城際鐵路隧道大型溶洞特征及處理技術

周關學 曾 誠 付開隆

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

安順至六盤水鐵路(簡稱“安六鐵路”)是貴州省第一條城際鐵路，也是六盤水市至貴陽市的快速鐵路通道，運營線路長度為124.65 km，設計速度為250 km/h[1]。

安六鐵路穿越云貴高原，沿長江水系與珠江水系分水嶺山脊線行走[2]，線路以25‰上坡由六枝溶蝕平原爬行到水城高原盆地，工程以短隧、淺埋隧道為主，淺表豎向巖溶發育，隧道施工開挖中易出現豎向發育的空溶洞。

近年來，許多學者提出，工程地質測繪和巖溶水垂直分帶是指導巖溶區選線設計的重要依據[3]，巖溶區工程地質勘察應開展隧道涌水、突泥及大型溶洞等災害的分析評估[4]。貴陽樞紐胡家坡隧道隧底溶洞采用混凝土回填處理[5]；宜萬鐵路下村壩隧道隧底大型半充填溶洞采用樁基結構跨越溶洞[6]；宜萬鐵路龍麟宮1號大型溶洞采用“路基強夯+注漿加固”處理[7]；滬昆客專朱砂堡二號以及安六鐵路對門寨隧道采用“棄渣+C20混凝土”分層間隔回填處理隧底大型空溶腔[8-9]。以下基于前人的研究，對安六鐵路茨沖一號隧道大型溶洞形態勘察及處理技術進行研究。

1 溶洞所處的巖溶地質環境

1.1 地層巖性與地貌特征

安六鐵路位于云貴烏蒙山區，為侵蝕構造低中山地貌。測區地面高程1 560～2 084 m，相對高差524 m，地形綿延起伏，山梁與深谷相間分布，基巖多裸露。

隧址區主要穿過石炭系地層，為石炭系上統馬平群和中統黃龍群石灰巖地層。隧道進口DK95+730～DK96+017段為石炭系中統黃龍群淺灰色厚層塊狀致密灰巖夾生物灰巖及鮞狀灰巖。

茨沖一號隧道進口里程為DK95+175，出口里程為DK96+645，全長1 470 m，為雙線隧道。進口DK95+730～DK96+017段為石炭系中統黃龍群淺灰色厚層塊狀致密灰巖，DK95+730開始出現溶洞，DK96+017溶洞群結束。揭示主要溶洞發育段有：DK95+730～DK95+785、DK95+794～DK95+805、DK95+945～DK96+017，各溶洞內均發育多個支洞，溶洞內幾乎無充填物，溶洞空間較大，隧道洞身及隧底多位于大型溶洞內。

1.2 地質構造

隧區處于黔西山字形構造體系前弧西翼的主干構造白泥濫壩向斜內，位于南丹—紫云—六盤水大斷裂北側，是揚子板塊南緣內陸較大的斷裂，控制著周圍地區盆地沉積和構造樣式，為逆沖和走滑斷裂。受區域斷裂構造影響，該段地層倒轉，為老地層石炭系中統黃龍群傾覆于新地層石炭系上統馬平群之上。單斜構造，巖層產狀為N10～20°W/50～65°NE，兩組張性節理為E-W/65～85°S和S-N/50～70°W。在一定巖溶化作用下，形成巖溶裂隙及巖溶管道，控制測區的地下水流向[10-11]。

1.3 水文地質

(1)區域水文地質條件

隧區位于長江水系與珠江水系分水嶺之南側約3 km，南側為珠江水系北盤江流域，以牂牁江為最低點。倒轉背斜軸部縱向張裂隙極為發育，為地表水入滲溶蝕提供了良好通道，南翼地下水自北向南徑流，在南丹—紫云—六盤水大斷裂形成陡崖及深切溝谷底部，由三疊系下統碎屑巖巖組與相鄰灰巖地層的接觸地帶出現地下暗河的露頭、巖溶大泉及暗河口。

(2)巖溶水的補給、徑流、排泄

地下水類型為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，巖溶水較豐富。隧區巖溶水主要發育于石炭系中統黃龍群淺灰色厚層塊狀致密的灰巖中，地表巖溶形態發育，以槽谷、洼地、漏斗、落水洞、豎井為主，雨季時地表水向槽谷、洼地匯集，由落水洞、豎井下滲到地下，通過豎向的巖溶管道及溶蝕裂隙下滲補給地下暗河[12]。

該隧線路右側DK95+400～DK96+200段地表沖溝、洼地及塌陷坑發育，洼地長約200 m，寬約50 m，洼地內塌陷坑較多，陷坑直徑3～5 m，可見深度4～8 m。該段地表植被發育，大氣降雨及地表水匯入洼地、落水洞及塌陷坑后，沿節理和巖層面滲入地下，呈現地下暗河或巖溶管道水[13]，在DK95+430和DK96+165處隧底以下30～50 m穿越線路，暗河在線路左側1 200 m的猴兒關峽谷的陡崖腳以巖溶大泉出露，流量約39.6 L/s，泉點與鐵路高差約300 m，計算水力坡度i=250‰，隧道位于地下水垂直入滲帶內。茨沖一號隧道水文地質情況見圖1。

2 加深巖溶隧道施工地質工作

加深巖溶隧道施工地質工作有：溶洞形態測量、隧底巖溶物探探測、結合物探異常和溶洞處理工程進行地質鉆探，以及補充洞內和地表巖溶地質測繪等[14]。

2.1 溶洞形態測量

圖1 測區茨沖一號隧道水文地質情況

在確保安全的條件下，首先進行溶洞形態測量，測量成果有：溶洞頂部、中部、底部平面，隧道左邊墻、左中線、右中線及右邊墻縱斷面，以及溶洞主軸方向縱斷面，還包括隧道每5 m間距的溶洞橫斷面等。

2.2 隧底巖溶物探探測

采用地震映像法及地質雷達法對隧底隱伏巖溶進行物探探測，沿線路方向分別在隧道左軌道中心、中心水溝左側(右側)0.5 m和右軌道中心位置布置3條物探測線，必要時補充橫斷面物探測線。

2.3 隧底巖溶地質鉆探

對隧底巖溶物探探測異常點，結合隧底可見溶洞形態進行第一次地質鉆探，鉆孔采用20 m間距布置，掌握隧底溶洞形態特征后，隧道專業結合溶洞形態確定處理方案，地質專業根據樁位及基礎類型進行第二次地質鉆探，鉆孔布置于樁基位置，查明隧底溶洞處理工程的樁基埋置深度，溶洞處理中需要加強地質驗基、驗槽，以確保樁基嵌巖深度及承載力滿足要求。

2.4 補充巖溶地質調繪

調繪地表巖溶形態和地表水補給、徑流和排泄情況；調繪隧道內地層巖性、地質構造和層理、節理產狀；觀測洞內地下水位及水量變化情況，測量溶腔壁歷史水位線，對溶洞穩定性及地下水風險進行評價。

3 溶洞的基本特征

3.1 DK95+730～+785段

(1)溶洞調繪及形態測量

DK95+730～DK95+785段地層巖性為石炭系中統黃龍組淺灰色厚層塊狀灰巖，弱風化，測得巖層產狀為N20°W/60°NE。DK95+730下臺階隧底施工中左側邊墻底向外、向上、向前發育的溶洞口，與DK95+760掌子面右側拱腳和拱頂溶洞、DK95+769掌子面右側拱頂溶洞、DK95+772右側拱腰溶洞、DK95+778右側邊墻腳溶洞、DK95+780右側邊墻溶洞、DK95+782右側邊墻溶洞、DK95+785左側拱頂溶洞為同一個溶洞群，無充填物，洞壁穩定，洞頂、洞底多見鐘乳石發育，僅DK95+785掌子面左邊墻處有小股狀水流出，出水量約10 m3/d。DK95+780右側邊墻溶洞形態見圖2。

圖2 DK95+780溶洞形態

(2)隧底巖溶物探探測及地質鉆探

地質補勘發現，該溶洞洞頂高程1 842.71 m，溶洞底部最低高程1 808.12 m，溶洞高5～34 m，為空溶洞，該溶洞在隧底發育深5～20 m。

(3)溶洞形態基本特征

DK95+730～DK95+785隧底下為大溶洞，隧底以下溶洞發育深5～20 m，隧底溶洞貫穿整個橫斷面，其中，DK95+730～DK95+750段溶洞延伸出左側邊墻，沿邊墻溶洞垂直高度約6 m，邊墻輪廓線外水平延長深度2～5 m；DK95+750～DK95+785段溶洞延伸出右側邊墻及右拱頂，沿邊墻溶洞垂直高度約為6～15 m，拱頂以上溶洞高2～5 m，邊墻輪廓線外水平延長深度為0～4 m。

3.2 DK95+794～DK95+905溶洞的基本特征

(1)溶洞調繪和形態測量

地層巖性為石炭系中統黃龍組淺灰色厚層塊狀灰巖，弱風化，巖層產狀N20°W/60°NE。

圖3 DK95+805溶洞形態

①DK95+805左側拱腳揭示的溶洞大廳向左、向前發育，溶洞底部斜向右下方(向隧底)發育，向大里程方向長約15 m，垂直邊墻向左寬約15 m，高3～13 m，向左側約15 m(大廳邊緣)垂直向下發育一個支洞，直徑約5 m，向上可見高度10 m，向下目測深度大于20 m，洞頂石鐘乳發育，有滴水現象，人無法進入。在左側拱腳向下約6 m向大里程方向發育長約13 m、寬約3 m、深約1.5 m的巖溶過水通道，洞頂發育大量石鐘乳，目前無地下水。DK95+805左側溶洞形態見圖3。

②DK95+836右側拱腰至拱腳揭示近圓形的溶洞口，直徑約5 m，向線路前進方向及右側各發育一個支洞，向線路前進方向的溶洞后方可見一個溶洞大廳，沿線路方向長約15 m，高13～30 m，垂直線路方向寬約20 m，該溶洞端部向上、向下發育一個豎向溶洞，該豎向溶洞直徑約8 m，溶洞底部斜向下發育，較隧底深約16 m，洞頂比隧底高約18 m；在右側邊墻外約2 m發育的溶洞直徑約7 m，洞頂發育鐘乳石，有滴水現象，溶洞底部沉積有薄層淤泥，厚約50 cm，溶洞壁穩定，未見地下水。

③DK95+852～DK95+858段拱頂向前、向上發育一空溶洞，沿線路方向長約6 m，環向寬約8 m，拱頂輪廓線以外高約7 m，無充填物，洞壁穩定，有滴水現象。

④DK95+865掌子面發育一個豎向空溶洞，沿線路方向長約15 m，環向寬約7 m(從左側拱腳內側約2 m處至隧道中線位置)，拱頂輪廓線以上可見高度約15 m，頂部形態多樣，可見多個小支洞，有滴水現象。

⑤DK95+885線路左側拱腰揭示一個溶洞，沿線路方向長約4 m，環向寬度約6 m，拱頂輪廓線以上可見高約7 m，洞壁穩定，有滴水現象。該段溶洞旱季無地下水，雨季時出水量約100 m3/h。

(2)隧底巖溶物探探測及地質鉆探

地質補勘揭示，該溶洞頂面高程為1 851.83 m，溶洞底部最低高程為1 784.80 m，溶洞一般高5～30 m，個別段落溶洞高67 m，為空溶洞，該溶洞在隧底發育深度為5～45 m。

(3)溶洞形態基本特征

DK95+794～+814段隧道中心至左側邊墻隧底為溶洞，隧底以下溶洞發育深度15 m，溶洞順巖層面發育延伸出左側邊墻外18 m；DK95+814～+860段隧底全為溶洞，隧底以下溶洞發育深度3～8 m，溶洞向兩側邊墻發育，并延伸出邊墻外，邊墻位置可見溶洞高度3～10 m；DK95+860～+880段發育豎向“V”形溶洞，并貫穿拱頂至隧底，拱頂以上溶洞發育高度約18 m，隧底以下發育深度約45 m，溶洞橫斷面寬度約7 m；DK95+880～+905段隧底以下全為溶洞，溶洞順層理由左側邊墻向右側邊墻腳發育，并延伸出右邊墻外，延伸出右邊墻外長度約50 m，隧底下溶洞發育深度約9 m。

3.3 DK95+945～DK96+017段

(1)溶洞調繪和形態測量

進口上臺階施工至掌子面DK95+968時，掌子面中部揭示一溶洞口，洞口寬約7 m，高約4 m，溶洞口向大里程發育溶洞大廳，大廳沿線路方向可見長度約37 m，橫斷面方向寬約26 m，隧底以下可見深度約18 m，洞壁為石炭系中統黃龍組厚層狀塊狀灰巖，弱風化，測得巖層產狀為N20°W/60°NE，洞壁較穩定，洞頂穩定性差，有少量鐘乳石，未見地下水及流水聲。DK95+987溶洞形態見圖4。

圖4 DK95+987溶洞形態

該段溶洞拱頂以上發育高度2～6 m，溶洞頂面較平整、延伸較遠、跨度較大，溶洞洞頂穩定性差，施工開挖中易發生坍塌，其中，DK95+968～DK96+005溶洞頂部發生巖體坍塌，塌腔沿縱向長約37 m，環向寬約17 m，塌落厚度約1.5 m。溶洞頂坍塌情況見圖5。

圖5 DK95+987～DK96+001溶洞頂部坍塌

(2)隧底巖溶物探探測及地質鉆探

地質補勘揭示，該溶洞頂面高程為1 846.26 m，溶洞底最低高程為1 813.30 m，溶洞高5～33 m，隧底以下溶洞發育深2～18 m，為空溶洞，洞底見有少量塊石及軟塑狀黏土。

(3)溶洞形態基本特征

DK95+945～DK96+017段隧道穿越大型溶洞，隧底以下溶洞發育深度2～18 m，溶洞向兩側發育，并延伸出左側、右側邊墻輪廓線外水平深度2～15 m，隧道拱頂以上溶洞高度2～6 m。1號～3號溶洞分布以及與隧道的位置關系見圖6。

圖6 溶洞分布以及與隧道的位置關系

4 溶洞處理措施設計

結合洞身溶洞特征及水文地質條件，確定溶洞綜合整治措施方案[15]：隧道洞身采用混凝土護拱、護墻及C20混凝土回填，易坍塌拱部加強防護；隧底采用樁筏結構、“橫向托梁+筏板”跨越和C25混凝土換填或回填等處理，并加強隧道引排水，確保地下暗河及巖溶管道過水暢通的溶洞處理措施，各段處溶洞處理措施設計如下。

4.1 隧道洞身巖溶處理

(1)DK95+730～DK95+785段洞身溶洞處理

該段洞身外側的空溶腔發育深度范圍均較小，邊墻及拱部輪廓線外側溶洞深度一般都小于5 m，故該段洞身外側小溶腔采用C20混凝土回填。

(2)DK95+794～DK95+905段洞身溶洞處理

①對DK95+794～DK95+806段等5處隧道洞身外側小溶腔，采用C20混凝土回填密實。

②對DK95+806～DK95+814段等5處隧道洞身外側大溶腔，采用設2～3 m厚C20混凝土護墻，為了確保該溶腔壁穩定，對該溶腔壁采用錨網噴防護加固處理，巖溶整治典型斷面見圖7。

(3)DK95+945～DK96+017段洞身溶洞處理

①該溶洞小里程端拱部及邊墻發育的小溶腔以及初期支護背后與溶洞壁間空洞范圍采用C20混凝土回填。

②該溶洞大里程端兩側邊墻發育的較大空溶腔采用施作厚度不小于3 m的C20混凝土護墻或采用C20混凝土回填[16]。

圖7 DK95+806～+814段巖溶整治典型斷面(單位：cm)

③該溶洞中部DK95+987～DK96+005段溶洞空腔較大，且溶洞頂易發生大面積坍塌剝落，采用I25a型鋼鋼架于初支外設置套拱、鋼架間距1 m，型鋼套拱拱部盡量與巖面密貼，鋼架拱部與巖面間采用噴射C25混凝土回填密實；套拱施做完成后對拱部120°范圍施做錨網噴防護，錨桿采用φ25 mm砂漿錨桿，錨桿間距1 m×1 m，長4～8 m；每榀I25a型鋼鋼架拱腳各設2根12 m長φ32 mm中空注漿錨桿；初支與套拱間空洞采用C20混凝土回填密實。該段溶洞整治典型斷面見圖8。

圖8 DK95+987～DK96+005段巖溶整治典型斷面(高程單位：m；其余：cm)

4.2 隧底巖溶處理

(1)隧底巖溶發育較深的段落采用樁筏結構

DK95+725～DK95+776等5段隧底以下巖溶發育深度較大的段落采用樁筏結構處理，樁基樁徑1.50 m，樁橫向間距4.5～5.0 m、縱向間距3.5 m，共設136根樁基，采用C35鋼筋混凝土的不等長嵌巖樁，樁長4～25 m，樁底嵌入基巖深度不小于2 m。邊墻外護墻底位于溶洞內的段落，采用φ76 mm鋼花管注漿。

(2)隧底巖溶發育較淺的段落采用C25混凝土換填或回填

DK95+776～DK95+786等3段隧底以下巖溶發育深度較淺的段落采用C25混凝土換填或回填處理，換填深度要求進入基巖不小于0.5 m。

(3)隧底巖溶發育呈深“V”形段落采用“橫向托梁+筏板”跨越

DK95+866～+883段豎向溶洞發育呈“V”形，隧底以下發育深度達45 m，橫斷面寬度約7 m，采用“橫向托梁+1.5 m厚筏板”跨越通過，垂直于線路方向設4處托梁，托梁截面尺寸1.2 m(寬)×3 m(高)，托梁長13～16 m，該段溶洞整治典型斷面見圖9。

圖9 DK95+866～+883段巖溶整治典型斷面(高程單位：m；其余：cm)

4.3 引排水措施

(1)為加強溶洞段地下水引排，采用φ50 mm環向盲管加密設置，并且中心水溝與側溝連接處設φ100 mm PVC橫向導水管，縱向間距加密至5 m。

(2)中心水溝設置φ110 mm豎向泄壓管(HDPE波紋管)，縱向間距3～3.5 m，泄壓管下端應伸入隧底溶腔中不小于50 cm，泄壓管上端管口距離中心水溝溝底60 cm。

(3)仰拱初支與仰拱間設置隧底環向φ50 mm盲管(外裹無紡布)，盲管直接引入側溝，縱向間距3 m。

(4)兩邊墻腳于縱(環)向盲管出水口之間，按縱向間距不大于1 m設置1道泄水孔，泄水孔直徑不小于110 mm。

5 結語

(1)隧道施工揭示溶洞后，可采用溶洞形態測量、隧底巖溶物探探測、結合物探異常和溶洞處理工程的地質鉆探，以及補充巖溶地質測繪等加深地質工作，準確勘察溶洞形態特征，為溶洞整治設計提供地質依據。

(2)隧道洞身揭示的溶洞可采用混凝土護拱、護墻及混凝土回填等措施，易坍塌拱部應加強防護；隧底巖溶采用樁筏結構、“橫向托梁+筏板”跨越和混凝土回填等處理，并加強隧道引排水措施。

(3)巖溶隧道勘察設計期間，應加強地表巖溶地質調繪，復雜巖溶隧道應加強地表巖溶物探探測及深孔驗證鉆探工作，避免線位沿大型溶洞行走，以減少巖溶隧道施工風險。