高速铁路隧道溶洞排水及支护综合处理技术

张 磊, 范小龙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

高速铁路隧道施工开挖揭示溶洞时，一方面围岩条件较差或隧道周边有空洞，应对溶洞进行回填、支顶、跨越、注浆加固、加强支护结构等(统称为支护)，确保围岩和衬砌结构稳定；另一方面，多个工程案例实践表明[1-2]，溶洞一般裂隙水、管道水丰富，还应对区域性暗河、隧道周边地下水、衬砌背后积水等进行有效引排(统称为排水)，防止衬砌结构承受高水压，降低对区域径流的影响。支护和排水是溶洞处理的两个关键技术问题，必须同时处理好。但因为溶洞形态各异、岩溶水径流复杂、且洞内施工空间狭小，一定程度上支护和排水难以统筹兼顾，有时甚至相互矛盾。例如，有的为保证结构稳定回填了溶洞，造成溶洞堵塞；有的对充填溶洞进行注浆加固，封堵了裂隙水，导致地下水位升高；有时遭遇暗河，采用桥梁跨越，但洞内施工极其困难，且工程造价高昂……

岩溶隧道的排水，从宏观到微观，可分为三个层次，一是隧道施工会改变地下水径流，应尽可能保留区域性暗河等自然过水通道，降低对区域自然环境、当地居民生产生活用水的影响；二是应疏排隧道周边围岩水，降低水头高度，如隧道周边围岩水没有得到有效引排，一直处于高水头状态，在暴雨季节，地下水位上升，重新疏通各类管道、裂隙等，涌入、渗入隧道衬砌背后，在衬砌薄弱环节产生渗漏水、射水等病害[1]，甚至击穿衬砌结构，影响运营安全；三是周边围岩水渗透进入初期支护，如不能及时引排，衬砌背后“充满”水后，与洞周围岩水连通，形成高水压，危及衬砌结构安全。

因此，应以高速铁路隧道所在的区域工程地质条件和水文地质条件为基础，充分考虑洞内施工条件、施工安全、工程投资等因素，从区域排水、洞周排水、衬砌排水三个层面，系统总结和探索溶洞支护及排水的综合处理技术，保障运营安全，保护环境。

1 排水及支护综合处理技术

1.1 区域排水及支护

岩溶地区修建隧道，不时揭示巨型溶洞，这类溶洞往往体积巨大，上下、左右、前后延伸几十米甚至几百米，隧道往往“上不着天、下不着地”，洞壁稳定性差，经常伴有洞壁垮塌现象，一般巨型溶洞都与暗河相通，有季节性洪水侵袭，这类溶洞施工安全风险高、难度极大、整治周期极长，往往持续三五年。此外，隧道经常遭遇区域性暗河，暗河一般具有洞径大、洞壁不稳、过水量大、对区域自然环境和群众生产生活用水影响大的特点。这些巨型溶洞和暗河，如设计施工处理不好，极容易造成暗河堵塞、溶洞垮塌、衬砌沉降开裂等，导致安全事故，留下运营安全隐患，发生社会稳定事件。针对这类工程问题，可采取两种处理方案：

1.1.1 保留自然过水通道

在暗河、溶洞等纵向长度不大，对正洞施工影响可控的情况下，应尽可能保留自然过水通道，降低对区域性径流和地表、地下水环境的影响。首选跨越结构，洞内设桥跨越暗河、溶洞，如贵广高铁油竹山隧道[3](图1)；但暗河通道、溶洞还应考虑岸坡稳定性影响，有时跨度过大，采用桥梁结构，施工难度大，可采用过水型回填结构。如采用混凝土回填，保证洞壁稳定和隧道结构安全，同时，在回填体里埋设大直径管道，保证过水通畅。贵南高铁大方山隧道经深入研究论证比选后，即采用了这一方案(图2)。

图1 贵广高铁油竹山隧道采用拱桥跨越暗河

图2 贵南高铁大方山隧道采用混凝土回填+埋设涵管方式处理暗河

1.1.2 局部改移暗河

针对一些规模特别巨大、洞内空间狭小无施工条件、施工安全风险极大的暗河或溶洞等，则回填暗河、溶洞作为施工平台和隧道支撑基础，并对暗河进行局部改移。

以朱砂堡二号隧道为例[4](图3、图4)，巨型溶洞底部纵向长约80 m，横向宽约53 m，高约58 m，隧道从溶洞顶部通过，隧底距溶洞底部高约45 m；该隧道还揭示一条暗河，隧道位于暗河顶板以上0～20 m，暗河底板位于隧底60～110 m深，纵向长约20～35 m，暗河水流量约233×104m3/d。经多方案比选论证，最终通过施工导洞、施工支洞采用C20混凝土对巨型溶洞和暗河回填至隧底，作为施工和隧道结构支撑的平台，并增设泄水洞，对暗河进行局部改移，保证了隧道结构和区域性径流的稳定，降低了环境影响。该方案的成功实施，开创了该类溶洞和暗河整治的新思路，后续陆续揭示的南昆客专营盘山隧道巨型溶洞、成贵高铁玉京山隧道巨型溶洞等，都延续了这一基本思路。

图3 沪昆高铁朱砂堡二号隧道局部改移暗河平面布置

图4 沪昆高铁朱砂堡二号隧道巨型溶洞回填断面

1.2 洞周排水及支护

隧道开挖后，如揭示或探测发现溶洞，则应充分引排隧道周边的裂隙水、管道水、溶腔水、溶洞水等，降低洞周的地下水位。洞周排水有两种形式，一是引排到正洞之外的排水通道，如平导或泄水洞，有条件时应尽量采用这种方式，没有条件的，则采用第二种方式，即埋管或打孔引入正洞。

第一种方式，应设过水通道，直接将管道、溶腔等接入泄水洞，特殊情况下则直接设泄水洞引出洞外，实现正洞排水降压。存在空溶洞的，则应设混凝土护墙或护拱，保证结构安全(图5)。

图5 溶洞增设排水通道及护墙断面

第二种方式，则比较复杂，需对各类溶洞进行针对性设计(图6)。

针对岩溶管道：一般开槽埋设较大直径如φ500 mm以上的排水管，将管道直接引入正洞水沟；如排水不畅，则可能影响衬砌结构安全，但如果管道水量大、水压高、泥沙含量高的，则运营期间可能频繁涌水涌砂，淤堵水沟，淹没道床[5]。这时候，往往要在岩溶管道处扩挖设置沉淀池等，对管道水进行缓冲消能和泥沙沉淀，运营期间定期维护清理。

图6 大型岩溶管道水处设置沉淀池缓冲效能和泥沙沉淀

针对拱墙空溶洞：没有明显的岩溶管道的，一般应在拱顶设置护拱，边墙上设置护墙，防止衬砌背后大面积脱空或上方落石冲击或溶洞垮塌破坏衬砌，并埋设若干排水管直接引入中心水沟或引入衬砌背后纵环向盲管；如果空洞较小的，则可采用透水的砂卵石、干砌片石等充填空洞，既保证了结构的稳定性、也保证了围岩的透水性；如考虑施工方便、快速、安全，则可采用混凝土回填密实，再打设集水钻孔，同样防止了衬砌周边空洞，同时保证了洞周排水通畅(图7)。

图7 混凝土回填溶洞后设集水钻孔引排岩溶水

针对拱墙充填溶洞：位于拱墙的，应采取超前注浆或径向注浆加固措施，改善围岩物理力学性能，提高围岩弹性抗力，保证结构安全，但注浆的同时，也往往封堵了地下水，留下了安全隐患。因此，可在注浆加固范围内，增设一定间距、一定长度的集水钻孔，或者拱部注浆堵水、边墙钻孔排水，做到“有堵有排、堵排结合”。

一般可岩溶地层：鉴于岩溶水发育的不确定性，岩溶隧道两侧边墙均应设泄水孔[6](图8)，纵向间距2～4 m不等，且一般应入岩不小于50 cm。实践证明，边墙泄水孔是降低水头、充分排水的一项关键措施。

图8 边墙泄水孔设计

1.3 衬砌排水及支护

衬砌结构是隧道开挖后控制围岩变形、支撑围岩的一种支护措施，在保证围岩稳定、结构稳定的同时，还应充分引排周边围岩渗透到衬砌背后的地下水，否则，衬砌可能承受高水压。

复合式衬砌由初期支护和二次衬砌构成，两者之间设置了一层防水板，防水板背后设置了纵向、环向排水盲管等排水措施，以充分引排渗透到初期支护和二次衬砌之间的地下水，做到“防排结合”。无集中管道、大面积裂隙水发育地段，要加密、加粗盲管，或增加凸壳型排水板，施工缝还可采用排水型止水带，施工缝渗漏水直接通过止水带排到洞内水沟。复合式衬砌是目前最常用的衬砌结构体系，适用于对绝大多数地段，但由于初期支护和二次衬砌是密贴的，混凝土浇筑过程中，纵环向盲管容易挤压变形，运营中常有结晶和泥沙淤堵，排水能力有限，有特殊排水要求的则不一定适用。

离壁式衬砌多用于基岩完整稳定地段，基岩和衬砌之间分离设置，中间的空间即可作为排水通道(图9)。如果围岩较差，可设置锚喷衬砌对围岩进行支护，确保围岩稳定，二次衬砌与初期支护之间分离设置作为排水通道。对于离壁式衬砌，在铁路隧道中，从工程投资、施工方便等角度，难以大范围实施，但对于拱顶密集分布多个岩溶管道和出水点，难以逐点引排的，可参照离壁式衬砌的理念，对隧道纵向5～8 m范围内向外扩挖2～3 m，进一步揭示岩溶管道，设初期支护保证围岩稳定，让岩溶水顺畅排出，设护拱和衬砌作为结构安全储备和防水结构，两者之间留出高度1 m左右的排水通道，引排至附近的泄水洞。贵南高铁德惠隧道拱顶岩溶管道即按此方案设计施工，取得了良好的效果。

图9 离壁式衬砌排水示意

隧道开挖揭示溶洞地段，一般围岩条件较差，地下水丰富，要加强排水，也要加强结构支护，但无论是喷射混凝土还是浇筑模筑混凝土，都可能封堵裂隙和管道，造成排水不畅，留下安全隐患。尤其是泄水洞，设置的主要目的就是为正洞排水降压，但揭示溶洞地段，为保证结构安全，增设了二次衬砌，可能堵住了地下水。在常规的打孔引排不能满足排水要求时，可采用“花衬”来解决这一难题。有的设置在拱部，有的设置在边墙，或者纵向间隔设置衬砌等，既能解决结构稳定问题，又能解决排水问题。

2 结论

(1)巨型溶腔、暗河等，可采用洞渣、混凝土回填的方式创造施工平台，降低施工风险和难度，可在回填体中埋设过水管道，也可以局部改移暗河，保证暗河排水畅通，尽量减少对区域径流的影响，保护环境。

(2)应结合具体情况选用排水通道、埋管、集水钻孔、沉淀池、边墙泄水孔等方式充分引排岩溶水，降低洞周水位，并采用支顶、回填、护墙(拱)、注浆等措施支护溶洞。

(3)特殊条件下，可采用离壁式衬砌、间隔设置二次衬砌等，保证排水畅通和结构安全。