樁-筏板結構在隧道大型溶洞處理中的應用研究

謝鑫 XIE Xin

（中鐵二十五局集團有限公司，廣州 511466）

1 工程概況

云桂鐵路隧道營盤山隧道為時速200km/h、預留250km/h雙線隧道。起訖里程DK394+665～DK398+146，該隧道位于云桂鐵路云南段富寧～廣南區間。

施工中，橫洞工區大里程方向施工至DK396+084時，下臺階開挖揭示隧道基底出現溶洞，對基底開展了溶洞的補勘工作，補勘發現基底為一充填型溶洞，溶洞縱向范圍DK396+084～+125長41m，鉆孔揭示基底以下最深70m，溶洞橫向寬度大于70m，充填物為細砂夾粘土及粉土（如圖1所示）。

圖1 DK396+095掌子面揭示巖洞充填物情況

2 溶洞形態、發育狀況及工程地質情況

2.1 溶洞形態及發育狀況

開挖及水平鉆孔揭示，拱墻溶洞自DK396+094于掌子面中部開始并向右前方發育并逐漸擴大，洞身溶洞范圍DK396+094～+129，縱向長度約35m，橫向寬度大于70m（左側28m深水平鉆孔、右側30m鉆孔未探明邊界），拱頂以上高度大于6m（拱頂6m釬探孔未探明邊界），為充填型溶洞，充填物為細砂、夾黏性土及粉土。

溶洞形態不規則，以豎向發育為主，基底溶洞位于DK396+085～+125段，縱向長度40m；橫向寬度大于隧道寬度，橫向邊界未探明；基底以下深度0～74m，平均深度約32m。為充填型溶洞，充填物為細砂、夾粘性土及粉土，左線線路中線溶洞發育情況如圖2所示。

圖2 左線線路中線溶洞縱斷面

2.2 地層巖性及參數

該段隧道基底溶洞充填物以細砂為主，夾少量粉質黏土及塊石土，基巖為二疊系下統（P1）灰巖。

＜1-3＞人工填（棄）土（Q4ml）：以粉質黏土、塊石土為主。由施工形成。

＜2-11＞粉質黏土（Q4ca）：溶洞充填物，褐黃色，軟塑狀，局部硬塑狀，局部夾角礫、塊石。

＜2-12＞細砂（Q4ca）：溶洞充填物，顏色較雜，褐黃、褐灰、深灰～灰黑色等，潮濕，中密～密實為主，少量稍密，局部為粉土或粉質粘土。

＜2-13＞塊石土（Q4ca）：溶洞充填物，灰白、褐灰色，松散～稍密，稍濕，含約60%灰巖塊石。

＜15-18＞灰巖（P1）：灰色、深灰色，隱晶結構，中厚～厚層狀構造；節理裂隙發育，節理面有輕微溶蝕及少許黏土充填，溶蝕中等～強烈，屬Ⅴ級次堅石。

2.3 水文地質

本次鉆探未見地下水。線路右側約600m為西洋河，西洋河水面標高約745m，溶洞底部標高863.75m，溶洞處于巖溶水的垂直滲流帶。

2.4 穩定性評價

從顏色上看，細砂層顏色比較雜，褐黃、褐灰、深灰～灰黑色等，其中細砂中的深灰～灰黑色物質為經暗河帶入的地表有機物形成；從巖性來看，細砂含泥量較高，局部為粉土或粉質黏土，主要為暗河攜帶的地表土及暗河通道坍塌物質逐步形成的洞穴堆積物。

綜合分析，推測該處溶洞為與線路大角度（或近垂直）相交的古老暗河通道，洞穴堆積物充填暗河通道后，該古老暗河通道改道，已不屬于地下水通道。目前西洋河水面高程與溶洞底部高程相差較大（約119m），不存在大量地下水進入溶洞帶走溶腔內充填物的情況。但該段基底巖性軟硬不均，經進行了安全評估，可能引起基底不均勻沉降，對隧道工程影響大。

3 隧道基底巖溶處理方案的比選

溶洞充填物為細砂，局部夾粉土或粉質粘土，充填物呈現軟硬不均的特點，可能引起不均勻沉降。結合該充填型溶洞的形態及性質、與隧道的位置關系，以及無碴道床對隧道基礎工后沉降值控制在≯15mm的要求。項目部組織了隧道、橋梁、路基等專業開展了隧道基底處理方案的研究比選工作，分別研究了橋梁跨越、注漿改良地層、旋噴樁復合地基及基底樁-筏板結構等方案的可行性。

3.1 橋梁跨越方案

根據基底溶洞發育情況，需設48m跨的橋跨結構。普通橋跨結構僅按承受軌下荷載進行設計，需另外設置結構以承受隧道襯砌及圍巖荷載。如果橋跨要同時承受圍巖及襯砌荷載。檢算結果表明，需采用拱圈厚度約6.0m的拱式結構跨越。

橋梁結構施工須下挖一定深度（簡支梁梁高約4.5m，梁下檢修高度2m；拱橋下挖深度更是超過15m），存在隧頂、基坑側面坍塌的極大風險。同時開挖基坑會使隧道的已施做鋼拱架支撐底部被掏空而失穩。如遇巖溶水，更是降低充填物的穩定性，加劇坍塌風險，增加施工難度。且橋跨結構形成局部深基坑，需單獨設置泄水洞排水防止出現積水影響鐵路正常運營。

3.2 注漿改良地層、旋噴樁復合地基方案

3.2.1 注漿方案設計參數

擬采用間距1.0m×1.0m的φ75鋼花管注漿加固，交錯布置，加固深度為隧底以下45m，注水泥漿（漿液水灰比按1∶1），注漿壓力按1.0～1.5MPa控制。

3.2.2 旋噴樁復合地基設計參數及要求

擬采用間距1.4m的φ0.6m旋噴樁，加固深度為隧底以下30m，要求試塊（邊長70.7mm立方體）在標準養護條件下28d抗壓強度平均值≥4.0MPa。

采用鋼花管注漿加固后對充填體經檢測在滿足設計要求時，其容許承載力可達到325kPa；采用旋噴樁加固后地基容許承載力按規范計算為352.8kPa。因此采用注漿加固、旋噴樁加固后其基底承載力能夠滿足上部荷載要求。

3.2.3 沉降分析

根據《鐵路工程地基處理技術規程》的要求，對基底加固后的沉降進行分析。分析了基底工后沉降值，計算結果表明DK396+106、DK396+118.5斷面在上部荷載作用下均不能滿足無碴軌道工后沉降≯15mm的控制要求。

3.2.4 該方案存在的一些技術問題

①溶洞最深約70m，根據現有施工經驗，旋噴樁超過30m后效果不佳，難以將基底充填物全部予以加固。30m以上的充填物在運營期間存在產生沉降或不均勻沉降的隱患。

②以往巖溶注漿加固經驗表明，當深度超過30m的充填型溶洞，注漿施工難度大，加固質量難以控制。

③溶洞沿線路縱向、橫向的發育極不規則，注漿加固或樁復合地基方案，基底縱、橫向剛度不能協調均勻，縱橫向壓縮、沉降存在較大的差異。

可見注漿加固改良地層及旋噴樁復合地基方案的基底承載力可滿足荷載要求，但其工后沉降不能達到無碴軌道沉降控制要求，由于充填物均勻性差、溶洞的發育形態不規則，其注漿及旋噴樁加固效果不易控制，故不宜作為整治方案。

3.3 樁-筏板結構方案

樁-筏板結構采用鋼筋砼樁作為承載的關鍵結構，樁頂設鋼筋砼板承受圍巖荷載、襯砌自重及列車荷載，該結構為剛性基礎。

結合溶洞發育形態、隧道斷面型式及其溶洞的位置關系，在滿足最小樁中心距情況下，驗算了不同樁徑柱樁及摩擦樁單樁的容許承載力及其承擔的上部荷載如表1所示。

表1 不同樁徑摩擦樁、柱樁單樁容許承載力驗算表

從表1可以看出：φ1m摩擦樁無法滿足上部荷載要求，φ1.5m摩擦樁在樁長達到70m時方可滿足要求，但樁長70m樁長已進入基巖。因此本方案中采用柱樁。

φ1m及φ1.5m柱樁均能滿足上部荷載要求，但考慮成樁工藝及減少長樁數量，采用大直徑、大間距的樁布置型式。

綜上所述，本方案中采用φ1.5m鉆孔灌注柱樁。

4 隧道基底巖溶整治方案

隧道基底溶洞整治最終采用樁-筏板結構方案，其方案參數包括鉆孔樁布置、筏板結構，相應的襯砌結構及防排水設計等內容，具體如下：

4.1 平面布置

結合基底溶洞發育形態，對鉆孔樁布置進行優化，鉆孔樁橫向間距3.8m，縱向間距5m，對DK396+100～+120段基底溶洞最深地段采用縱向2跨梁連續梁跨越，跨度分別為10m及7.5m，其鉆孔樁及連續梁布置如圖3所示。

圖3 樁-筏板結構柱樁、連續梁布置示意平面圖

鉆孔樁采用C35鋼筋砼的φ1.5m柱樁，樁底嵌入基巖深度≮2m。布置18根鉆孔樁，共671m，其中樁長＞50m的共4根，最長樁長70m，平均樁長37m。當樁長＞40m時，樁身需按《鐵路工程基礎檢測技術規程》（TB10218-2008）要求設置聲測管。

4.2 筏板結構

鉆孔樁頂部設置C35耐腐蝕鋼筋砼筏板，筏板厚度1.5m，縱向長度40m。

4.3 縱向連續梁

DK396+100～+119.5段筏板下設置縱向連續梁，梁高3m，寬2m，縱向長度19.5m，梁與DK396+101、DK396+111及DK396+118.5鉆孔樁采用鋼筋連接，梁采用C40鋼筋砼。

4.4 基底注漿加固

隧底溶洞充填物為細砂，局部夾粉土或粉質粘土，最厚達70m，樁筏結構樁長細比較大，為提高樁筏結構樁間結構穩定性，隧底筏板基坑開挖平整后，于筏板施作前在樁間采用間距1.0m×1.0m的φ75鋼花管（壁厚5mm）注漿加固，交錯布置，設置范圍DK396+100～+110段筏板基坑底下15m控制，DK396+110～+118.5段筏板基礎下按嵌入基巖0.5控制。

鋼花管注漿成孔為φ89，按水灰比1∶1壓注水泥漿，注漿壓力控制在1.0～1.5MPa范圍，并根據現場情況適當調整水灰比，優化注漿工藝、間歇注漿。

4.5 襯砌結構及防排水設計

根據開挖揭示的地質條件及巖溶形態，并結合隧底巖溶采用樁-筏板結構方案的整治措施，本段襯砌結構適當加強。DK396+084～+109段段采用Ⅵ級絕緣一般錨段底板復合式襯砌，DK396+084～+125段采用Ⅴ級絕緣一般錨段底板復合式襯砌。結合本段溶洞發育的規模、形態及結構處理措施，于DK396+084、DK396+109、DK396+125處各設置1道變形縫，共3道。

地下水對砼無侵蝕，二次襯砌拱部、邊墻及仰拱砼抗滲等級不低于P10。初期支護與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設EVA平面防水板+無紡布防水；襯砌拱墻環向施工縫設中埋式橡膠止水帶+外貼式橡膠止水帶，仰拱環向施工縫設中埋式橡膠止水帶；縱向施工縫設中埋式鋼邊橡膠止水帶+遇水膨脹橡膠止水條。

地下水采取“以排為主，防排結合”原則，側溝與中心溝間按間距5m設置橫向φ100PVC排水管。

4.6 鉆孔樁施工組織

本隧斷面開挖凈空寬度14.28m，邊墻鉆孔樁處開挖凈空高度8.1m，根據隧道內鉆孔樁使用的沖擊鉆設備操作空間（6m×2.5m×7.5m），斷面凈空滿足沖擊鉆的操作空間。同時根據以往隧道內孔樁施工經驗，隧道內采用半幅施工鉆孔樁，半幅通車時其凈空滿足作業設備要求，且能保證施工安全。

優先施作隧道左半幅鉆孔樁施工，保證隧道右半幅通道暢通。同時采用3臺沖擊鉆進行施工，左半幅鉆孔樁施工完畢后，進行右半幅鉆孔樁施工，同時保證隧道左半幅通道暢通。

5 結束語

鐵路運營后持續的監測結果表明，該段隧道結構安全穩定，沒有任何病害出現。證明采用樁-筏板結構進行大型深厚充填型溶洞的整治方案達到根治及一勞永逸的目標，為類似隧道穿越大型溶洞技術處理措施提供思路。