復雜巖溶地質隧道設計與施工關鍵技術

蒲建國

(滬昆鐵路客運專線貴州有限公司，貴州 貴陽 550000)

對于復雜巖溶地質中的高鐵隧道而言，防排水仍是影響其運營安全的薄弱環節。目前，在已開通的貴廣鐵路、滬昆鐵路貴州段運營過程中，部分隧道在雨季短時強降雨天氣下出現排水能力不足、排水不暢產生局部水壓、施工縫滲漏水、掉塊等影響鐵路運營安全的情況。出現此類防排水病害的原因主要為：①在隧道設計階段，由于勘察手段的限制，對巖溶地區的巖溶裂隙水、巖溶管道水等地下水特性了解不足，不能進行針對性的設計；②在隧道施工階段，隧道二次襯砌和基底處理等施工未嚴格落實相關的技術要求。本文以貴南鐵路為工程背景，介紹了復雜巖溶地質隧道建設階段采取的關鍵技術，實際應用效果良好。

1 加強型隧道防排水設計

1.1 襯砌背后排水系統

為有效提高襯砌背后排水能力，降低襯砌背后水壓致裂、滲漏水等病害風險和排水系統運營維護成本增加。襯砌背后排水系統采取如下設計：

(1)對環向盲管進行縱向加密，一般地段環向盲管間距取為5 m，巖溶及地下水發育地段縱向間距取為2 m。

(2)在矮邊墻增設孔徑不小于110 mm的泄水孔(管)，孔(管)間距不大于2 m，并與盲管錯開布置。在側溝(槽)立模澆筑前，疏通孔內結晶物并鉆孔深入圍巖0.5 m。

(3)隧底布設環向盲管，管徑不小于50 mm，縱向間距不大于5 m；同時采用無紡布進行包裹用以收集仰拱底部地下水，波紋管兩頭彎入邊墻側溝。

(4)拱墻環向施工縫1.5 m范圍布設“凸”殼型排水板[1]，發揮“凸”殼型排水板的“面排水”功能。

1.2 隧道內排水系統

首先在左右邊墻側溝槽壁與道床之間各縱向拉通增設尺寸為寬0.3 m×深0.2 m的道床側溝。然后在道床側溝與中心溝之間增設橫向排水溝，溝頂板低于道床板0.15 m，排水坡度2%。橫向排水溝寬0.4 m、深0.17～0.23 m，沿縱向每隔30 m設置一道，使得道床與側溝之間的積水匯入道床側溝，再經橫向排水溝連接中心水溝排出洞外[2]。最后在邊墻側溝與橫向排水溝之間埋設?110 mm的PVC彎頭進行連接，從而分流邊墻側溝的水，使得排水系統更加通暢、科學、合理。

1.3 隧底地下水泄壓系統

在巖溶及地下水發育段，布設隧底環向盲管，間距5 m，兩端彎入邊墻側溝，在中心水溝兩側壁位置打設豎向管(左右交錯)彎入中心水溝，必要時，在道床側溝底部打設泄壓管。為隧底有壓水提供排水通道，防止有壓水破壞道床，保證施工質量及運營維護安全。隧道排水路徑、排水系統斷面以及排水系統布置見圖1～圖3。

1.4 圍巖集中出水點和裂隙股狀水處置

對于開挖面揭示的集中出水點和裂隙股狀水，可于初期支護背后單獨設置管徑不小于110 mm的PVC管作為專項排水管路直接接入中心水溝，從而提高隧道施工階段的排水能力，降低出現襯砌開裂、滲漏水等病害的風險。

圖1 排水路徑

圖3 排水系統布置平面

圖2 排水系統布置斷面(單位：cm)

1.5 二襯施工縫、變形縫防水

基于質量與投資控制的雙重考慮，根據隧道工點地質條件和地下水發育情況，二襯施工縫、變形縫防水在水量大的地段采用自粘式止水帶、其他地段采用材料性能滿足相關標準要求的普通止水帶，該措施既可滿足排水質量要求又可有效降低投資。

1.6 施工期間集水廊道

在隧道施工過程中，當原設計排水系統不能滿足排水需求時，需增設集水廊道對其進行匯集，然后引排至泄水洞、平導、橫洞等輔助坑道排水設施中。

貴南鐵路貴州段朝陽隧道掌子面開挖至DK163+786處，揭示巖性主要為灰巖，掌子面左側邊墻有一裂隙，裂隙內富水，水量約為150 m3/h，裂隙張口尺寸約為0.3 m，向隧道外輪廓斜上方發育，拱頂向上發育一黏土充填溶腔，溶腔內富水，出水位置為一豎向發育溶槽，溶槽尺寸約為1.0 m(長)×0.25 m(寬)，向上發育高度不明。隧區巖溶中等～強烈發育，地下水屬于巖溶裂隙～管道水，局部可能存在大的溶隙或隱伏巖溶管道[3]，可能導致突泥涌水。在建設過程中，為將隧底及拱頂巖溶水引排至洞身平導，達到泄水降壓的效果，分別于線路左側和拱頂處各增設了一集水廊道，集水廊道與溶腔和平導聯通，將該處出水引排至平導內，使巖溶、裂隙水排水暢通，降低了突泥涌水的風險，減小二襯結構的水頭壓力，保證隧道施工質量安全的同時，也為運營安全提供保障。

2 二次襯砌設計和施工技術

2.1 常見質量問題

2.1.1 施工間隙冷縫

在貴廣鐵路、滬昆客專貴州段Ⅱ、Ⅲ級圍巖及Ⅳ級硬質圍巖深埋地段隧道施工過程中，二次襯砌采用素混凝土進行澆筑，由于混凝土施工中存在運輸中斷、混凝土輸送管道堵塞等問題導致出現施工間隙冷縫。

2.1.2 運營期襯砌開裂、掉塊

襯砌混凝土中的非結構裂紋在隧道內高速列車空氣動力學正負壓差反復作用下會逐漸增大，從而產生開裂、掉塊等影響高鐵運營安全的隱患。

2.2 二次襯砌設計

為降低隧道襯砌混凝土掉塊風險，加強巖溶隧道二襯結構安全、降低運營期正負壓反復作用導致隧道二次襯砌出現開裂、掉塊風險，確保開通以后的運營安全。在《鐵路巖溶隧道勘察設計規范》(Q/CR 9251-2020)頒布前，為降低隧道襯砌混凝土掉塊風險，在貴南鐵路貴州段隧道可溶巖Ⅱ、Ⅲ級圍巖素混凝土地段隧道施工過程中，在隧道拱部142°39′24″范圍內設置?8 mm鋼筋網作為護面鋼筋，拱墻內設置間距2 m的鋼筋格柵支撐和固定護面鋼筋網片；在《鐵路巖溶隧道勘察設計規范》頒布后，可溶巖地段隧道采用鋼筋混凝土襯砌結構。

2.3 二次襯砌施工技術

2.3.1 二次襯砌臺車工藝工法

借鑒京張鐵路、鄭萬鐵路湖北段先進合理的工藝工裝配置經驗，對二次襯砌臺車加裝料斗與滑槽以實現混凝土分層分窗對稱入模灌注、分層搗固混凝土[4]；同時在二襯端模帶中設置環向中埋式止水帶固定夾具，并加設環向止水條以防止模板臺車對已完成襯砌壓力過大從而導致襯砌開裂；拱頂預埋帶模注漿管并配置注制漿一體機具[4]。在此基礎上，貴南鐵路隧道施工過程中還對二次襯砌臺車進行了以下改進：

(1)對二襯模板臺車進行改裝，使二襯環向施工縫形成“弧形倒角”，釋放二襯施工縫處產生的應力，大大降低二襯施工縫病害。

(2)拱墻與矮邊墻已澆筑的襯砌混凝土的剛性搭接技術優化為柔性搭接技術，簡稱“軟搭接”，以防止施工縫處漏漿、錯臺、沙化及蜂窩麻面等質量缺陷。“軟搭接”技術也適用于環向施工縫。

2.3.2 隧道拱頂灌注控制及襯砌背后充填注漿

為避免隧道拱頂混凝土產生厚度不足、不密實、空洞的缺陷，在灌注拱頂混凝土時，從下至上逐層進行，直至拱頂，采用可視化的監控系統和壓力傳感系統，使拱頂混凝土灌注達到可視化和定量控制，保證拱頂灌注質量。

在本循環二襯混凝土灌注完成后，在拱頂防水板表面沿縱向布置注漿管和排氣管進行拱頂充填注漿。注漿管采用?30 mmPVC管，外漏部分20 cm，注漿管上鉆孔作為溢漿孔(排氣管不布孔)，溢漿孔梅花型布置，孔徑不小于6 mm，孔間距不大于20 cm。設置注漿管與排氣管時注意保護防水板不被破壞，影響排水效果。注漿采用微膨脹早強水泥砂漿，滿足和易性、耐久性并滿足配合比要求，注漿壓力應小于0.2 MPa，當注漿壓力超過0.2 MPa或漿液從排氣管排出時即可停止注漿，將注漿孔封填密實，并對注漿效果和襯砌質量進行檢查、驗證。

3 隧底處理技術

3.1 隧底上浮控制技術

3.1.1 隧道上浮問題

隧底仰拱是二襯結構的重要組成部分，也是病害發生后最嚴重、最難處理以及威脅最大的部位。近年來，西南地區多座軟質巖緩傾巖層鐵路隧道在運營前或經過一段時間的運營之后，隧底結構出現不同程度的上浮，造成軌道上拱、不平順等病害，尤其是采用無砟道床的隧道，由于其軌道的可調空間極為有限，隧底上浮病害直接危及行車安全。貴廣鐵路、滬昆客專貴州段個別隧道也因巖溶水、緩傾水平巖層等引起隧道軌道結構上浮病害。

在隧道運營期內若出現隧底上浮，可通過增設泄水洞、重構仰拱等措施進行整治，但運營、施工協調問題突出，安全壓力巨大、勞動效率極低、投資增加極大。

3.1.2隧底抗浮措施

貴南鐵路貴州段朝陽隧道DK164+440-DK168+710段為水平巖層，在施工過程中，該段采取調整仰拱曲率至1/8、厚度加厚至70 cm的隧底結構加強措施。通過對該段整體的仰拱沉降量監測成果進行分析，累計總沉降值均控制在±3 mm以內，沒有出現沉降過大的情況，典型斷面的沉降變化也隨時間的增長趨近于穩定，并收斂于一個較小的范圍，均未出現不可控的較大沉降，說明該段的沉降控制效果較好，結構總體安全穩定。

該措施在貴南鐵路貴州段進行推廣，減小了運營期隧底上浮病害的發生概率，降低維修成本，確保運營安全。

3.2 隧道基底隱伏巖溶探查和處理

3.2.1 隧道基底隱伏巖溶探查

隧道基底在巖溶水、裂隙水等地下水以及地表水補給作用下將產生隱伏巖溶，直接影響到隧道自身結構的穩定，威脅鐵路運營安全。為了提高工程實體質量，降低運營風險，在施工過程中對隧道基底一定深度范圍內，分仰拱澆筑前后兩個階段進行隱伏巖溶探查，為巖溶整治提供基礎資料。

3.2.2 隧道基底隱伏巖溶處理措施

針對貴南鐵路貴州段斗篷山一號隧道(DK40+100-DK42+130段)隱伏巖溶探測出現的溶蝕破碎帶、溶洞等異常段落進行處理。

(1)隧底溶蝕破碎帶處理：隧底溶蝕破碎帶可采用打孔泄壓的方式進行處理。打孔泄壓可加強隧底地下水的引排，降低地下水對仰拱結構的水頭壓力，確保結構安全，有效的預防隧底病害的發生，保證運輸安全。其流程為：在隧底增設排水降壓孔，并首先施作兼做取芯孔的排水降壓孔，每一段溶蝕破碎帶取芯孔單側間距20 m且至少有1個。取芯后，若取芯孔無異常，可正常施作排水降壓孔；取芯后，若芯樣采取率不高、芯樣破碎，應在該取芯孔孔內做電視成像，以探明鉆孔孔周地質情況，待電視成像完成后在孔內設?100 mmPVC管，并鑿槽埋設?100 mmPVC彎管將排水降壓孔內涌水直接引入中心溝，然后將開槽回填至原設計仰拱填充頂面；溶蝕破碎帶內同時有溶洞需進行注漿處理時，先行施作溶洞注漿處理措施，待注漿完成3 d以后，方可施作溶蝕破碎帶內的排水降壓孔。

(2)隧底溶洞處理：隧底溶洞底板厚度大于10 m時可不做處理，當隧底溶洞底板厚度不大于10 m時可采用鉆孔注漿的方式進行處理。鉆孔間距5 m，每處異常區取鉆孔的10%兼做取芯孔且不小于2孔。先施作取芯孔，并根據取芯鉆孔資料綜合判識，確定是否調整其余注漿孔設置參數；注漿鉆孔深度超過異常區下邊界0.5 m。鉆孔采用?89 mm鉆孔，內置?75 mm鋼花管作為注漿管，漿液采用C20水泥漿(取芯孔揭示有較大空溶洞時，可調整為灌注水泥砂漿或細石混凝土)。注漿終止由注漿壓力進行控制，當注漿壓力達到注漿終壓0.3 MPa、連續10 min不進漿可結束單孔注漿，并記錄注漿過程中的注漿壓力、注漿時間及注漿量等數據，為以后注漿提供參考依據。

4 結束語

貴南鐵路貴州段隧道通過對隧道防排水設計、二次襯砌開裂與掉塊防治、隧底抗浮等方面不斷優化，使得隧道設計和施工更加的科學、合理，從而使隧道質量控制得到了很大的提升，減小了病害發生的概率。為西南地區巖溶、復雜地質條件隧道質量控制積累了豐富的設計、施工經驗和技術數據，對今后類似地質條件隧道質量控制起到了借鑒和推動作用。