桩-筏板结构在隧道大型溶洞处理中的应用研究

谢鑫 XIE Xin

（中铁二十五局集团有限公司，广州 511466）

1 工程概况

云桂铁路隧道营盘山隧道为时速200km/h、预留250km/h双线隧道。起讫里程DK394+665～DK398+146，该隧道位于云桂铁路云南段富宁～广南区间。

施工中，横洞工区大里程方向施工至DK396+084时，下台阶开挖揭示隧道基底出现溶洞，对基底开展了溶洞的补勘工作，补勘发现基底为一充填型溶洞，溶洞纵向范围DK396+084～+125长41m，钻孔揭示基底以下最深70m，溶洞横向宽度大于70m，充填物为细砂夹粘土及粉土（如图1所示）。

图1 DK396+095掌子面揭示岩洞充填物情况

2 溶洞形态、发育状况及工程地质情况

2.1 溶洞形态及发育状况

开挖及水平钻孔揭示，拱墙溶洞自DK396+094于掌子面中部开始并向右前方发育并逐渐扩大，洞身溶洞范围DK396+094～+129，纵向长度约35m，横向宽度大于70m（左侧28m深水平钻孔、右侧30m钻孔未探明边界），拱顶以上高度大于6m（拱顶6m钎探孔未探明边界），为充填型溶洞，充填物为细砂、夹黏性土及粉土。

溶洞形态不规则，以竖向发育为主，基底溶洞位于DK396+085～+125段，纵向长度40m；横向宽度大于隧道宽度，横向边界未探明；基底以下深度0～74m，平均深度约32m。为充填型溶洞，充填物为细砂、夹粘性土及粉土，左线线路中线溶洞发育情况如图2所示。

图2 左线线路中线溶洞纵断面

2.2 地层岩性及参数

该段隧道基底溶洞充填物以细砂为主，夹少量粉质黏土及块石土，基岩为二叠系下统（P1）灰岩。

＜1-3＞人工填（弃）土（Q4ml）：以粉质黏土、块石土为主。由施工形成。

＜2-11＞粉质黏土（Q4ca）：溶洞充填物，褐黄色，软塑状，局部硬塑状，局部夹角砾、块石。

＜2-12＞细砂（Q4ca）：溶洞充填物，颜色较杂，褐黄、褐灰、深灰～灰黑色等，潮湿，中密～密实为主，少量稍密，局部为粉土或粉质粘土。

＜2-13＞块石土（Q4ca）：溶洞充填物，灰白、褐灰色，松散～稍密，稍湿，含约60%灰岩块石。

＜15-18＞灰岩（P1）：灰色、深灰色，隐晶结构，中厚～厚层状构造；节理裂隙发育，节理面有轻微溶蚀及少许黏土充填，溶蚀中等～强烈，属Ⅴ级次坚石。

2.3 水文地质

本次钻探未见地下水。线路右侧约600m为西洋河，西洋河水面标高约745m，溶洞底部标高863.75m，溶洞处于岩溶水的垂直渗流带。

2.4 稳定性评价

从颜色上看，细砂层颜色比较杂，褐黄、褐灰、深灰～灰黑色等，其中细砂中的深灰～灰黑色物质为经暗河带入的地表有机物形成；从岩性来看，细砂含泥量较高，局部为粉土或粉质黏土，主要为暗河携带的地表土及暗河通道坍塌物质逐步形成的洞穴堆积物。

综合分析，推测该处溶洞为与线路大角度（或近垂直）相交的古老暗河通道，洞穴堆积物充填暗河通道后，该古老暗河通道改道，已不属于地下水通道。目前西洋河水面高程与溶洞底部高程相差较大（约119m），不存在大量地下水进入溶洞带走溶腔内充填物的情况。但该段基底岩性软硬不均，经进行了安全评估，可能引起基底不均匀沉降，对隧道工程影响大。

3 隧道基底岩溶处理方案的比选

溶洞充填物为细砂，局部夹粉土或粉质粘土，充填物呈现软硬不均的特点，可能引起不均匀沉降。结合该充填型溶洞的形态及性质、与隧道的位置关系，以及无碴道床对隧道基础工后沉降值控制在≯15mm的要求。项目部组织了隧道、桥梁、路基等专业开展了隧道基底处理方案的研究比选工作，分别研究了桥梁跨越、注浆改良地层、旋喷桩复合地基及基底桩-筏板结构等方案的可行性。

3.1 桥梁跨越方案

根据基底溶洞发育情况，需设48m跨的桥跨结构。普通桥跨结构仅按承受轨下荷载进行设计，需另外设置结构以承受隧道衬砌及围岩荷载。如果桥跨要同时承受围岩及衬砌荷载。检算结果表明，需采用拱圈厚度约6.0m的拱式结构跨越。

桥梁结构施工须下挖一定深度（简支梁梁高约4.5m，梁下检修高度2m；拱桥下挖深度更是超过15m），存在隧顶、基坑侧面坍塌的极大风险。同时开挖基坑会使隧道的已施做钢拱架支撑底部被掏空而失稳。如遇岩溶水，更是降低充填物的稳定性，加剧坍塌风险，增加施工难度。且桥跨结构形成局部深基坑，需单独设置泄水洞排水防止出现积水影响铁路正常运营。

3.2 注浆改良地层、旋喷桩复合地基方案

3.2.1 注浆方案设计参数

拟采用间距1.0m×1.0m的φ75钢花管注浆加固，交错布置，加固深度为隧底以下45m，注水泥浆（浆液水灰比按1∶1），注浆压力按1.0～1.5MPa控制。

3.2.2 旋喷桩复合地基设计参数及要求

拟采用间距1.4m的φ0.6m旋喷桩，加固深度为隧底以下30m，要求试块（边长70.7mm立方体）在标准养护条件下28d抗压强度平均值≥4.0MPa。

采用钢花管注浆加固后对充填体经检测在满足设计要求时，其容许承载力可达到325kPa；采用旋喷桩加固后地基容许承载力按规范计算为352.8kPa。因此采用注浆加固、旋喷桩加固后其基底承载力能够满足上部荷载要求。

3.2.3 沉降分析

根据《铁路工程地基处理技术规程》的要求，对基底加固后的沉降进行分析。分析了基底工后沉降值，计算结果表明DK396+106、DK396+118.5断面在上部荷载作用下均不能满足无碴轨道工后沉降≯15mm的控制要求。

3.2.4 该方案存在的一些技术问题

①溶洞最深约70m，根据现有施工经验，旋喷桩超过30m后效果不佳，难以将基底充填物全部予以加固。30m以上的充填物在运营期间存在产生沉降或不均匀沉降的隐患。

②以往岩溶注浆加固经验表明，当深度超过30m的充填型溶洞，注浆施工难度大，加固质量难以控制。

③溶洞沿线路纵向、横向的发育极不规则，注浆加固或桩复合地基方案，基底纵、横向刚度不能协调均匀，纵横向压缩、沉降存在较大的差异。

可见注浆加固改良地层及旋喷桩复合地基方案的基底承载力可满足荷载要求，但其工后沉降不能达到无碴轨道沉降控制要求，由于充填物均匀性差、溶洞的发育形态不规则，其注浆及旋喷桩加固效果不易控制，故不宜作为整治方案。

3.3 桩-筏板结构方案

桩-筏板结构采用钢筋砼桩作为承载的关键结构，桩顶设钢筋砼板承受围岩荷载、衬砌自重及列车荷载，该结构为刚性基础。

结合溶洞发育形态、隧道断面型式及其溶洞的位置关系，在满足最小桩中心距情况下，验算了不同桩径柱桩及摩擦桩单桩的容许承载力及其承担的上部荷载如表1所示。

表1 不同桩径摩擦桩、柱桩单桩容许承载力验算表

从表1可以看出：φ1m摩擦桩无法满足上部荷载要求，φ1.5m摩擦桩在桩长达到70m时方可满足要求，但桩长70m桩长已进入基岩。因此本方案中采用柱桩。

φ1m及φ1.5m柱桩均能满足上部荷载要求，但考虑成桩工艺及减少长桩数量，采用大直径、大间距的桩布置型式。

综上所述，本方案中采用φ1.5m钻孔灌注柱桩。

4 隧道基底岩溶整治方案

隧道基底溶洞整治最终采用桩-筏板结构方案，其方案参数包括钻孔桩布置、筏板结构，相应的衬砌结构及防排水设计等内容，具体如下：

4.1 平面布置

结合基底溶洞发育形态，对钻孔桩布置进行优化，钻孔桩横向间距3.8m，纵向间距5m，对DK396+100～+120段基底溶洞最深地段采用纵向2跨梁连续梁跨越，跨度分别为10m及7.5m，其钻孔桩及连续梁布置如图3所示。

图3 桩-筏板结构柱桩、连续梁布置示意平面图

钻孔桩采用C35钢筋砼的φ1.5m柱桩，桩底嵌入基岩深度≮2m。布置18根钻孔桩，共671m，其中桩长＞50m的共4根，最长桩长70m，平均桩长37m。当桩长＞40m时，桩身需按《铁路工程基础检测技术规程》（TB10218-2008）要求设置声测管。

4.2 筏板结构

钻孔桩顶部设置C35耐腐蚀钢筋砼筏板，筏板厚度1.5m，纵向长度40m。

4.3 纵向连续梁

DK396+100～+119.5段筏板下设置纵向连续梁，梁高3m，宽2m，纵向长度19.5m，梁与DK396+101、DK396+111及DK396+118.5钻孔桩采用钢筋连接，梁采用C40钢筋砼。

4.4 基底注浆加固

隧底溶洞充填物为细砂，局部夹粉土或粉质粘土，最厚达70m，桩筏结构桩长细比较大，为提高桩筏结构桩间结构稳定性，隧底筏板基坑开挖平整后，于筏板施作前在桩间采用间距1.0m×1.0m的φ75钢花管（壁厚5mm）注浆加固，交错布置，设置范围DK396+100～+110段筏板基坑底下15m控制，DK396+110～+118.5段筏板基础下按嵌入基岩0.5控制。

钢花管注浆成孔为φ89，按水灰比1∶1压注水泥浆，注浆压力控制在1.0～1.5MPa范围，并根据现场情况适当调整水灰比，优化注浆工艺、间歇注浆。

4.5 衬砌结构及防排水设计

根据开挖揭示的地质条件及岩溶形态，并结合隧底岩溶采用桩-筏板结构方案的整治措施，本段衬砌结构适当加强。DK396+084～+109段段采用Ⅵ级绝缘一般锚段底板复合式衬砌，DK396+084～+125段采用Ⅴ级绝缘一般锚段底板复合式衬砌。结合本段溶洞发育的规模、形态及结构处理措施，于DK396+084、DK396+109、DK396+125处各设置1道变形缝，共3道。

地下水对砼无侵蚀，二次衬砌拱部、边墙及仰拱砼抗渗等级不低于P10。初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位铺设EVA平面防水板+无纺布防水；衬砌拱墙环向施工缝设中埋式橡胶止水带+外贴式橡胶止水带，仰拱环向施工缝设中埋式橡胶止水带；纵向施工缝设中埋式钢边橡胶止水带+遇水膨胀橡胶止水条。

地下水采取“以排为主，防排结合”原则，侧沟与中心沟间按间距5m设置横向φ100PVC排水管。

4.6 钻孔桩施工组织

本隧断面开挖净空宽度14.28m，边墙钻孔桩处开挖净空高度8.1m，根据隧道内钻孔桩使用的冲击钻设备操作空间（6m×2.5m×7.5m），断面净空满足冲击钻的操作空间。同时根据以往隧道内孔桩施工经验，隧道内采用半幅施工钻孔桩，半幅通车时其净空满足作业设备要求，且能保证施工安全。

优先施作隧道左半幅钻孔桩施工，保证隧道右半幅通道畅通。同时采用3台冲击钻进行施工，左半幅钻孔桩施工完毕后，进行右半幅钻孔桩施工，同时保证隧道左半幅通道畅通。

5 结束语

铁路运营后持续的监测结果表明，该段隧道结构安全稳定，没有任何病害出现。证明采用桩-筏板结构进行大型深厚充填型溶洞的整治方案达到根治及一劳永逸的目标，为类似隧道穿越大型溶洞技术处理措施提供思路。