高速鐵路隧道內連續梁跨越巨型復雜溶洞施工技術研究

龍 禹

(中國中鐵股份有限公司，北京 100039)

1 概述

我國巖溶分布面積廣闊，其中，廣東、廣西、貴州、云南等地的巖溶發育尤其強烈。隨著鐵路交通建設的快速發展，越來越多的隧道穿越巖溶活動強烈地層。在如此工程條件下，如何保證隧道建設及運營安全，成為工程技術人員密切關注的課題。

針對復雜巨型巖溶體系，工程中常用的處治原則主要包括“避、引、堵、穿、繞、跨”[1]。“避”是指設計中對那些穿越困難、工程量大的溶洞區，首選避開，不能避開時，則盡量以大角度穿越；“引”是指引流溶洞水，溶洞水大量涌入坑道會給施工帶來危害，引離溶洞水應避免巖溶地區生活、生產用水受到影響；“堵”是指對于停止發育、無水溶洞，應根據其位置及填充情況，用漿砌片石、干砌片石等堵塞封閉，必要時需壓漿或用混凝土填實；“跨”是指對于不宜作堵塞處理的大溶洞，因溶洞充填松軟，不宜施作道路路基，需要修建橋梁工程跨越；“繞”是指對處理難度極大的溶洞，用迂回導坑繞過溶洞，使處理溶洞工程與前方隧道工程平行作業，不致延誤工期。

針對上述基本原則，對隧道穿越巨型溶洞的施工方法進行系統研究，施工及處置方法大致可以分為：①改線繞避；②基底處理；③巖溶水處理；④樁基、橋梁跨越。張龍等提出了鐵路隧道穿越溶洞時的改線繞避方案[2]；S.Alija等依托西班牙Gavarres隧道穿越巖溶地區的工程案例，提出了采用貧混凝土、砂漿、樹脂等材料填充空腔解決相關溶洞問題的工程方案[3]；劉艷結合工程實例對管波探測法等進行了較為詳細的介紹[4]；馬濤以宜萬鐵路穿越龍麟宮1號溶洞為背景，提出了一種“路基+明洞”跨越溶洞的方案[5]；林本濤等結合朱砂堡二號隧道穿越特大型溶巖空腔的工程實際，針對穿越溶洞時沉降控制問題，提出了一種大體積空心混凝土回填技術[6]；何佩軍依托在宜萬鐵路野三關隧道穿越大型高壓富水塊石充填型的施工背景，采用迂回繞避等綜合處理的方式穿越溶洞[7]；李庚許結合宜萬鐵路大支坪巖溶隧道突水突泥溶腔及暗河的復雜水文地質背景，提出了一種“就地封堵+迂回繞行”的施工作業方案[8]；李學東等依據朱家巖隧道特大型溶洞的工程背景，針對溶洞圍巖破碎、穩定性差的情況，提出了一種橋梁永久性跨越溶洞的方案[9]；薛成等結合清連高速白須公隧道的工程實際，針對特大溶洞空間大、側向延伸廣，地質軟弱帶結構復雜的工程難題，提出了一種樁基跨越的方案[10]。

不難看出，溶洞對鐵路隧道工程建設影響巨大，其中，溶洞的復雜形態、填充物的松散特征、溶洞洞壁的局部坍落以及管道水、暗河水的沖刷，增加了工程建設的難度。鑒于此，介紹一種“暗河改道+隧道洞渣回填+隧道內連續梁跨越”的巨型復雜溶洞處理方案，以期為類似復雜溶洞工程施工提供借鑒。

2 工程概況

某高鐵玉京山隧道位于中國云南省威信縣境內，全長6 306 m，為雙線隧道，軌面設計坡度為30‰，隧底鋪設無砟軌道道床。隧區地處大婁山系以西，隧道最大埋深約350 m，隧址區地表多為季節性沖溝，灰巖段地表多發育有漏斗、溶洞和暗河天窗，局部發育有暗河進口。該隧道是一條集瓦斯突出、巖溶強烈發育、突水涌泥等復雜地質條件于一體的高風險隧道。

隧道分進口、出口、橫洞3個工區同時組織開展施工，揭示的巨型復雜溶洞位于橫洞工區。隧道于溶洞大廳頂部位置穿越溶洞，溶洞沿線路方向長約93 m，垂直于線路長約230 m，高50～120 m，溶腔體積達108萬m3；溶洞底部左側坡腳發育一條寬5～15 m的暗河，水流湍急。洞壁存在局部掉塊和坍落現象。溶洞形態和線路關系見圖1。

3 施工難點

考慮到上述穩定性問題，該巨型復雜溶洞處理施工過程中存在如下風險因素。

(1)線路通過難度大

①空腔巨大：溶洞橫向寬度約230 m，縱向跨度約93 m，頂部到底部高差50～120 m。

②與線路組合極為不利：線路軌面高程位于穹頂附近，隧道拱部嵌入穹頂，需對溶腔頂板進行縱向切槽。

(2)巖溶大廳洞壁淺層穩定性差

①洞頂部分段落巖面較新鮮，原始狀態下近期有掉塊現象，影響范圍廣，縱向為100 m，橫向為200 m。

②人工擾動后掉塊嚴重，尤其受爆破震動影響。

③小里程端倒懸段整體穩定性差，影響范圍為縱向60 m，橫向150 m，局部有開裂現象。掉塊區域及現場掉塊情況見圖2。

(3)溶洞底部充填物土層深厚

① 溶洞底部區域有大量充填物，縱向影響范圍134 m，橫向227 m，厚20～97 m。底部充填物勘探情況見圖3。

圖3 溶洞洞底碎塊石、黏土堆積體

② 充填物成分復雜，表層為0～15 m厚的硬塑狀黏土，其下為溶洞洞壁坍落形成的碎石土，局部為軟塑狀黏土，土質不純。

(4)溶洞底部充填物穩定性差

① 堆積物從線路右側頂部到暗河底部呈一個上緩下陡的斜面，坡度為15°～35°，結合觀測結果及天然狀態穩定性檢算分析，穩定性系數在0.9～1之間，斜坡處于臨界穩定狀態。

② 底部暗河和周邊支管道水反復波動、沖刷，對斜坡穩定性影響巨大，存在整體失穩風險。

③ 堆積層上加載會進一步加大穩定性風險。只要有在堆積體上發生工程活動，極有可能導致失穩。

(5)巖溶大廳水系復雜，主暗河下游消水能力有限，對底部充填物及工程構筑物的沖蝕風險較大。暗河現場勘探情況見圖4。

圖4 溶洞洞底暗河情況

4 主要研究過程和技術路線

4.1 總體研究思路

受“溶腔淺層洞壁穩定性差+底部深厚充填層+地下暗河寬大且水流湍急”等多種施工不利因素疊加影響，造成該工程施工難度大，安全質量風險高，人員設備保護難度大，工期、成本難以控制，對此，采取了以下總體研究思路(見圖5)。

圖5 玉京山隧道溶洞工程施工總體研究思路

4.2 溶洞工程處理方案研究比選與實施

該隧道巨型復雜溶洞施工處理方案研究比選與實施過程主要分為3個階段，各階段主要情況如下。

(1)方案研究比選階級

初期踏勘后，主要開展了以路基、橋梁、隧道等多種方式跨越巖溶大廳初步方案的比選研究，各方案優缺點見表1。經綜合研究分析，各種穿越方案都需要對溶洞大廳進行回填，故提出了多通道輔助坑道回填溶洞方案。溶洞大廳回填過程中，溶洞頂部存在間斷掉塊現象，為確保安全，需對溶洞大廳回填方案進行研究調整[12-16]。

表1 穿越巖溶大廳各比選方案優缺點分析

(2)方案實施與研究調整階段

針對回填過程中溶洞頂部存在間斷掉塊現象，提出將回填至線路設計高程方案調整為溶洞滿填方案，通過回填體支撐溶洞洞壁及穹頂，減小淺層圍巖損傷。溶洞滿填完成后，穿越溶洞大廳方案研究提出為“溶洞頂板錨索及錨網噴防護+回填體路塹式開挖防護+橋梁跨越”方案。在溶洞頂板開挖支護過程中多次出現掉塊情況，通過現場觀測，發現進口工區、橫洞工區溶洞頂板均有不同程度的裂縫出現。經研討，認為溶洞頂板有繼續發生掉塊的可能性。從線路運營長期安全角度考慮，認為“頂板錨索及錨網噴防護+橋梁跨越+輕型棚洞”方案不能保證拱部巖體的穩定性，對施工與運營帶來較大的安全隱患。因此，有必要對跨越方案進行深入一步研究調整。

(3)方案深入研究

結合前兩階段方案實施過程中本溶洞工程體現的特點及控制因素，認為“錨索+錨網噴”聯合加固手段對溶洞頂板整體穩定性控制仍起到關鍵作用。在此基礎上，為提高隧道穿越溶洞的安全保障力度，提出將穿越溶洞大廳方案調整為“回填體暗挖+橋梁跨越”，通過設置暗挖隧道永久性襯砌結構保護橋梁與軌道的運營安全，最終研究提出 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結構防護+連續梁跨越”的綜合施工方案，安全穿越了溶洞，并可確保線路運營長期安全穩定。

5 總體方案

玉京山隧道巨型復雜溶洞穿越施工研究經過3個階段，經反復論證與實踐，為確保線路運營的長期安全，最終形成“暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結構防護+連續梁跨越”的處理方案。

(1)暗河改道

新增泄水洞對溶洞坡腳暗河進行繞移改道，以消除暗河水對溶洞回填體及工程結構沖刷引起的不良影響。

(2)溶洞滿填

合理利用隧道棄渣滿填溶洞，為溶洞頂板處理提供作業平臺，也為溶洞洞壁的后期穩定提供支撐，同時減少土地占用。

(3)穹頂支護

溶洞頂板采用“錨索+錨網噴鋼纖維混凝土”綜合防護技術，從總體上解決巨型溶洞頂板圍巖長期穩定的難題。

(4)回填體暗挖及襯砌結構防護

采取回填體內暗挖432 m2超大斷面隧道，并設置襯砌結構防護。襯砌結構采用錨網噴初期支護，噴C30混凝土，厚40 cm，采用全環HW500 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼鋼架，縱向間距為0.5 m/榀。襯砌結構位于溶洞回填體內，錨桿采用φ42 mm鋼花管(壁厚3.5 mm)，長5 m，錨桿間距均為1 m×1 m(環×縱)，鋼筋網采用φ8 mm鋼筋，網格間距20 cm×20 cm。以確保線路運營長期安全穩定。

(5)連續梁跨越

采用橋梁跨越溶洞，避免因回填體沉降導致無砟軌道線路下沉，而造成線路運營危害。

6 實施效果

通過研究比選，最終提出并實施 “暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結構防護+連續梁跨越”的綜合施工方案，安全穿越了溶洞，并可確保線路運營長期安全穩定。實施效果見圖6。至2022年6月，該隧道已開通運營兩年多的時間，隧道運營狀況良好。

圖6 橋梁-隧道結構跨越溶洞工程效果

7 結論與建議

針對玉京山隧道穿越巨型暗河復雜溶洞工程，介紹“暗河改道+溶洞滿填+橋梁跨越+隧道襯砌防護”的總體施工方案。其中，通過新增泄水洞對溶洞坡腳暗河進行繞移改道，既維持了原地下水的徑流，也避免了對溶洞充填物及回填體的沖刷；合理利用隧道棄渣滿填溶洞，既保證了溶洞腔壁，特別是穹頂的穩定，也避免了隧道棄碴對環境的影響；橋梁跨越，基礎建立在溶洞外的基巖上，避免了溶腔充填物和回填體沉降對線路的影響，確保了高速鐵路運營安全；在橋梁結構外側設置隧道襯砌防護，保障了橋梁的安全，確保了鐵路線路不受溶洞變化的影響。

在本工程方案討論與實施應用過程中發現，穹頂洞壁掉塊坍塌、底部充填物滑塌、施工中巖溶水突涌等多為高風險事件，在處理方案比選研究過程中應重點考慮。施工前先可通過現場補勘、三維激光輪廓掃描重構等方法與手段，揭示溶洞工程空間尺寸、位置關系及發育特征；再根據巖溶發育特征勘探結果，結合數值計算分析，對溶洞工程穩定性進行評價，對風險等級進行劃分，及時采取針對性施工措施與防護措施，以提高工作效率，保障施工安全。