高速鐵路隧道溶洞排水及支護(hù)綜合處理技術(shù)

張 磊, 范小龍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

高速鐵路隧道施工開挖揭示溶洞時(shí)，一方面圍巖條件較差或隧道周邊有空洞，應(yīng)對(duì)溶洞進(jìn)行回填、支頂、跨越、注漿加固、加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)等(統(tǒng)稱為支護(hù))，確保圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；另一方面，多個(gè)工程案例實(shí)踐表明[1-2]，溶洞一般裂隙水、管道水豐富，還應(yīng)對(duì)區(qū)域性暗河、隧道周邊地下水、襯砌背后積水等進(jìn)行有效引排(統(tǒng)稱為排水)，防止襯砌結(jié)構(gòu)承受高水壓，降低對(duì)區(qū)域徑流的影響。支護(hù)和排水是溶洞處理的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，必須同時(shí)處理好。但因?yàn)槿芏葱螒B(tài)各異、巖溶水徑流復(fù)雜、且洞內(nèi)施工空間狹小，一定程度上支護(hù)和排水難以統(tǒng)籌兼顧，有時(shí)甚至相互矛盾。例如，有的為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定回填了溶洞，造成溶洞堵塞；有的對(duì)充填溶洞進(jìn)行注漿加固，封堵了裂隙水，導(dǎo)致地下水位升高；有時(shí)遭遇暗河，采用橋梁跨越，但洞內(nèi)施工極其困難，且工程造價(jià)高昂……

巖溶隧道的排水，從宏觀到微觀，可分為三個(gè)層次，一是隧道施工會(huì)改變地下水徑流，應(yīng)盡可能保留區(qū)域性暗河等自然過水通道，降低對(duì)區(qū)域自然環(huán)境、當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活用水的影響；二是應(yīng)疏排隧道周邊圍巖水，降低水頭高度，如隧道周邊圍巖水沒有得到有效引排，一直處于高水頭狀態(tài)，在暴雨季節(jié)，地下水位上升，重新疏通各類管道、裂隙等，涌入、滲入隧道襯砌背后，在襯砌薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生滲漏水、射水等病害[1]，甚至擊穿襯砌結(jié)構(gòu)，影響運(yùn)營(yíng)安全；三是周邊圍巖水滲透進(jìn)入初期支護(hù)，如不能及時(shí)引排，襯砌背后“充滿”水后，與洞周圍巖水連通，形成高水壓，危及襯砌結(jié)構(gòu)安全。

因此，應(yīng)以高速鐵路隧道所在的區(qū)域工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，充分考慮洞內(nèi)施工條件、施工安全、工程投資等因素，從區(qū)域排水、洞周排水、襯砌排水三個(gè)層面，系統(tǒng)總結(jié)和探索溶洞支護(hù)及排水的綜合處理技術(shù)，保障運(yùn)營(yíng)安全，保護(hù)環(huán)境。

1 排水及支護(hù)綜合處理技術(shù)

1.1 區(qū)域排水及支護(hù)

巖溶地區(qū)修建隧道，不時(shí)揭示巨型溶洞，這類溶洞往往體積巨大，上下、左右、前后延伸幾十米甚至幾百米，隧道往往“上不著天、下不著地”，洞壁穩(wěn)定性差，經(jīng)常伴有洞壁垮塌現(xiàn)象，一般巨型溶洞都與暗河相通，有季節(jié)性洪水侵襲，這類溶洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、難度極大、整治周期極長(zhǎng)，往往持續(xù)三五年。此外，隧道經(jīng)常遭遇區(qū)域性暗河，暗河一般具有洞徑大、洞壁不穩(wěn)、過水量大、對(duì)區(qū)域自然環(huán)境和群眾生產(chǎn)生活用水影響大的特點(diǎn)。這些巨型溶洞和暗河，如設(shè)計(jì)施工處理不好，極容易造成暗河堵塞、溶洞垮塌、襯砌沉降開裂等，導(dǎo)致安全事故，留下運(yùn)營(yíng)安全隱患，發(fā)生社會(huì)穩(wěn)定事件。針對(duì)這類工程問題，可采取兩種處理方案：

1.1.1 保留自然過水通道

在暗河、溶洞等縱向長(zhǎng)度不大，對(duì)正洞施工影響可控的情況下，應(yīng)盡可能保留自然過水通道，降低對(duì)區(qū)域性徑流和地表、地下水環(huán)境的影響。首選跨越結(jié)構(gòu)，洞內(nèi)設(shè)橋跨越暗河、溶洞，如貴廣高鐵油竹山隧道[3](圖1)；但暗河通道、溶洞還應(yīng)考慮岸坡穩(wěn)定性影響，有時(shí)跨度過大，采用橋梁結(jié)構(gòu)，施工難度大，可采用過水型回填結(jié)構(gòu)。如采用混凝土回填，保證洞壁穩(wěn)定和隧道結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)，在回填體里埋設(shè)大直徑管道，保證過水通暢。貴南高鐵大方山隧道經(jīng)深入研究論證比選后，即采用了這一方案(圖2)。

圖1 貴廣高鐵油竹山隧道采用拱橋跨越暗河

圖2 貴南高鐵大方山隧道采用混凝土回填+埋設(shè)涵管方式處理暗河

1.1.2 局部改移暗河

針對(duì)一些規(guī)模特別巨大、洞內(nèi)空間狹小無(wú)施工條件、施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大的暗河或溶洞等，則回填暗河、溶洞作為施工平臺(tái)和隧道支撐基礎(chǔ)，并對(duì)暗河進(jìn)行局部改移。

以朱砂堡二號(hào)隧道為例[4](圖3、圖4)，巨型溶洞底部縱向長(zhǎng)約80 m，橫向?qū)捈s53 m，高約58 m，隧道從溶洞頂部通過，隧底距溶洞底部高約45 m；該隧道還揭示一條暗河，隧道位于暗河頂板以上0～20 m，暗河底板位于隧底60～110 m深，縱向長(zhǎng)約20～35 m，暗河水流量約233×104m3/d。經(jīng)多方案比選論證，最終通過施工導(dǎo)洞、施工支洞采用C20混凝土對(duì)巨型溶洞和暗河回填至隧底，作為施工和隧道結(jié)構(gòu)支撐的平臺(tái)，并增設(shè)泄水洞，對(duì)暗河進(jìn)行局部改移，保證了隧道結(jié)構(gòu)和區(qū)域性徑流的穩(wěn)定，降低了環(huán)境影響。該方案的成功實(shí)施，開創(chuàng)了該類溶洞和暗河整治的新思路，后續(xù)陸續(xù)揭示的南昆客專營(yíng)盤山隧道巨型溶洞、成貴高鐵玉京山隧道巨型溶洞等，都延續(xù)了這一基本思路。

圖3 滬昆高鐵朱砂堡二號(hào)隧道局部改移暗河平面布置

圖4 滬昆高鐵朱砂堡二號(hào)隧道巨型溶洞回填斷面

1.2 洞周排水及支護(hù)

隧道開挖后，如揭示或探測(cè)發(fā)現(xiàn)溶洞，則應(yīng)充分引排隧道周邊的裂隙水、管道水、溶腔水、溶洞水等，降低洞周的地下水位。洞周排水有兩種形式，一是引排到正洞之外的排水通道，如平導(dǎo)或泄水洞，有條件時(shí)應(yīng)盡量采用這種方式，沒有條件的，則采用第二種方式，即埋管或打孔引入正洞。

第一種方式，應(yīng)設(shè)過水通道，直接將管道、溶腔等接入泄水洞，特殊情況下則直接設(shè)泄水洞引出洞外，實(shí)現(xiàn)正洞排水降壓。存在空溶洞的，則應(yīng)設(shè)混凝土護(hù)墻或護(hù)拱，保證結(jié)構(gòu)安全(圖5)。

圖5 溶洞增設(shè)排水通道及護(hù)墻斷面

第二種方式，則比較復(fù)雜，需對(duì)各類溶洞進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)(圖6)。

針對(duì)巖溶管道：一般開槽埋設(shè)較大直徑如φ500 mm以上的排水管，將管道直接引入正洞水溝；如排水不暢，則可能影響襯砌結(jié)構(gòu)安全，但如果管道水量大、水壓高、泥沙含量高的，則運(yùn)營(yíng)期間可能頻繁涌水涌砂，淤堵水溝，淹沒道床[5]。這時(shí)候，往往要在巖溶管道處擴(kuò)挖設(shè)置沉淀池等，對(duì)管道水進(jìn)行緩沖消能和泥沙沉淀，運(yùn)營(yíng)期間定期維護(hù)清理。

圖6 大型巖溶管道水處設(shè)置沉淀池緩沖效能和泥沙沉淀

針對(duì)拱墻空溶洞：沒有明顯的巖溶管道的，一般應(yīng)在拱頂設(shè)置護(hù)拱，邊墻上設(shè)置護(hù)墻，防止襯砌背后大面積脫空或上方落石沖擊或溶洞垮塌破壞襯砌，并埋設(shè)若干排水管直接引入中心水溝或引入襯砌背后縱環(huán)向盲管；如果空洞較小的，則可采用透水的砂卵石、干砌片石等充填空洞，既保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、也保證了圍巖的透水性；如考慮施工方便、快速、安全，則可采用混凝土回填密實(shí)，再打設(shè)集水鉆孔，同樣防止了襯砌周邊空洞，同時(shí)保證了洞周排水通暢(圖7)。

圖7 混凝土回填溶洞后設(shè)集水鉆孔引排巖溶水

針對(duì)拱墻充填溶洞：位于拱墻的，應(yīng)采取超前注漿或徑向注漿加固措施，改善圍巖物理力學(xué)性能，提高圍巖彈性抗力，保證結(jié)構(gòu)安全，但注漿的同時(shí)，也往往封堵了地下水，留下了安全隱患。因此，可在注漿加固范圍內(nèi)，增設(shè)一定間距、一定長(zhǎng)度的集水鉆孔，或者拱部注漿堵水、邊墻鉆孔排水，做到“有堵有排、堵排結(jié)合”。

一般可巖溶地層：鑒于巖溶水發(fā)育的不確定性，巖溶隧道兩側(cè)邊墻均應(yīng)設(shè)泄水孔[6](圖8)，縱向間距2～4 m不等，且一般應(yīng)入巖不小于50 cm。實(shí)踐證明，邊墻泄水孔是降低水頭、充分排水的一項(xiàng)關(guān)鍵措施。

圖8 邊墻泄水孔設(shè)計(jì)

1.3 襯砌排水及支護(hù)

襯砌結(jié)構(gòu)是隧道開挖后控制圍巖變形、支撐圍巖的一種支護(hù)措施，在保證圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，還應(yīng)充分引排周邊圍巖滲透到襯砌背后的地下水，否則，襯砌可能承受高水壓。

復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)和二次襯砌構(gòu)成，兩者之間設(shè)置了一層防水板，防水板背后設(shè)置了縱向、環(huán)向排水盲管等排水措施，以充分引排滲透到初期支護(hù)和二次襯砌之間的地下水，做到“防排結(jié)合”。無(wú)集中管道、大面積裂隙水發(fā)育地段，要加密、加粗盲管，或增加凸殼型排水板，施工縫還可采用排水型止水帶，施工縫滲漏水直接通過止水帶排到洞內(nèi)水溝。復(fù)合式襯砌是目前最常用的襯砌結(jié)構(gòu)體系，適用于對(duì)絕大多數(shù)地段，但由于初期支護(hù)和二次襯砌是密貼的，混凝土澆筑過程中，縱環(huán)向盲管容易擠壓變形，運(yùn)營(yíng)中常有結(jié)晶和泥沙淤堵，排水能力有限，有特殊排水要求的則不一定適用。

離壁式襯砌多用于基巖完整穩(wěn)定地段，基巖和襯砌之間分離設(shè)置，中間的空間即可作為排水通道(圖9)。如果圍巖較差，可設(shè)置錨噴襯砌對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)，確保圍巖穩(wěn)定，二次襯砌與初期支護(hù)之間分離設(shè)置作為排水通道。對(duì)于離壁式襯砌，在鐵路隧道中，從工程投資、施工方便等角度，難以大范圍實(shí)施，但對(duì)于拱頂密集分布多個(gè)巖溶管道和出水點(diǎn)，難以逐點(diǎn)引排的，可參照離壁式襯砌的理念，對(duì)隧道縱向5～8 m范圍內(nèi)向外擴(kuò)挖2～3 m，進(jìn)一步揭示巖溶管道，設(shè)初期支護(hù)保證圍巖穩(wěn)定，讓巖溶水順暢排出，設(shè)護(hù)拱和襯砌作為結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備和防水結(jié)構(gòu)，兩者之間留出高度1 m左右的排水通道，引排至附近的泄水洞。貴南高鐵德惠隧道拱頂巖溶管道即按此方案設(shè)計(jì)施工，取得了良好的效果。

圖9 離壁式襯砌排水示意

隧道開挖揭示溶洞地段，一般圍巖條件較差，地下水豐富，要加強(qiáng)排水，也要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)支護(hù)，但無(wú)論是噴射混凝土還是澆筑模筑混凝土，都可能封堵裂隙和管道，造成排水不暢，留下安全隱患。尤其是泄水洞，設(shè)置的主要目的就是為正洞排水降壓，但揭示溶洞地段，為保證結(jié)構(gòu)安全，增設(shè)了二次襯砌，可能堵住了地下水。在常規(guī)的打孔引排不能滿足排水要求時(shí)，可采用“花襯”來(lái)解決這一難題。有的設(shè)置在拱部，有的設(shè)置在邊墻，或者縱向間隔設(shè)置襯砌等，既能解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題，又能解決排水問題。

2 結(jié)論

(1)巨型溶腔、暗河等，可采用洞渣、混凝土回填的方式創(chuàng)造施工平臺(tái)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)和難度，可在回填體中埋設(shè)過水管道，也可以局部改移暗河，保證暗河排水暢通，盡量減少對(duì)區(qū)域徑流的影響，保護(hù)環(huán)境。

(2)應(yīng)結(jié)合具體情況選用排水通道、埋管、集水鉆孔、沉淀池、邊墻泄水孔等方式充分引排巖溶水，降低洞周水位，并采用支頂、回填、護(hù)墻(拱)、注漿等措施支護(hù)溶洞。

(3)特殊條件下，可采用離壁式襯砌、間隔設(shè)置二次襯砌等，保證排水暢通和結(jié)構(gòu)安全。