，因此底部堆积体存在颗粒物质流失的隐患，研究后决定隧底采用桩板结构形式。经现场实施，各项工程措施合理可行、整治效果良好，保证了成贵铁路于2019年12月的顺利通车。

关键词：大型溶洞; 稳定性; 理论分析; 溶洞堆积体; 处理方案; 高速铁路隧道; 成贵铁路

中图法分类号： U25

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.017

0引 言

在中国铁路建造史上，隧道遇超大型溶洞的工程实例较多[1-4]。2005年，宜万铁路龙麟宫隧道DK231+796揭示大型溶洞，长89 m、宽150 m、高18～26 m，研究后采用“碗扣支架+锚喷支护+圆柱形立柱共同支顶”方案通过[5]。2007年，宜万铁路下坝村隧道揭示2号大型溶洞，沿线路纵向长约21 m，宽50 m，高58 m，隧道整个洞身均位于溶洞内，因为沿线路方向跨度不大，研究后施工采用“隧道護拱+拱桥结构”方案通过[6]。贵州省思南至剑河高速公路龙潭坪隧道超大型溶洞，沿轴线最大跨度约74 m，横向最大宽度64 m，最大净空34.2 m，研究后采用“洞内明洞”方案通过[7]。锦屏二级水电站3号隧洞底板开挖过程中，揭示一大型溶洞，延伸总长度约23 m，沿洞轴线方向长约15 m，最大深度超过12 m，为保证引水洞运行安全，研究后采用了较新颖的“混凝土回填+拱桥”的加固处理形式以及井桩梁施工[8]。上述超大型溶洞形态特征、充填性质、水文条件以及其与线路的空间位置关系各不相同，其工程处理方案也就不尽相同。

在对超大型溶洞实施处理措施之前，必须结合工程实际充分分析溶洞本身的稳定性，目前关于岩溶洞穴稳定性的研究主要集中在机场、铁路和公路等工程项目中，并经历了定性-半定量-定量的发展过程[9]。由于定量分析方法中的数值模拟技术能够定量刻画复杂地质环境下的各工程的力学行为，并能直观反映出工程各部分的稳定性，以便根据计算结果快速而准确地采取相应处理措施，因此在实际工程项目中得到了广泛运用，目前也有越来越多的数值模拟分析方法和软件被应用于岩溶洞穴的稳定性分析中[10]，通过对现有数值模拟方法的比较分析，本文将采用更加符合含节理岩体岩溶洞穴力学行为和破坏机理的3DEC块体离散元分析软件，对上高山隧道超大型溶洞的稳定性进行分析[11-13]，并根据分析结果验证工程处理方案的合理性。

综合分析，以上处理方案的制定，都充分研究了超大型溶洞本身的稳定性及其工程特性。一方面，超大型溶洞的稳定性制约隧道施工以及后期运营的安全，直接影响工程处理方案的制定;另一方面，工程处理方案应在查明超大型溶洞的工程特性后因地制宜的制定。本文以成贵铁路上高山隧道超大型溶洞为例，介绍了该超大型溶洞的稳定性分析评价方法及其工程特性勘察情况，经处理方案比选研究后，制定了“大厅填充+隧底桩板结构” 的处理方案，实践表明此方案理论可靠、技术可行，可为类似工程提供参考借鉴。

1工程概况

成贵铁路上高山隧道位于贵州省清镇市境内，全长2 396 m，单洞双线，最大埋深135 m，总体走向大致为123°。隧道进口里程DK488+531，进口设计轨面高程1 214.676 m;出口里程DK490+930，出口设计轨面高程1 187.361m，向出口端单面下坡，坡度5‰～13‰。

施工由进出口双向掘进。开挖揭示DK489+495～575段穿越超大型溶洞，溶洞上部为空腔，以下为岩溶充填物，洞内有地下水出露[14-15]。

上高山隧道平面图如图1所示。

2自然特征

2.1地形地貌

隧区属云贵高原峰丛谷地地貌，地形起伏较大，海拔高程1 180～1 340 m。DK489+495～575大型溶洞段地表为溶蚀峰丛，溶丘、溶槽相间分布，槽谷切割较深，最大高差可达120 m，基岩出露好，地表覆土厚薄不均，隐伏溶沟溶槽发育较深，地表植被主要为灌木。

2.2地层岩性及地质构造

隧道从进口至出口依次穿越寒武系中统石冷水组（∈2s）白云岩;寒武系中上统娄山关群（∈2-31s）白云岩;石炭系下统大塘-摆佐组（C1d+b）灰岩、砂泥岩、铝土岩夹铝土矿、赤铁矿、煤线;二叠系下统梁山组（P1l）炭质页岩、砂泥岩夹煤线;二叠系下统栖霞-茅口组（P1q+m）灰岩、炭质泥灰岩夹页岩、硅质岩[2]等地层。其中栖霞-茅口组（P1q+m）地层分布于洞身及出口段，占隧道总长的70%。

隧区断裂构造发育，有上背躬F1、F2、F3共3条断层与隧道相交。隧区地层整体缓倾，倾角一般10°～15°，代表性岩层产状N65°E/12°NW，岩体溶蚀、节理裂隙较发育。线路与地层走向大角度相交。

2.3气象与水文

本地区属北温带湿润季风气候，雨量充沛、气候温和湿润，年平均降水量1 000～1 600 mm，5～9月为雨季，占全年降雨量的50%左右[1]。隧道进口端谷地内有季节性水流，出口无地表水流。

隧道洞身范围地表栖霞-茅口组灰岩分布范围内没有明显的地表水流，大气降水通过短暂的地表径流后大部分通过岩溶洼地排入地下河。隧道出口端沟槽下游约1 400 m为长冲河进入暗河入口，暗河入口高程约1 130 m。从区域分析，断续的地表水、暗河水均为从右侧向左侧排泄，主要通过暗河体系排泄至左侧3.5 km外的猫跳河。

隧道區水质试验资料显示，环境水属HCO3·SO4-Ca·Na型水，根据TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》，在化学侵蚀环境中，环境作用等级为H1。

2.4岩溶发育特征

根据隧区地形地貌、地层岩性、地质构造特征，隧区以上高山向斜核部一线为界分为两个水文地质单元，向斜西翼为Ⅰ区，向斜东翼为Ⅱ区。两翼地表降雨下渗汇入各自独立的地下暗河体系，由线路右侧向线路左侧径流排泄。

根据现场地质调绘，隧道出口端槽谷中发育一条暗河，据两处暗河天窗观测情况，暗河位于地表下约10～15 m，水面高程1 175 m。隧道施工揭示DK489+375附近发育暗河（高程1 180.50 m），暗河宽2～4 m，高1～7 m，水量50～200 m3/h;DK490+373线路右侧拱腰墙位置发育一处岩溶管道（高程1 197 m），水量50～800 m3/h。

两处岩溶规模均较小。DK489+495～575岩溶大厅内DK489+496左30 m有一处水潭，水潭呈圆形，直径约8 m，水深3 m左右，水质清澈，观察期未发现水位有明显波动，现场用水泵抽水也未使得水位下降（抽水功率大致为10 m3/h），水面高程约1 185 m。隧道施工揭示3处暗河高程1 180～1 197 m，最低位于隧道底部约20 m，因此判定隧道位于岩溶季节变动带内[14]。

上高山隧道超大型溶洞所处隧区范围主要工程地质情况如图2所示。

3岩溶大厅补充地质勘察

现场实测（见图3），溶洞大厅呈不规则“梨”型，溶洞大厅空间规模为115 m（长轴）×90 m（短轴）×20 m（高），隧道穿越长度约80 m。大厅呈半充填状态，充填物为块石土，夹碎石及少量流塑、软塑状黏土，厚30～49 m。

钻孔水位起伏较大，与堆积体底部基岩面的起伏基本一致，位于设计轨面以下约15～49 m。溶洞（钻探后）纵断面如图3所示。

4溶洞稳定性分析

4.1岩溶大厅顶板稳定性分析

溶洞大厅洞周岩体主要为栖霞-茅口组中-巨厚层状灰岩，岩层平缓，倾角一般10°～15°，现场实测裂隙多呈闭合状。溶洞顶板整体宽缓，大部分范围岩面相对较为新鲜，少见钟乳石发育，洞底主要为崩落块石堆积，说明岩溶大厅内近期发生过岩体剥落、坍塌，大厅洞周岩壁多见滴水，洞壁稍湿-湿润，地下水对洞壁岩体稳定性有不利影响。

整体而言，该岩溶大厅洞顶大部分区域稳定性差;铁路左侧岩溶大厅边缘小范围洞顶主要呈褐黄、土黄色，发育较多短小的钟乳石，岩面稍湿-湿润，时有滴水，洞底也有崩落块石堆积，为稳定性相对较差区。洞顶稳定性分区如图4所示。

根据对洞周岩层层理及裂隙的量测，岩层总体产状为N65°E /12°NW，岩层平缓;根据量测的12组裂隙产状（见表1），通过等密度赤平投影图分析（见图5），得出两组优势裂隙面的产状为：N55°W/80°NE和E-W/60°S。岩体主要受岩层层面和优势裂隙切割形成楔形体，在自重临空及炮损等因素作用下易产生掉块或坍落，现场见最大块石块径约为3 m×4 m×8 m。根据双线隧道深埋塌落拱高度计算公式：

h=0.45×2s-1ω

式中：ω为宽度影响系数，ω=1+i（B-5）;s为围岩级别;B为坑道宽度，m;i为B每增加1 m时的围岩压力增减率，当B<5 m时，i=0.2，当B>5 m时，i=0.1。

计算岩溶大厅塌落拱高度h约为21.6 m。综合分析洞周岩体主要以楔形体产生掉块或坍落，其塌落径向高度可按21.6 m考虑。

4.2岩溶大厅侧壁稳定性分析

现场施工开挖揭示岩溶大厅小里程、大里程、右侧侧壁（高约5～20 m）岩体破碎，为大型岩溶洞穴周边破碎岩体，大里程侧岩层产状明显向岩溶大厅内倾斜，稳定性较差;左侧侧壁整体反倾倒悬，一般呈褐黄、灰褐色，发育一些短小的钟乳石，岩面稍湿-湿润，时有滴水，评价为稳定性较差区。侧壁的稳定能有效减少、降低、减缓洞室的坍塌，工程应考虑对岩溶大厅侧壁进行有效防护。

4.3隧底堆积体稳定性分析

钻探揭示隧底堆积体最厚可达约49 m，堆积物间有空隙，根据现场实施23个地质钻孔计算其空隙部分总厚度占比1.5%以下，黏粒、圆砾、角砾也仅少量分布（占比约3.5%），其余为碎块石，溶洞底板为灰岩。钻孔过程中未发生一般第四系较松散块石土常见的垮孔现象[5]，堆积体密实程度较高。虽然随季节水位的变动，存在细颗粒物质流失现象，但数量少，不影响整体稳定，因此堆积体整体是稳定的。

4.4洞壁稳定性数值模拟与评价

为研究岩溶大厅洞壁稳定性，应用3DEC软件，构建了图3溶洞纵断面的数值计算模型，如图6所示。模型纵向高145 m，水平方向长219 m，埋深50 m（即模型上部考虑50 m岩体自重）。模型中设置了N55°W/80°NE和E-W/60°S两组优势节理，以此来分析结构面对洞壁稳定性的影响。岩体采用Mohr-Coulomb本构模型，灰岩、节理及洞内堆积物力学参数取值见表2。

设计计算了3种工况，分别为：

（1） 初始地应力，模拟溶洞形成之初的地应力状态，以确定模型及参数的正确性。

（2） 溶洞现状，在初始地应力基础上形成溶洞，分析当前围岩应力特征。

（3） 极限失稳状态，折减强度参数，模拟洞壁的极限失稳状态。

3种计算工况的计算结果如图6所示。

图6（a）所示为初始地应力状态下的围岩竖向应力（Z方向），可见，竖向应力分量受到结构面影响，总体上水平成层分布，分布形式及应力水平均符合实际情况，计算模型正确。图6（b）和图6（c）所示为岩溶大厅形成后的现状围岩应力状态，可见，由于岩溶溶蚀卸载，洞顶围岩失去支撑，形成了较高水平的拉应力，最大量值达0.3 MPa。其分布范围位于洞顶正上方，近似呈拱形，洞顶以上高度25.5 m，与理论计算结果一致。溶洞两侧壁具有较高水平的剪应力，最大达到2 MPa，如图6（c）所示。图6（d）所示为极限状态的洞壁失稳模式，其失稳模式受控于岩体结构面，为楔形体，最不利部位仍然位于洞顶。但这种影响范围会扩散很远，呈喇叭型扩散至地表。

[13]RAWNSLEY K，PEACOCK D C P，RIVES T，et al.Joints in the mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin[J].Journal of Structural Geology，1998，20（12）：1641-1661.

[14]中鐵二院工程集团有限责任公司.成贵铁路上高山隧道大型溶洞工程地质说明[Z].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2017.

[15]方振华.成贵铁路上高山隧道岩溶管道涌突水病害研究[J].高速铁路技术，2017（4）：70-73.

（编辑：刘 媛）

Abstract：In case of super large karst cave in tunnel construction，it is necessary to scientifically find out its engineering characteristics，analyze and evaluate its stability，and then formulate a safe，reliable and reasonable engineering treatment plan.During construction of the Shanggaoshan Tunnel of Chengdu-Guiyang Railway，a great karst cave hall with a length，width and height of 115 m×90 m×20 m was revealed，the karst deposit at the bottom was 30～49 m thick，and the tunnel crossing length was about 80 m.Through supplementary mapping，geological survey，drilling and in-house analysis，it was concluded that the stability of most areas of the roof and side wall of the karst hall were poor，but the cavern accumulation body was overall stable.It was suggested that the roof and side wall of the cave hall be treated with full filled concrete.Through drilling，up-to 49 depth of deposit was found at the bottom of the cave，where some thick gravel layer was mixed，and there was a stable groundwater level in the cave，so there was a hidden danger of the loss of particulate matter in the bottom accumulations.It was suggested that the tunnel bottom be crossed in the form of pile plate.Through the in-situ implementation，the engineering measures were reasonable and feasible，and the renovation effect was good，which ensured the successful opening of Chengdu-Guiyang Railway in December 2019.

Key words：great karst cave;stability;theoretical analysis;cavern accumulation body;treatment scheme;high-speed railway tunnel;Chengdu-Guiyang Railway