观音山一级风险隧道掘进遇大型岩溶综合整治技术研究

曾庆雨

摘要：进行成贵铁路观音山隧道工时，隧道多处穿越岩溶发育地带，出现多种复杂的岩溶地质灾害，本项目对不同情况下岩溶地质灾害的治理技术及手段进行了深入的探索和研究，对隧道底部溶腔填充物创造性地采用了路基复合地基处理的加固技术。以上综合治理措施取得了良好的效果，为隧道岩溶治理提供借鉴和开创新的思路。

Abstract： During the construction of the Guanyinshan Tunnel in Chenggui Railway， the tunnel passes through the karst development zone and there are many complicated karst geological disasters. The project has carried out in-depth exploration and research on the techniques and means of karst geological disasters under different conditions. The reinforcement technology of the roadbed composite foundation treatment is creatively applied to the cavity filling at the bottom of the tunnel. The above comprehensive treatment measures have achieved good results， providing reference and innovative ideas for tunnel karst management.

關键词：铁路隧道;岩溶隧道;岩溶水治理;溶腔治理;新技术

Key words： railway tunnel;karst tunnel;karst water treatment;cavity treatment;new technology

中图分类号：[U25]                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0121-04

0  引言

山区隧道施工时岩溶地质灾害极为常见，尤其在西南地区的铁路隧道建设过程中，超半数隧道均或多或少穿越岩溶发育地带。岩溶发育情况复杂多变，部分岩溶空腔深浚或是填充物松软;部分顶板高悬不稳，随时有可能掉块冲砸隧道;部分岩溶非常发育且构造复杂，岩溶、岩槽、暗河上下迂回，错综重叠;部分岩溶形成巨大空洞。隧道穿越岩溶发育地带时往往结构处理复杂，工程艰巨，施工难度大。且在施工时常遇突水、突泥的袭击和堵塞坑道，严重危及施工人员及机械设备安全;如果岩溶灾害处治不彻底，会在运营时造成隧道掉拱、渗漏水以及隧底翻浆、冒泥等病害，对隧道安全运营造成严重影响。

1  工程简介

新建成都至贵阳铁路观音山隧道起止里程为D3K408+879～D3K413+175，全长4296m。在隧道左侧30m设平导一座（2833m），起止里程为PDK410+350～PDK413+183。

观音山隧道位于贵州省大方县，隧道所经地层以三叠系灰岩、泥岩，二叠系燧石灰岩、硅质岩夹页岩、页岩夹煤层以及白云岩为主，隧道位于岩溶水水平循环带以内，不良地质主要为岩溶、断层破碎带及危岩落石。预测隧道平常涌水量为16801.8m3/d，雨期最大涌水量为38603.6m3/d。全隧围岩级别主要为Ⅳ、Ⅴ级。

隧道初始风险等级评定为“一级风险隧道”。

2  隧道穿超岩溶地带的处理措施

隧道所经处地质条件差，岩溶发育复杂多变，观音山隧道多次遇到不同的岩溶危害。根据不同岩溶的结构发育及岩溶水发育特征、对隧道结构的影响程度及施工技术条件等，采取了基底加固、洞顶支撑、跨越、清除换填填充物、疏通、引排岩溶水等综合治理技术措施。在完工及运营后进行了长期监测，岩溶治理段隧道没有出现病害情况，表明所采取的措施科学有效。下文对本项目有代表的岩溶灾害的处理技术措施进行详细阐述，同时对岩溶治理的方法和思路进行探讨，以期能够给其他项目的隧道岩溶地质灾害处理带来借鉴作用和新的治理思路。

岩溶治理主要分为岩溶水治理、隧道穿越溶腔方案及填充型溶腔基底加固等三个方面。

2.1 岩溶水的处理

以往施工实践表明，常因岩溶水处理措施不当，岩溶水排泄通道不畅，在运营后出现隧道渗漏水，甚至喷射水，严重影响隧道的正常安全使用。故在岩溶整治时，岩溶水的发育特征往往决定了岩溶治理技术及措施的选用，岩溶水的整治需作为处理方案考虑的关键及重点。

①隧道揭穿岩溶水通行管道后，破坏了原有水力平衡，径流条件发生变化，原有部分堵塞的岩溶排泄管道也被逐渐疏通，涌水量不断增加，需经过一段时间后方可达到重新平衡，即岩溶水的重新平衡具有时间上的“滞后效应”。岩溶治理时，如果不考虑岩溶水“滞后效应”，往往会形成工程隐患。考虑到岩溶水的滞后特性，遇到岩溶问题时，不能盲目进行衬砌封闭处理，而应对该岩溶所处的地质、水文环境进行详细调查、分析，尤其要注意加强岩溶发育地段的区域地质调查、水文地质条件分析，并结合雨季观测情况，对岩溶最大涌水量进行推测、判断，从而进行合理的整治处理。

尤其是暴雨季节，加强对涌水量的观测、设置临时排水系统等。

②岩溶水处理采取“疏导”的基本原则，保持或是恢复其既有排泄通道。当隧道的修建切断了岩溶水的疏通管道时，可根据岩溶管道与隧道空间上的相对位置，修建下穿隧道或上跨隧道的排水通道连接原有排泄通道，使岩溶水能够顺利排出，并结合溶腔及岩溶水的发育情况，修建便于后期维护及清淤的设置。

如隧道D3K408+985～+992段发育一处横穿隧道的溶腔，溶腔呈左高右低，并在线路范围发育至隧道顶部，雨季时岩溶水由隧道左侧向右侧径流，根据雨季观测最大涌水量约为306m3/h;根据岩溶发育的形态，且勘测到岩溶水基本不携带泥沙，综合评估后，采取预留D3K408+986～+992段岩溶水从隧道左侧通过该段拱顶流向隧道右侧的通道，如图1所示。

注意核实岩溶水量及充填情况，当岩溶水携带较多泥沙，则易沉淀淤积，则不宜采用上跨隧道设置排泄通道的方法。采取上跨方式设置岩溶水排泄通道的治理方法时，应加强衬砌结构的防水及抗水压能力。

③对无明显岩溶水排泄通道或岩溶水水量较大，原有天然通道不能及时疏排时，需修建排水通道引排岩溶水。通常应用的排水方式有盲沟、泄水孔、水沟改造、集水槽、泄水洞、涵洞、竖井、倒虹吸等设施。该隧道出口段左侧30m设有平导，平导可利用为施工、运营期间的排水通道，为更好的汇集、截排岩溶水，防止岩溶水危及隧道结构安全，可以通过设置集水槽、廊道及集水钻孔等集水措施汇集岩溶水后排向平导。

如隧道D3K412+351～+359段就采用了涵洞、集水通道、集水钻孔等综合手段处理岩溶水。隧道D3K412+355右侧（远离平导一侧）边墙中部有一集中出水点，经雨季观测最大出水量11380m3/d，僅对隧道侧沟改造无法满足排泄要求，故利用增设的涵洞及排水横通道将岩溶水排至平导，并对平导进行顺坡改造;同时为确保该岩溶水及时有效的截排，沿隧道左侧设置集水通道，在集水通道岩石侧壁及顶部钻设？准89汇水孔。该处岩溶水引排系统如图2所示。

2.2 隧道穿越岩溶腔穴的处理方案

观音山隧道岩溶腔穴形态各异，发育规模大小不一，处理岩溶腔穴时，重点要落实溶腔的发育形态以及溶腔与隧道的相对位置关系，然后才能有的放矢，采取有针对性的处理措施。

2.2.1 隧顶以上溶腔的处理

对发育至隧道洞顶以上的溶腔，一般采取衬砌背后回填的措施，但揭示的溶腔有的顶板高悬，有的溶腔横向跨度大、稳定性差，如果仍采用常规回填密实的措施，不仅回填量大，技术经济不合理;且回填体重量过大，导致衬砌结构承受的荷载增大，存在安全隐患。因此在制定隧顶以上溶腔处理方案时，根据溶腔发育的高度、跨度以及洞壁稳定情况，采取回填、支顶、设置缓冲层以及岩壁防护等综合处理措施，并对隧道衬砌结构进行相应的加强。

当溶腔沿隧道横道空腔较长，即溶腔横向跨度较大时，通常结合溶腔发育情况设置支撑缩小溶腔的跨度;当溶腔顶板结构稳定时，可考虑采取明洞支顶结构。观音山隧道D3K410+125处穿越溶腔，溶腔底部为粘性土、碎块石土填充。岩层产状平缓，溶腔顶板面顺岩层面发育，溶腔横向跨径达18m，在揭示溶腔时洞顶曾发生坍塌现象。根据岩溶发育情况，在隧道右侧设置7.5#浆砌片石支撑墙作为顶板防护（如图3所示），降低溶腔跨度，提高溶腔安全稳定性，支撑墙基底处理与隧道底基底处理方法相同。

2.2.2 隧底溶腔的处理

当隧道洞身以下发育有溶腔时，为确保隧道的运营安全，需要根据溶腔发育的不同形态及溶腔与隧道的相对位置关系采取治理措施。隧道洞身以下溶腔对隧道洞身结构稳定及衬砌承载的影响较大。通常隧道溶腔发育复杂多变，可采用跨越、回填、支顶等多种处理措施。

①采取跨越方案。

隧道跨越底部溶腔常采用梁跨、拱跨、框架跨等几结构形式。

1）梁跨结构适用于岩溶水发育、不宜进行回填的溶腔、难成孔或是易卡钻的填充型溶腔，通常分简支梁、连续梁两种形式。

隧道DK412+329处发育溶腔，溶腔走向与线路走向大致垂直，并向两侧延伸。主溶腔沿线路方向宽约19m，最大洞高约15m，横向宽约50m，溶腔顶板略高于隧道拱顶，溶腔洞壁及洞顶岩层节理较发育，岩体较完整，岩层产状平缓。经对隧底补勘，溶腔底堆积碎石土厚约17m，并夹有软塑粘土透镜体，其上为6～8m厚的隧道弃碴，主溶腔向线路右侧延伸约20m处有一落水洞，有小股状水流流入，根据地质评判，洞内地下水极可能顺基岩面流动，宜采用跨越措施。对该溶腔顶板处理时，考虑到该溶腔的顶板为完整基岩，稳定性较好，如采取两侧单独支顶的措施，则有支顶浆砌圬工量大、支墩基础不稳定的问题，故采用双耳墙明洞支顶结构，并对线路两侧15m范围内的溶腔顶板施做锚网喷防护。溶腔处理断面如图4所示。线路行车部分设置设1-32m梁，两侧边墙设置三跨桩基托梁。

2）结合溶腔的发育特点，在其他铁路隧道施工时，还创造性的采用了拱跨结构跨越溶腔，拱跨结构的特征：上部纵梁通过立柱与下部拱形支撑连接，形成刚性结构。其主要适用于溶蚀下切较深，两侧岩体有稳定基础，其跨度施做简支梁困难、施做桩基托梁工程技术不经济的空溶腔。

②回填、支顶措施。

当岩溶水不发良，且底部填充物数量不大、深度浅的溶腔，可采用浆砌片石、干砌片石和混凝土等进行换填、支顶处治。

隧道底回填：观音山隧道D3K410+803处为一半充填溶腔，隧底左半侧为溶腔充填粘土夹块石，右半侧发育不规则，填充物较为松散，隧底下厚度为1.6m～3.8m为防止不均匀沉降，清除隧底填充物，采用浆砌片石回填处理。

支顶措施：隧道D3K411+208处隧道洞身以下发育一处溶腔，溶腔斜穿线路，溶腔顶与隧道底之间的顶板厚为0～7m，溶腔宽5～16m，高5～12m，底部堆积有少量块碎石及粘土和积水，洞壁基岩完整。因顶板厚度与宽度的比例没能超过1，所以该溶腔顶板存在安全厚度不足的问题。施工采取了设置支撑柱降低溶腔跨度，并对顶板辅以喷锚网防护，支撑柱长7～24m，截面1.5m×1.5m及2.0m×2.0m两种，柱中心纵横间距不大于5m，柱与洞壁间净距不小于3m，支撑柱基础嵌入完整基岩。具体见图5所示。

2.3 复合地基加固技术在隧底充填型溶腔中的应用

复合地基是指由两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）形成承受上部荷载的整体地基，其基本原理是通过改良地基土，利用群桩效应来增强地基的承载能力。复合地基以前在软土地基中大量应用，但很少在隧道岩溶治理时应用，观音山隧道在穿越软土充填且岩溶水不发育的溶腔时，大量运用复合地基进行基底加固处理，取得了较好的工程效果。

复合地基主要适用于岩溶水不发育、填充物不易流失的填充型溶腔，隧道内复合地基与常规复合地基相比，主要的特点是隧道内的施工操作空间受限制，因此在隧道穿越采用复合地基加固处理的填充溶腔时，施工隧道洞身时一般预留一定的沉降变形值。溶腔填筑物复合地基加固通常采用钢管桩、旋喷桩、楔形桩等。

观音山隧道D3K410+125处发育溶腔，溶腔底充填大量粘性土、碎块石土，经钻孔揭示，隧底溶腔充填物最大厚度为26.3m。钻孔揭示隧底溶腔充填物有水，分析为施工用水流入所致。地下水不发育，充填物不易流失，故采用复合地基处理，采用深10m？准500旋喷桩加固（如图3所示）。

隧道D3K413+106处发育填充型溶腔，该溶腔全填充圆砾土，砾径3～5mm，地下水不发育，深度超28m，采用？准75钢管桩注浆加固。

采用复合地基理技术加固溶腔内填充物既利用了天然地基承载力，且能减少开挖换填的工程量，降低造价，得了良好的技术及经济效果，得到了业主及设计单位的高度评价。

3  结束语

由于岩溶发良的情况复杂，其形态也是复杂多变的，且具有不可预知的特性，现有的地质勘察技术及手段难以完全探明，故在进行岩溶治理时，在详细探明岩溶水及溶腔發育情况的基础上，本着敬畏自然，综合治理的原则，考虑的“滞后效应”，岩溶水以“疏导”为主要治理手段。

复合地基技术在铁路、公路路基及场坪性软基处理加固中应用非常普遍，效果显著，但用于加固处理隧道内溶腔填充物的案例非常少。观音山隧道结合岩溶发育特征及施工条件，优选一些先进的复合地基处理技术，并适当优化调整后运用于隧道岩溶填充物加固处理中，具有极大的应用推广价值。

参考文献：

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