高速铁路岩溶隧道大型溶洞综合勘察及处理技术研究

聂信辉

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

高速铁路岩溶隧道施工过程中可能遭遇大型溶洞或溶洞群，受地质情况复杂性及目前勘探手段对地质判识的局限性影响，勘察期间无法完全探明溶洞的准确位置及规模，施工过程中采用综合勘察技术探明溶洞的形态，并采取适当的方法进行处理是岩溶隧道设计施工的重难点问题。

张家界—吉首—怀化铁路(以下简称“张吉怀铁路”)位于湖南省湘西地区，线路自张家界西站引出，经湘西州吉首市，南连怀化南站，线路正线长约246 km[1]。某隧道全长4 381 m，隧道洞身穿白云岩、灰岩等可溶岩地层，最大埋深约为88 m。

在进行隧道进口段施工时，于掌子面左侧拱底揭示一处溶洞，洞口孔径约2 m，部分隧道岩渣漏入溶洞，总方量约300 m3，后期勘察过程中于溶洞左侧、右侧通往兰花洞方向均发现了规模较大的溶洞。

为确保铁路隧道安全，需详细查明溶洞工程地质特性及水文地质特性，并确定合理的溶洞处理方法。目前，已有研究者结合具体项目进行了一些研究工作[2-9]，对隧底岩溶的勘察技术及加固技术方案进行了探讨，但对连通地下暗河的隧底大型溶洞群勘察及处理技术涉及的不多。通过详细查明兰花隧道溶洞群的规模、相互关系及隧底岩溶发育情况，对溶洞的勘察、处理方法进行探讨。

2 工程地质及水文地质概况

2.1 地形地貌

隧道穿越构造侵蚀-溶蚀中低山区，台地内地势相对平缓，残留有峰丛洼地地貌，山脉走向、地形地貌主要受区域构造线及地层岩性控制，大体呈北东向展布，与区域构造线走向基本一致[10]。地面高程为450～640 m，相对高差为50～100 m。

2.2 地层岩性

隧道洞身分布地层为寒武系上统追屯组(∈3z)灰色厚层-巨厚层细晶白云质灰岩；比条组(∈3b)深灰色薄-中层泥质条带灰岩，偶夹薄层泥质条带灰岩。区内地层岩质整体较硬，属硬质岩，岩体较完整，表面溶蚀沟槽发育，地表分布岩溶洼地及落水洞，岩溶强发育。

2.3 地质构造

工程区主体构造为松柏向斜，该向斜宽缓开阔，轴向约NE45°，核部由奥陶系纯灰岩和白云岩组成，两翼由寒武系地层组成，两翼倾角为15°～30°，寒武系各组地层依次呈北东向带状展布。

隧道位于松柏向斜东南翼，断裂构造不发育。岩体主要发育3组裂隙：第一组受地层岩性控制的层面裂隙，总体倾向北西，倾角20°～30°，延伸性好，多呈闭合状；第二组为纵张裂隙，总体沿地层走向呈北东向展布，走向40°～60°，倾角一般>60°，张开性和延伸性较好，是本区岩溶及地下水运移的主控结构面；第三组为横张裂隙，总体垂直地层走向呈北西向展布，走向300°～320°，倾角>70°，张开性和延伸性中等。纵张裂隙、横张裂隙呈“X”形展布，基本控制了本区岩溶暗河、沟谷的展布方向。实测线路右侧的兰花洞暗河展布方向与两组节理裂隙走向基本一致。

2.4 水文地质条件

地下水主要为岩溶水，分布于可溶岩溶隙、溶洞中。隧道小里程段为地下暗河-岩溶管道极强含水层，隧道进口段线路附近为兰花洞暗河，高程为499～545 m，位于线路右下方，之后距隧道越来越远。地表多分布岩溶洼地、串珠状洼地、落水洞，洼地直接连通兰花洞暗河支流，并从隧道下方横穿。小里程段洼地积水沿着节理、层间裂隙入渗，经溶孔、溶隙最终汇入兰花洞暗河系统，对隧道影响较大。

3 大型溶洞综合勘察

隧道进口段施工时，于掌子面左侧拱底揭示一处溶洞，洞口孔径约2 m，部分隧道岩渣漏入溶洞。对于大型溶洞的调查，一般采用地质调查、物探、钻探等综合勘察方法[11-17]。

3.1 综合勘察方法

开展隧道进口段附近的工程地质、水文地质调绘，查明地层岩性特征、节理裂隙发育情况；调查地表岩溶发育特征，洞内溶沟、溶槽、充填物等特征；查明溶洞与兰花洞的连通关系；分析地下水的补给、径流、排泄特征。采用地质雷达和瞬变电磁两种方法开展溶洞底部及洞周的物探工作。在物探基础上，对溶洞底部进行钻探，准确查明溶洞底部的岩溶发育特征，评价溶洞底部的稳定性。采用钢钎探查明溶洞周壁的隐伏岩溶发育特征，评价溶洞侧壁稳定性。精确测量溶洞的形态特征和钻孔定位测量。

根据调查成果，掌子面附近共分布3个溶洞(图1)，Ⅰ号溶洞为隧道开挖最初揭示的溶洞，位于线路下方；Ⅰ号溶洞左侧发育Ⅱ号溶洞，与Ⅰ号溶洞以直径约1 m的岩溶管道相连；Ⅰ号溶洞右侧发育Ⅲ号溶洞，为兰花暗河溶洞的一个支洞，通过落水洞与Ⅰ号溶洞连通。

图1 溶洞分布

3.2 Ⅰ号溶洞的特性

(1)溶洞内部特性

溶洞整体呈近圆柱体状，溶洞顶部较平，分布大量石钟乳，小溶洞、溶孔、溶蚀裂隙发育，未见垂直贯通型溶洞。岩层节理裂隙、溶蚀裂隙有滴水现象，水量不大。溶洞周壁较陡直，岩体受垂直节理控制明显，表面有流水痕迹，有钙质残留物，多溶沟、溶槽，局部呈蜂窝状结构。溶洞底部总体低洼不平，溶沟、溶槽、垂直型溶洞十分发育，零星分布大量灰岩块石，部分块径3～5 m。

溶洞底部大里程方向左侧发育一小溶洞，岩层面近水平状，宽约4 m，高0.5～1 m，顶部分布大量石钟乳，为溶洞底部的过水通道。

(2)物探结果

溶洞底部共布置6条物探测线，采用地质雷达和瞬变电磁两种方法分别施测。根据物探成果综合分析解释可知，溶洞底部岩溶裂隙发育，局部异常带主要集中在溶洞底部20 m以内，即溶洞底至兰花洞暗河底部之间的部分。隧道大里程方向及兰花洞方向局部溶洞发育，发育深度均在距溶洞壁4 m以外。沿溶洞环向布置27孔钎探，间距5 m，孔深5 m，未见溶洞发育。

(3)钻探结果

溶洞底部共完成7孔钻探，钻孔见洞率71.42%，线岩溶率12.9%，岩溶强发育，最大溶洞高13.1 m，溶洞底板以下5.6～18.7 m为砂夹碎石充填型岩溶。

(4)溶洞底部综合评价

综合分析Ⅰ号溶洞底部至兰花支暗河范围的岩体以溶蚀化灰岩为主。溶洞、溶蚀裂隙均十分发育，溶洞以充填型为主，充填物为细砂和石钟乳。兰花支暗河以下岩溶弱发育。

3.3 Ⅱ号溶洞的特性

溶洞整体位于线路左边墙下部，底部分布厚0.3～0.5 m的黏土层，为长期积水所致。溶洞顶靠左侧及中间部位发育管道型小溶腔，底部中间位置为漏斗状凹地，推测为淤积落水洞，水流不畅。观测期间芙蓉镇地区均有暴雨，溶洞内有积水，水流来自于侧壁渗水，积水消退缓慢。

Ⅱ号溶洞为受垂直节理控制发育的垂直型岩溶通道的一部分，为竖向过水通道。

3.4 Ⅲ号溶洞特性

Ⅲ号溶洞为兰花洞支暗河的主通道，走向352°，溶洞高15 m，横向宽10 m，由多个相互连通的溶洞组成，呈串珠状分布，底部为暗河水流。该溶洞与Ⅰ号溶洞通过落水洞连通，两溶洞间岩盘厚度局部仅2 m左右，Ⅰ号溶洞处理时应充分考虑其影响。

3.5 水文地质

根据示踪试验成果，溶洞地下水主要补给来源为隧道左侧的泽豪沟。

根据洞内水文地质调绘，溶洞内共存在4处水点：①号水点为兰花支暗河；②号水点为侧壁常年来水；③号水点为消水洞，②号水点的水经此处入渗，最终汇入①号暗河；④号水点为Ⅱ号溶洞内积水，雨时有水，平时多无水，部分下渗，下渗能力不足时，经横向通道进入Ⅰ号溶洞流入③号水点，汇入①号暗河。地下水径流如图2所示。

图2 溶洞地下水径流示意

3.6 综合评价

(1)Ⅰ号溶洞影响铁路工程安全，应采用回填或梁跨方案处理。

(2)根据厚跨比分析，Ⅱ号溶洞对铁路影响较小，但考虑到Ⅰ、Ⅱ号溶洞之间及上部安全岩盘也可能发育溶洞，建议直接进行处理。

(3)Ⅲ号溶洞对铁路工程无直接影响，但其靠近Ⅰ号溶洞，局部岩盘厚度仅2 m，提供抗力有限，相当于Ⅰ号溶洞在右下方存在临空面，Ⅰ号溶洞处理时应充分考虑其影响。

(4)溶洞内共存在4处水点，溶洞处理应保证现有排水点排水通畅，应将①号水点处的落水洞扩大，增强整体排水能力。若采取回填方案，应埋设横向过水涵管，确保地下水通畅。

4 综合处理方案

根据溶洞发育规模、工程及水文地质条件，结合以往溶洞处理经验[18-21]，经综合分析、方案评审，确定对该溶洞采取预留过水通道、回填混凝土的处理方案，如图3所示。

图3 溶洞处理方案示意

(1)引排岩溶水

利用灰岩洞渣对溶洞底部回填整平。整平前，首先沿溶洞底部铺设钢筋混凝土排水管维系原水路；预埋排水管周边2 m范围，采用C20混凝土浇筑。溶洞回填C20混凝土时，预留宽2.5 m、高4.0 m的排水涵，增强溶洞底部排水能力。

向Ⅲ号溶洞及兰花洞打设φ200 mm钻孔，设计钻孔为10孔，排水孔开孔间距不应小于1 m，具体可根据现场情况调整，后期溶洞回填混凝土时不得堵塞排水钻孔。

(2)溶洞回填

溶洞内引排水系统施作完成后，方可开始Ⅰ号溶洞空腔回填。溶洞混凝土回填采取整体分层连续浇筑施工，浇筑层厚50 cm，竖向间隔2.0 m在回填面铺设一层20 cm×20 cm钢筋网。每回填8 m左右，在回填面铺设一层φ200 mm打孔波纹管，并通过竖向打孔波纹管与下部排水涵连通。

Ⅰ号溶洞与Ⅲ号溶洞接近处混凝土浇筑应分层进行，每层厚30 cm；回填施工中应加强侧壁稳定性监测；根据监测及施工情况，必要时在侧壁较薄处设置横、竖向Ⅰ18型钢网格，形成刚性骨架，避免洞壁局部薄弱处破坏。

Ⅱ号溶洞下部采用大块石码砌，以利溶洞水下渗；块石码砌层以上回填C20混凝土，回填混凝土注意不能堵塞预留的引排水钻孔。

溶洞回填前应对溶洞底部局部分布的软弱岩土(鹅卵石夹黏土、淤泥等)先行挖除。

(3)沉降监测

溶洞混凝土回填过程中加强回填层沉降监测；隧道开挖后加强隧底沉降监测，建议观测周期按1年考虑；无异常后方可施工隧道结构。

5 结论

(1)对于隧道遭遇的大型溶洞，应采取综合勘察方法，详细查明隧底的工程地质及水文地质情况，为方案确定提供依据。

(2)对于小型的溶洞，且底板比较稳定，可采取回填混凝土的方法进行处理，但隧道底部应预留足够的过水通道，防止岩溶积水。

(3)综合分析确定对该大型溶洞采取预留过水通道、回填混凝土的处理方案。经过后期多次暴雨检验，本处理方案安全可靠。