铁路隧道跨越岩溶管道处理技术

王 婷

（中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300000）

1 隧道概况

某铁路隧道全长2 631m，最大埋深约350m，隧道穿越地层为寒武系上统耗子沱组（3hz）和奥陶系下统南津关组（O1n）弱风化灰岩、白云质灰岩，部分含有泥质条带和方解石脉，中厚层～厚层状，节理裂隙、溶沟及溶槽发育。围岩级别以Ⅲ级为主。隧道处于岩溶垂直渗流带中，地下水为岩溶裂隙水，受大气降水的补给，裂隙、溶洞水较发育，隧道洞身位于向斜核部，属储水构造，存在岩溶裂隙和管道，隧道正常涌水量为5 516m3/d，最大涌水量为34 421m3/d。

2 岩溶发育特征

2.1 岩溶管道形态与规模

当隧道进洞施工长度约150m 时，下台阶掌子面底部右侧揭示一处宽约8m、纵向长约3m 的溶洞口，溶洞口侵入隧道开挖轮廓线内3m，向下4m 发育为与隧道正交的大型溶洞。溶洞在隧道影响范围内最宽处20m、高12m，溶洞底面在隧道轨面以下16～20m，溶洞横向长约140m，隧道中线右侧发育长度约20m，端头有一小溶洞口往右继续发展，深度不详，无法探测；隧道中线左侧发育长120m 处分成两部分，一部分向隧道前进方向发育，另一部分向小里程方向并向下发育，深度未知，无法探测。溶洞发育平面图如图1 所示。

图1 溶洞平面图（单位：cm）

2.2 工程地质与水文地质条件

3 隧底地层稳定性分析

隧道施工过程中揭示的岩溶管道位于隧道下方，溶洞顶板与隧底间存在2～7m 厚的弱风化白云质灰岩岩层，分析溶洞顶板与隧道底部之间的岩层稳定性是否满足隧道结构安全需要，从而制订安全、经济的岩溶处置方案是处理该溶洞的关键。

3.1 影响隧道与溶洞间地层稳定的主要因素

隧道与溶洞安全距离的主要影响因素包括溶洞形态和岩体各项物理力学参数：黏聚力、内摩擦角、弹性模量、泊松比、容重等。

3.2 计算参数选取

根据岩溶发育和隧道设计情况，建立跨度为12m 的隧道底部溶洞有限元计算模型，考虑岩溶发育不规则，将溶洞形态简化为近圆形。溶洞与隧道间岩层厚度取最大值7m，见表1。

表1 计算中采用的材料参数

3.3 计算模型范围和边界条件处理

有限元法以有限的围岩范围作为研究对象，当所选范围过大时，精度较高，但同时增加了单元数量、求解方程的数目和计算时间；范围过小则会因边界条件影响降低计算精度。本次分析在保证精度的前提下，结合以往类似工程实践及其理论分析结果，模型水平方向长度按隧道跨度的8 倍确定，即100m；因下部存在溶洞，垂直方向由隧道到底部边界为隧道跨度的5 倍，即65m；隧道顶部至模型上部边界按隧道埋深确定。模型左、右和下部边界均施加法向约束，上部为自由边界，除均布荷载外，未受任何约束。

3.4 开挖与支护过程模拟

隧道岩溶发育段围岩级别属Ⅲ级，施工方法为上、下两台阶开挖方式。在分析与计算时，首先计算溶洞存在时岩体的自重应力场，然后再模拟开挖过程。整个隧道的开挖和支护模拟步骤如下：第一，开挖隧道上台阶。第二，施作上台阶初期支护（锚杆、喷射混凝土初期支护）。第三，开挖隧道下台阶。第四，施作下台阶初期支护（锚杆、喷射混凝土初期支护）。第五，施作二次衬砌。第六，施加列车荷载。利用以上隧道开挖模拟方法研究隧道施工引起的隧道、溶洞和围岩的力学性状变化，判断隧道与溶洞间岩层是否稳定。考虑掌子面的三维约束作用，采用上述方法模拟隧道开挖时不宜将开挖释放荷载一次性全部释放，根据以往经验，计算中采取了以下释放比例，即开挖后首先释放总开挖荷载的60%，初期支护完成后再释放剩余的40%。

3.5 计算分析结论

3.5.1 隧道开挖引起的位移变化情况

从图2 可以看出，隧道开挖引发地应力释放，围岩向隧道内压。隧道开挖后，隧道顶部、侧墙和溶洞顶板附近均发生明显位移，开挖引起的最大位移发生在隧道顶部，位移方向均指向隧道。距离隧道和溶洞3倍洞径以外的岩体位移量很小，基本不受隧道开挖影响。

图2 开挖引起的岩体变形等值线图

3.5.2 隧道开挖引起的围岩应力变化情况

开挖前，溶洞周围存在较小的应力集中。从图3 中可以看出，隧道开挖后，隧道和溶洞周围应力集中情况加剧，除隧道侧墙、拱脚外，连接隧道与溶洞的岩体也成为高应力的危险区。

图3 开挖后围岩应力图

3.5.3 隧道开挖引起的围岩塑性区变化情况

在隧道开挖前，溶洞周围仅存在较小的塑性区。从图4 可以看出，当隧道开挖后，塑性区范围明显增大，隧道侧墙和拱脚高应力部位出现部分塑性区，且由于隧道的开挖，溶洞周围的塑性区也明显增大，其周围塑性区向隧道拱脚位置发展并逐渐与隧道周围塑性区贯通。

图4 开挖后围岩塑性区图

通过对隧道开挖引发的围岩变形、应力变化、塑性区变化等情况分析，隧道与溶洞间的岩层厚度不能满足结构安全要求，隧底与溶洞顶板间的岩层不能直接作为持力层，应采取加固措施，以防止溶洞顶板坍塌影响隧道安全。

4 岩溶处理方案

本次根据溶洞形态、规模和工程地质、水文地质条件，综合考虑隧道施工和运营安全，采取维持原排水路径，加强隧底结构的总体设计思路。隧道跨越岩溶管道段主要采取以下处理措施：

4.1 溶洞监测及防护

加强溶洞顶部稳定性监测，设置监测点，监测溶洞顶部危石松动和顶板位移、变形情况；根据施工需要，对工程活动影响范围内的洞壁危石进行清理，清危后，对溶洞壁及孤立岩体进行防护，对溶洞壁局部进行喷锚网防护，喷C20 混凝土厚10cm，Φ8 钢筋网，网格为20cm×20cm，Φ22 砂浆锚杆长2.5m，间距为1.2m×1.2m，梅花形布置。

4.2 隧道结构

考虑该段隧道施工揭示围岩情况较好，仅隧底发育溶洞，故溶洞段隧道拱墙采用Ⅲ级围岩曲墙复合式衬砌（初期支护为15cm 厚C20 喷射喷混凝土，拱部Φ25 中空注浆锚杆，边墙Φ22 砂浆锚杆，锚杆长2.5m，间距为1.2m×1.2m；二次衬砌采用35cm 厚C25 模筑混凝土）。为减小隧道开挖高度，增加隧底与溶洞顶板间距离，最大限度地保留溶洞顶板与隧道结构间的岩盘厚度，对隧道跨越隧底溶洞采用底板加强型衬砌结构（隧底结构采用100cm 厚C30 钢筋混凝土板）。DK238+785、DK238+815 结构变化处设置变形缝。溶洞段隧道结构如图5 所示。

图5 底板加强型衬砌断面设计图（单位：cm）

4.3 隧底溶洞处理

为保证隧道与溶洞间岩层稳定，并考虑维系原有古暗河的排水路径及排水能力，在隧底溶洞内修筑拱涵结构。拱涵内净空宽度为11m、高度不小于2m，拱部采用1.5m厚C30钢筋混凝土浇筑，边墙采用2m 厚的C25 混凝土直边墙，边墙脚伸入稳定基岩深度不小于1m，拱涵作为岩溶水排水通道，排水坡度不小于3%。拱涵边墙根据溶洞形态确定，左侧为2m、右侧为3.2～5.6m。对拱涵顶空腔部分采用C15 混凝土回填。溶洞底局部低洼处采用浆砌片石回填平顺，将局部淤及处清理干净，以保证后期排水通畅。隧底溶洞处理典型纵断面如图6 所示。

图6 隧道中线纵断面

4.4 施工工序及注意事项

4.4.1 主要施工工序安全监测→洞壁危石清理→锚喷网防护→施作拱涵→隧道开挖及衬砌结构。

4.4.2 注意事项

溶洞发育形态不规则，在溶洞内进行拱涵结构施工前必须对溶洞局部爆破开挖。此时，应控制爆破，短进尺、少装药，减少对溶洞顶板岩层的扰动。拱涵结构外局部岩溶空腔处混凝土回填要密实，以保证隧底地层运营期稳定。

总之，本隧道隧底岩溶管道处理的总体思路是维系古暗河通道的排水路径及过水能力，保证岩溶水不积聚。岩溶管道处理的关键是判断隧道与溶洞间岩层的稳定性，制订安全经济的处理方案。设计中充分考虑岩溶隧道水文地质条件的复杂性，采取隧底修筑过水拱涵的处理措施，保证了隧道运营安全。根据隧底溶洞与隧道结构的空间关系，对溶洞段隧道结构进行了调整，采用的底板型衬砌结构最大限度地保留了溶洞顶板与隧底间的岩盘厚度，有利于结构安全，节省工程投资。