高速鐵路隧道喀斯特發(fā)育區(qū)處理關(guān)鍵技術(shù)研究

【中圖分類號(hào)】：U455.49 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）05-37-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.05.009

Research on Key Technology of Karst Development Zone Treatment in High-speed Railway Tunnel

WANG Bingyan，ZU Xiaoying

（ChinaRailway15th Bureau Group 5th Engineering Co.，Ltd.，Tianjin ，China）

【Abstract】：As acommon special bad geology，karst is very easy to cause surrounding rock deformation and tunel collapse in tunnel construction，which has a serious impact on engineering safetyand later line operation safety. In this paper，anew high-speed railway tunnel in Jilin Province is taken as anexample.The geological radar is usedto detect the hidden karst in the karst tunnel section.According tothe development degree of karst， the construction and disposal technology of karst cave and karst fissure is formulated.The karst tunnel section is treated by adding protective wall，strengthening tunnel support parameters ，advanced grouting support， karst cavity backfilling，backfiling grouting and other measures.At the same time，the numerical simulation of the disposal scheme is carried outto analyze the stresscharacteristics of surrounding rock and tunnel structure.In the construction process，real-time monitoring is strengthened，and the development oflava is continuouslydetected，whichverifies theconstructiondisposal efectand effectively ensures the smooth implementation of the project.

【Key words】： karst;tunnel;high-speed railway

喀斯特洞穴將圍巖切割成不連續(xù)的地質(zhì)體，降低圍巖強(qiáng)度，在新建隧道的掘進(jìn)穿越過程及與運(yùn)營(yíng)列車動(dòng)荷載的疊加作用下造成巖層應(yīng)力場(chǎng)變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，影響列車的行車安全。我國高速鐵路建設(shè)過程中會(huì)遇到喀斯特地質(zhì)，暗挖施工時(shí)正確處理溶洞，避免造成巖體坍塌，對(duì)保證隧道結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營(yíng)安全十分重要。

本文以吉林省某新建高速鐵路隧道施工為背景，通過揭示喀斯特發(fā)育情況，對(duì)溶腔和裂隙部位采取處治措施，保證了隧道工程的順利建設(shè)。

1技術(shù)路線

先對(duì)喀斯特發(fā)育段進(jìn)行勘探，做好喀斯特發(fā)育揭示及描繪工作，根據(jù)喀斯特現(xiàn)狀及發(fā)育情況，采取措施對(duì)溶腔及裂隙進(jìn)行處理，同時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)及襯砌結(jié)構(gòu)，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。見圖1。

圖1技術(shù)路線

2喀斯特處理方案

2.1準(zhǔn)備工作

為了有效保障施工安全，并做好喀斯特發(fā)育情況繪制，在喀斯特地區(qū)隧道工程建設(shè)過程中進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是必不可少的環(huán)節(jié)和步驟2]

2.1.1地質(zhì)探測(cè)

采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道進(jìn)行隱伏喀斯特探測(cè)3，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工和掌子面情況布置測(cè)線。雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)采用濾波、點(diǎn)平均、道間均衡等方法進(jìn)行處理，以提高資料的信噪比。

2.1.2潛孔鉆探

根據(jù)掌子面的地質(zhì)情況，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圖像分析、推測(cè)圍巖地質(zhì)狀況。如探測(cè)結(jié)果顯示該里程段存在喀斯特反應(yīng)，對(duì)物探喀斯特反應(yīng)區(qū)域進(jìn)行鉆探及潛孔鉆探驗(yàn)證，在隧道周邊按照 4m 間距風(fēng)槍探測(cè)隧道周邊 5m 范圍內(nèi)的喀斯特發(fā)育情況，結(jié)合物探及風(fēng)槍探孔綜合分析后，可以得到隧道喀斯特基本特征，并對(duì)喀斯特發(fā)育分布位置及規(guī)模進(jìn)行繪制。見圖2。

圖2喀斯特發(fā)育平面

2.1.3洞頂?shù)乇硖幚?/p>

在洞頂?shù)乇淼臎_溝處增設(shè)排水溝，排水溝底部鋪設(shè)厚度為 1.5mm 的防水板，防止地表水下滲，排水溝順至下游與隧道截水天溝順接。

2.2安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

喀斯特隧道的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是保證工程順利實(shí)施并有效降低突發(fā)事故概率的主要管理方法。根據(jù)喀斯特發(fā)育情況、隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、隧道施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)情況等評(píng)估可能對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，提出控制指標(biāo)、加固措施、施工控制建議等，為施工、監(jiān)測(cè)方案的確定提供依據(jù)。

采用有限元數(shù)值計(jì)算對(duì)溶洞處理段隧道進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證溶洞處治措施的可靠性。在模型底部施加豎向位移約束，左右兩側(cè)施加水平位移約束，前后邊界施加水平位移約束，頂部施加應(yīng)力邊界條件，位移約束邊界通過限制指定范圍內(nèi)單元節(jié)點(diǎn)的速度實(shí)現(xiàn)。為盡量保證數(shù)值模擬結(jié)果的精確，隧道圍巖處網(wǎng)格設(shè)置加密區(qū)5]。

在隧道掘進(jìn)前需要考慮模型的初始地應(yīng)力，主要包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力在巖體上產(chǎn)生的初始應(yīng)力。隧道數(shù)值模型的初始應(yīng)力條件結(jié)合工程所在地區(qū)地應(yīng)力的特點(diǎn)取值，垂直應(yīng)力沿模型高度呈均勻變化。

以隧道某斷面為例，圍巖以頁巖為主、夾灰?guī)r、砂巖，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育～很發(fā)育，巖體較破碎，呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。溶腔位于開挖輪廓右側(cè)，腔口高14m、縱向長(zhǎng)度 9m 最大可視深度 18m ，腔內(nèi)無水。隧道分4個(gè)階段依次掘進(jìn)，每個(gè)階段的掘進(jìn)長(zhǎng)度為3.5m ，分別計(jì)算隧道圍巖位移峰值的變化量、拱頂和拱肩位置處的位移變形量等，判斷隧道圍巖變形量在混凝土噴層和錨桿作用下控制效果。

2.3喀斯特處治措施

回填施工前應(yīng)對(duì)溶洞內(nèi)主要孔洞、裂隙等進(jìn)行有效封堵，防止回填混凝土嚴(yán)重流失及溶洞排水通道堵塞；重點(diǎn)關(guān)注最下層回填混凝土有無下滲問題，回填施工時(shí)應(yīng)增加觀察，估算定量回填，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)停止施工，檢查原因。

在溶洞一側(cè)的初支外側(cè)增設(shè)防護(hù)墻并延伸至穩(wěn)固基巖處，防護(hù)墻和初期支護(hù)逐層施工，確保噴射混凝土密實(shí)。見圖3。

圖3防護(hù)墻鋼拱架

遠(yuǎn)離溶洞方向的防護(hù)墻根據(jù)喀斯特發(fā)育情況進(jìn)行擴(kuò)大，防護(hù)墻墻角設(shè)置在穩(wěn)定的巖體上，并在溶洞處隧道初期支護(hù)邊墻適當(dāng)位置設(shè)施工窗，施工窗為相鄰3榀（ 1.5m， 鋼架C、D單元部分，為后期溶洞處理提供條件。見表1。

表1防護(hù)墻支護(hù)參數(shù)

續(xù)表1

防護(hù)墻及隧道初期支護(hù)完成后對(duì)溶腔底部采用20cm 厚C20噴射混凝土整平，并對(duì)巖體裂隙封閉。然后對(duì)溶腔采用C20混凝土分層回填，每層高度 ρ_?1 m ，回填至隧道拱頂 5m 范圍。見圖4。

圖4溶洞回填

2.4施工控制措施

2.4.1技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果確定具體處置方案，并對(duì)溶洞處理方案進(jìn)行論證，判斷是否能夠解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問題，技術(shù)參數(shù)、加固措施等是否滿足設(shè)計(jì)單位要求，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行會(huì)審，并組織專業(yè)人員熟悉圖紙。制定詳細(xì)的技術(shù)交底及作業(yè)指導(dǎo)書，并對(duì)所有技術(shù)人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案。

2.4.2超前支護(hù)

掌子面掘進(jìn)前采用超前支護(hù)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行加固支撐。利用隧道鑿巖機(jī)在隧道拱部 140^° 的范圍內(nèi)鉆孔，外插角控制在 10^°～15^° ，插入 ?50mm 的無縫鋼管，采用注漿泵壓注水泥漿液進(jìn)行固結(jié)，用以支承隧道開挖后臨空的巖體，維持開挖面的圍巖穩(wěn)定，超前支護(hù)配合鋼架使用，從鋼架斷面腹部穿過，尾部與鋼架焊接牢固，起到加固圍巖并擴(kuò)散圍巖壓力的作用。

2.4.3開挖控制

隧道掘進(jìn)采用鉆爆法進(jìn)行三臺(tái)階開挖，并設(shè)置臨時(shí)仰拱，上臺(tái)階高度 ?5.5m ，中下臺(tái)階高度宜為 3m 左右。上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在 3～5m ，中臺(tái)階長(zhǎng)度 5～8m ，下臺(tái)階長(zhǎng)度根據(jù)安全步距進(jìn)行控制，仰拱至掌子面安全步距原則上 ?65m 。見圖5。

圖5三臺(tái)階施工工序

以機(jī)械開挖為主，輔以人工配合。爆破時(shí)控制裝藥量，以松動(dòng)爆破為主，盡量減少開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。先用挖掘機(jī)開挖大的輪廓，再采用人工用風(fēng)鎬開挖修邊成型。溶洞段開挖時(shí)要注意縮短安全步距。

2.4.4襯砌加強(qiáng)

拱墻初期支護(hù)內(nèi)側(cè)增設(shè)一層臨時(shí)加強(qiáng)肋，加強(qiáng)肋采用工 25a 型鋼，沿拱墻范圍設(shè)置，間距 1m ，采用20cm寬、 .30cm 厚C30噴射混凝土封閉。加強(qiáng)肋間不設(shè)縱向連接筋，不采用噴射混凝土填充。加強(qiáng)肋與隧道初期支護(hù)之間設(shè)一層土工布隔離層，以便于后期拆除。加強(qiáng)肋拆除在二次襯砌施工前，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況，適時(shí)逐榀拆除。上臺(tái)階施工時(shí)設(shè)置臨時(shí)豎撐，每榀鋼架增加2根 4m 長(zhǎng) ?50mm 鎖腳錨管，角度向下40^° 。上臺(tái)階臨時(shí)支撐體系完成后，對(duì)應(yīng)中臺(tái)階施工臨時(shí)仰拱，對(duì)應(yīng)雙側(cè)豎向支撐，與臨時(shí)仰拱封閉成環(huán)形成整體支撐體系。隧道拱墻二次襯砌厚度在溶腔范圍內(nèi)由 50cm 調(diào)整為 60cm ，環(huán)向主筋由 ?22mm@ 200mm 調(diào)整為 ?25mm@150mm 。

在邊墻增設(shè)碎石盲溝和中心深埋檢查井。環(huán)向盲管加密至 2m 一道，直接引人中心深埋水溝；隧道拱部每 2m 設(shè)2個(gè)泄水管，泄水管采用 ?90mm 鉆孔，環(huán)向間距 3m ，泄水孔位置與環(huán)向盲管位置對(duì)應(yīng)，泄水孔埋設(shè) 6m 長(zhǎng) ?80mm 透水盲管，與環(huán)向盲管通過三通連接。排水管路施工完成后，向隧道拱頂溶洞內(nèi)吹2m 厚粗砂緩沖層。

2.4.5基底加固

對(duì)于仰拱下部存在發(fā)育喀斯特的情況，在基底下部 9m 范圍采用 ?159mm 鋼管樁進(jìn)行加固，通過加固樁將荷載傳遞到基巖上，保證圍巖承載力。管樁頂部設(shè)置C35鋼筋混凝土墊層，墊層內(nèi)上下各設(shè)置一排?16mm 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格 20cm×20cm ，凈保護(hù)層厚度50mm 。鋼管樁采用 ?159mm 無縫鋼管，樁徑為194mm ，管壁厚 6cm ，樁間距 0.8m×0.5m （橫斷面方向 × 線路方向），按梅花形布置。見圖6。

圖6基底加固橫斷面

2.5監(jiān)控量測(cè)

2.5.1沉降監(jiān)測(cè)

為保證隧道巖溶段施工安全和隧道穩(wěn)定，避免發(fā)生圍巖變形、坍塌或失穩(wěn)破壞，需要進(jìn)行拱頂下沉、拱肩收斂和地表沉降監(jiān)測(cè)。沉降變形分為快速沉降和沉降收斂2個(gè)階段。采集不同沉降階段隧道拱頂、拱肩和地表的沉降變形量，與數(shù)值模擬的變形趨勢(shì)對(duì)比。溶洞洞身開挖施工中，每 3m 設(shè)立一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每7h量測(cè)一次，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將量測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋至相關(guān)部門，從而指導(dǎo)施工。見圖7。

圖7喀斯特隧道沉降變形

2.5.2應(yīng)力監(jiān)測(cè)

喀斯特處理段前后 10m 范圍內(nèi)每隔 5m 設(shè)一道測(cè)線，布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在溶腔位置增設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)；測(cè)點(diǎn)布置于鋼拱架拱背位置，避免二次襯砌施工對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響，應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)間為3個(gè)月。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比溶洞處理段橫斷面各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力分布情況及溶洞處理段與正常施工段落的應(yīng)力值，若應(yīng)力值變動(dòng)很小，則說明圍巖承受應(yīng)力分布均勻，無應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)，處理結(jié)果滿足要求。

2.6效果檢查

對(duì)施工完成段落實(shí)施監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)量測(cè)結(jié)果判斷圍巖變形是否在允許范圍內(nèi)。埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)圍巖進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，判斷圍巖應(yīng)力是否均勻。在溶腔處理后二次襯砌澆筑前采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道進(jìn)行隱伏喀斯特探測(cè)，探測(cè)是否存在空洞、不密實(shí)及未處理溶腔。觀察喀斯特發(fā)育段二襯外觀，檢查是否滲漏水。

3結(jié)論

1）溶腔發(fā)育地段在初期支護(hù)前增設(shè)防護(hù)墻，采用臨時(shí)支撐、加勁肋等方式增強(qiáng)初期支護(hù)，減少隧道開挖對(duì)周圍圍巖的擾動(dòng)，保證隧道暗洞開挖工程安全，保證隧道支撐體系完整，減少圍巖變形；在后期采取“溶洞回填 + 裂隙封閉”的方法將已發(fā)育的溶腔進(jìn)行回填封堵，防止回填混凝土嚴(yán)重流失及溶洞排水通道堵塞，防止溶洞內(nèi)有水流沖刷隧道巖體及復(fù)合襯砌，增加隧道安全性。

2）如溶腔發(fā)育至隧道下臺(tái)階外側(cè)，為避免對(duì)隧底圍巖有擾動(dòng)，影響運(yùn)營(yíng)安全，采取隧道基底打設(shè)鋼管樁加固的方式，加強(qiáng)基底承載力，增加隧底安全性。針對(duì)有裂隙水問題的溶洞采用“增設(shè)碎石盲溝 + 中心深埋檢查井\"的施工方法，措施針對(duì)性強(qiáng)，有效排導(dǎo)溶腔。在實(shí)際施工中可根據(jù)喀斯特探測(cè)情況及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)方案進(jìn)行選擇，使其既能保證喀斯特發(fā)育區(qū)安全，又能節(jié)約成本。

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