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运营高铁隧道上方大型溶洞整治方案研究

范文

周保安　樊永杰　马相峰　王立川　刘子琦

摘要：为解决运营高铁隧道上方大型季节性溶洞涌水病害，以开通运营的渝黔铁路某隧道为例，在综合考虑预算、工期和可行性的基础上，否定原泄水洞方案后提出了“护拱+填堵+引排”相结合的优化方案，并对检视了建设期的设计施工，提出了隧道水害治理理念。得到研究成果：施工对溶洞充填物的扰动及非胶结回填使其变为充水或过水溶洞，强降雨时径流水混合泥砂进入隧道形成水害;泄水洞整治方案实属大材小用且必要性不充分，提出的“护拱+填堵+引排”优化方案在工期、预算、可行性等方面，均可达到较好效果，更符合工程实际;需在建设期做足够调查、专业分析并采取落地的针对性措施，才能减少或避免隧道上方大型溶洞带来运营期的安全隐患。

Abstract： n order to solve the large seasonal karst cave water gushing disease above the high-speed railway tunnel， taking the operation of a tunnel of Yu-Qian Railway as an example， based on the comprehensive consideration of budget， time limit and feasibility， the optimal scheme of "protecting arch filling and plugging and drainage" is put forward， and the design and construction of the construction period is reviewed. The research results are as follows： the disturbance of the construction to the filling of the cave and the non-cemented backfill make it become a water-filled or water-soluble hole， and when the rainfall is heavy， the mixed mud sand of the runoff water enters the tunnel to form the water damage. The improvement scheme of the spillway tunnel is actually overqualified and not necessary. In order to reduce or avoid the safety hidden danger caused by the large cave above the tunnel， the optimal project can achieve better results in terms of time limit， budget， feasibility and so on， which are more in line with the engineering practice. It is necessary to do sufficient investigation， professional analysis and take targeted measures during the construction period in order to reduce or avoid the potential safety hazards caused by the large karst cave above the tunnel during the operation period.

关键词：运营高铁;隧道上方;大型溶洞;涌水病害;优化方案

Key words： operation of high-speed rail;above tunnel;large cavern;water gushing disease;optimization scheme

中图分类号：U455.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）12-0123-03

1? 绪论

溶洞是可溶性岩石在化学溶蚀和沉淀作用下形成的地下空洞，西南地区分布尤为广泛，作为隧道工程常见不良地质之一，增加设计、施工难度的同时，若处置不当，极有可能为后期运营埋下巨大安全隐患[1-5]，众多学者和技术人员对隧道中的溶洞处理进行了大量研究[6-10]。

本文以开通运营的渝黔铁路某隧道上方大型季节性涌水溶洞为对象，通过现场勘验、设计施工资料调研、溶洞与地表贯通性测试、病害发展梳理等过程，对病害成因和泄水洞方案进行了分析和探讨，以“护拱+填堵+引排”的优化方案对溶洞涌水病害进行整治，并提出了隧道水害的整治理念，以期为类似隧道病害防治提供借鉴参考。

2? 工程概况

2.1 施工揭示及设计处理

渝黔铁路某隧道全长3491m（进口里程DK102+590，出口里程DK106+081），人字坡設计，隧道最大埋深约402m，有砟道床，隧道洞身DK105+710～+820段穿越灰岩、白云岩可溶性岩层，右侧为地下水主要来水侧，埋深30～58m。2014年2月26日，在DK105+790处揭示填充型溶洞，溶洞壁岩体溶蚀破碎厚度0.1～1m不等，填充物有粉质黏土、破碎石及角砾，见图1。

2014年6月3日7时～6日13时DK105+785右侧溶洞出现较大涌水，涌水前期水质较浑浊，据抽水量测算平均涌水量7335m3/d，推测最大涌水量23250m3/d。设计方案为凿除周围松散岩土并喷砼加固，空腔处设置1.5m厚护拱，底部回填M10浆砌片石，上部夯填土石;+770处右侧设置集水洞室，并通过4个50×50cm涵洞引排水至中心水沟，见图2。

2.2 隧道现状及前期处置

2019年6月22日强降雨后，该隧道DK105+710～+820段施工缝多出渗漏水，其中右线DK105+725和左线DK105+790两处位于接触网上方，影响行车安全，增设两处接水板。洞内采取措施如下（见图3）：

①疏通既有泄水孔，于边墙底部及集水洞室内增设Φ 100泄水孔（实际表明，泄水孔较快被堵塞）;

②边墙渗漏水较严重的施工缝进行凿槽引排。

洞外地表DK105+770线路左侧103m发现发育溶洞，洞口直径约5m，为避免暴雨后大量地表水汇集径流入落水洞，对落水洞洞口采用砼进行封堵;于地表设置排水沟，引排落水洞上游地表水汇集。

3? 方案研究

3.1 病害原因分析

为对溶洞进一步进行探查和处置，2019年11月于DK105+780线路右侧16m处设置深约36m的竖井进入溶洞内部，经重新探测，洞厅长×宽约35.6m×26.8m，洞顶总体平顺，最高处约10m，且线路左右两侧溶洞各有一较大出水口，分别长41.9m和13.1m，在地表其他明显裸露洞口点火放烟后，竖井有大量烟冒出，说明溶洞与地表相通，雨水可以通过地表岩溶管道进入溶洞，见图4。

溶洞内沙土大量堆积且底部有积水，洞顶存在钟乳石，表明溶洞天然状态下非完全充填，洞周泥沙痕迹表明其接近于全充填，接近于全充填状态下，外来水较小，不足以形成径流场。而施工扰动及水流大面积冲刷，使充填溶洞成为充水或过水溶洞，泥沙大量被径流水带入隧道，形成了雨季时的水害。

3.2 整治设计及不足

设计单位提出两个泄水洞方案（图5）。

方案一：左侧泄水洞方案，设于线路左侧与正洞交于DK105+775处，长约100m，坡度2.5%，出口接长约455m的沟槽后与下游泄水洞（长375m）或涵洞相接，引排至自然水沟;

方案二：右侧泄水洞方案，设于线路右侧50m、长578m、坡度1%，并于XSDK0+ 055处设一支洞与正洞揭示溶腔相联通，泄水洞出口接约170m排水沟，并于既有公路右侧设置一盖板涵（约300m）引排水至自然沟槽。

两个方案泄水洞内净空均设计为4.5m×5.0m，洞口浅埋及交叉口（构筑物）段采用非爆破开挖，其余段落控爆开挖，加强超前地质预报与超前支护措施;对溶洞内淤泥进行清除，并采用砼回填至拱顶50cm。

泄水洞方案可能彻底整治溶洞涌水，但是存在以下问题：①投资过大：左侧“100m泄水洞+455m沟槽”，右侧“578m泄水洞+170m排水沟+300m盖板涵”，数百米的非爆和控爆开挖，工程费用极高，达千万元。②工期过长：较长泄水洞，基本无法保证明年雨季之前完成施工，明年雨季可能会遭遇同等甚至更严重涌水病害，影响运营。③可行性不高：左侧泄水洞虽然较右侧泄水洞短，但是泄水洞出口位置需下穿既有国道，限于场地问题，交通导改极为困难。

3.3 方案优化调整

经过分析，设计单位提出的泄水洞方案，虽然有彻底解决溶腔涌水的可能性，但是在投资、工期、可行性等方面均不理想，同时根据监测水量，泄水洞实属“大材小用”，没必要盲目施作。因此，对泄水洞方案持否定态度，针对溶洞现状和周边环境，提出“护拱+填堵+引排”相结合的整改方案：①现场勘验发现，施工过程中护拱施作不到位，因此首先将淤积泥沙清理至基岩，在支护外侧2m范围内施作护拱，护拱与基岩密贴，并在护拱基础附近实施裂隙注浆封堵至仰拱以下1.5m以上，以减小渗漏水。②将与溶腔四周连通的岩溶管道出水口进行封堵，尤其是左右两侧较大出水口，可实施分段高压注浆封堵，地表岩溶管道同样进行封堵，以截断水流来源。③护拱之外先实施非透水性材料分层回填并夯实至压实度不低于80%，原隧道结构2m以上采用轻质砼等胶结材料将溶洞全部充填密实，尽量恢复其原生态，防水的同时减小护拱承重。④护拱砼内预留竖向排水管并引至溶洞顶板，管口采取过滤泥沙措施防止管道堵塞，排水管底部与洞内连通，隧道水沟盖板外侧根据填堵后可进入溶腔的预估水量进行开孔引排，允许部分水回流。

优化方案大大减小了工程预算、缩短了工期，且无需顾及运营天窗，隧道侧壁凿孔在夜间正常天窗时间即可完成，同时洞内泥沙可进行一定程度利用，泥沙拌生石灰结合马赛球等材料，形成轻质砼且其胶结膨胀有利于封水。

4? 检视与探讨

自2019年6月病害发生至今，从临时处置、竖井钻探、方案初拟到调整确定，历时6个月，最终确定采用优化方案。自施工揭示到方案设计，其存在的问题及反思如下：①溶洞揭示后，采用常规非胶结回填的设计和施工对策，水流致使泥沙进入隧道，原天然状态接近全充填的溶洞变为充水或过水溶洞，泥沙下漏，增加了水力场的影响。②泄水洞方案可能彻底整治，但必要性不充分，其预算、工期、可行性均不理想，故予以否决并提出新的整改方案。③最终方案确定为“护拱+填堵+引排”相结合，施加护拱增加隧道结构安全性，对溶洞和岩溶管道进行填堵减少水流来源和溶洞蓄水量，允许少量进入溶洞的水顺管道流入隧道排水沟，此方案解决了工期和工程量，具有较强可行性。④隧道水害治理的原则，应是先强堵、后畅排，阻止渗流场变成径流场。本工程设计施工的不当处置，使原生状态的渗流场变成了径流场，为后期运营阶段埋下安全隐患。

5? 结论与建议

①施工对溶洞充填物的扰动及非胶结回填，使得充填型溶洞变为充水或过水溶洞，改变强降雨时的水流状态，径流水混合泥砂进入隧道形成水害。

②泄水洞整治方案实属大材小用且必要性不充分，提出的“护拱+填堵+引排”优化方案在工期、预算、可行性等方面，均可达到较好效果，更符合工程实际。

③对于隧道上方存在大型溶洞时，需在建设期做好足够调查、专业分析并采取落地的针对性措施，才能减少或避免带来运营期的安全隐患。

参考文献：

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[4]黄鑫.隧道突水突泥致灾系统与充填溶洞间歇型突水突泥灾变机理[D].山东大学，2019.

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