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摘要：近年来，我国高速铁路已经成为中国的一张名片，建设进入全面发展阶段，在里程、速度等方面不断刷新世界纪录。随着《中长期铁路网规划》出台，勾画了新时期“八纵八横”高速铁路网，也开启了新的一轮铁路建设浪潮，八横中的沿江通道、沪昆通道、厦渝通道、广昆通道连接了华中、西南、黔中、滇中、成渝等城市群。这些路线穿越我国喀斯特地质主要分布区域，地下洞穴支流众多，多以蚀性拱形洞穴为主。在该区域遇到的大型溶洞处理对设计、施工及安全控制有较高要求，如果处理不当，不但会造成经济损失、工期延误，运营过程中也极易留下质量隐患发生安全事故。本文重点分享作者在铁路隧道建设的工作中遇到巨型溶洞后，建设各方是如何比选处理方案及该溶洞的施工过程、安全控制方案措施，为以后的再次遇到类似的情况提供一些实践经验。
关键词：铁路隧道建设 溶洞处理 安全控制
前言
云南喀斯特地貌地区，铁路隧道穿越岩溶发育地段，常遇到大小不一的溶洞，该地段围岩的自稳力差。溶洞内施工过程顶部极易出现掉块或坍塌，给施工及运营带来巨大的安全风险同时，对造价、工期也产生较大的影响。目前，铁路隧道穿越大型溶洞时的施工方案、技术及安全防护技术目前还没有成熟性成型经验可以借鉴，该溶洞的处理采用设置有空心的大体积混凝土回填方案，并利用提升棚架防护使施工人员得到安全保障。
一、工程简介与溶洞基本情况
该铁路隧道全长3481m，设计时速250km/h客货共线双线隧道，洞内铺设无碴道床。隧道进口里程 DK394+665，出口里程 DK398+146，进口三线对接车站，出口紧邻双线大桥，最大埋深280m。地质构造剥蚀、溶蚀地貌，灰岩夹泥岩、页岩，岩溶强烈发育，岩层产状紊乱。线路左侧发育有3个直径达200～400m，垂深60～100m大型溶蚀洼地。右侧200m发育一暗河。
出口施工过程1514m后，于DK396+632上台阶掌子面揭示一大型溶洞，通过钻孔和开挖的垂直通道进入溶洞进行了勘测。查明该溶洞位于DK396+430左侧28米至DK396+700右侧6米之间，长度270米，宽度10～38米不等，溶洞呈“梨”状，向上收窄变小，高约10～86米。最大高差为115米，隧道从溶洞中上部穿过，溶洞顶最高处超过拱顶以上35米，轨面以下深度76米，与线路影响范围170m。洞壁及洞顶坍塌块石土层呈棕黄色、潮湿、松散形态，最大块径长约20m。溶洞底块石之间空隙较大堆积厚，局部充填黏土，下部22m处还隐伏不规则空溶洞。
隧道与溶洞纵断面关系示意图
二、溶洞处理方案的选择与施工过程
1、施工方案的比选
因该溶洞壁稳定性差，溶洞发育轴线与隧道夹角小，影响范围长，无法绕避。溶洞顶底板与隧道底部的高差大，溶洞底块石土堆积厚，下部还隐伏空溶洞。所以，处理措施难度大、施工期间安全防护困难。据此提出了以下几种方案：
（1）方案一：隧道框架基础跨越溶洞
该方案计划衬砌结构下方设置一道3.5m厚纵向板梁，其下为框架基础，由桩柱、顶梁、间纵、横联组成。桩柱需穿过溶洞下方块石土层及下层空溶洞，并嵌入基岩，其露空段设置一道纵、横联系梁。尽管该方案减少了回填数量，但框架基础在空溶洞中露空60～70米，其桩抗落石击撞的能力差，洞壁落石威胁大。一旦失稳，将影响隧道结构的安全。同时，框架基础的施工难度大、工序多，桩埋入段需要大型钻机施工，施工空间条件限制。作业时间长、作业人员相对较多且集中，施工安全防护极为困难，施工安全隐患大。
（2）方案二：隧道内设置桥梁跨越溶洞
该方案拟设置2×35m的T构桥，桥梁全长82m。桥梁两侧桥台均位于空溶洞中，采用回填混凝土后设置桥台，为控制沉降变形，需对溶洞底块石土进行加固处理护。桥墩高17m，采用桩基础，桩长36m。选择对施工空间要求相对较小，运吊方便的轻型挂篮悬臂灌注法施工。但该方案桥台的沉降控制困难，极易给运营留下安全隐患。此外，该段隧道一侧岩石、一侧悬空，出口方向一段25m的顶板需要先揭开，为满足桥梁墩台、梁的布设及施工需要，需对溶洞进行较大的爆破开挖，不稳定的溶洞壁容易形成新的更严重的危石，造成安全防护异常困难。
（3）方案三：隧道基础范围溶洞采用混凝土回填
该方案是对溶洞范围内隧道下部的空洞或隧道位于溶洞上方但溶洞顶板基岩厚度小于5m时空溶洞进行砼回填，同时维护溶洞壁，避免溶洞壁继续溶蚀坍塌危及运营安全。完成隧道衬砌后，对拱顶处于空溶洞地段采取回填保护层及缓冲层等措施，以确保结构安全。该方案有利隧道洞顶、洞壁防护措施的处理和施做。相对施工难度、工艺复杂程度、工期和安全更有保证。但混凝土的回填高度、宽度大，工作环境条件差，所以回填厚度超过8m时，采用分层、分段进行回填，并在大体积混凝土中设置空心柱降低混凝土水化热，严格观测基底沉降。对于隧道结构位于溶洞范围外且溶洞侧壁距离隧道开挖轮廓距离在10m以内时，对靠线路侧溶洞壁的局部倒悬地段采用混凝土支顶和土石回填，溶洞壁喷锚防护，因范围仅涉及40m，本文不做赘述。
最终经过建设、设计、施工、监理等业内专家多次讨论选择了方案三并付诸实施。
2、主要施工过程
该溶洞的整体方案分以下几个步骤：辅助坑道施工-溶洞大厅顶、侧部防护- 隧道影响段底板注浆加固-大体积砼施工-隧道主体施工-穿越溶洞段隧道顶部防护-隧道变形段整治。本文主要介绍DK396+540~+655段隧道溶洞处理，该段正线位于溶洞中部及以上位置，且空溶洞底部分布块石土、其下部分段落还分布有隐伏空溶洞，对隧道结构影响最大。该段溶洞的处理主要有以下内容：
1）下层隐伏空溶洞处理
根据钻孔揭示，空溶洞底板块石土层下方22m的基岩中，有一不规则空溶洞。纵向长度约50m，高度0~15m，为减小空溶洞跨度，缩小坍塌的空间，避免溶洞顶板塌陷导致较大沉降，对该隐伏空溶洞采用钻孔泵送砾石、细石混凝土灌注回填。
2）空溶洞底部块石土层的处理
该溶洞底部有一层15~30m厚不等的块石土层，为溶洞洞壁及洞顶坍塌物，松散、潮湿，最大块径约20m，块石之间空隙大强度高，受压后易造成土层中的空间压缩错动，再次发生沉降，从而影响隧道道床结构，危及列车运营安全。因此，对底部土层的大块石、孤石等进行破解，清底整平后进行了袖阀管注浆加固。
3）隧道底部空溶洞回填处理
隐伏空溶洞和块石土层注浆施做完成后，对溶洞进行回填处理，其方法如下：
a、混凝土回填应分层、分段实施，回填共分四层进行回填，第一层混凝土厚度为4.5m~12m；施工时从小里程往大里程方向，纵向分段长度10~15m，各段之间需设置变形缝，变形缝宽3cm，其间充填木板或沥青麻丝。回填层内设置型钢骨架及钢筋网片，型钢骨架采用I18型钢，纵向间距0.5m，钢筋网片采用Φ22钢筋网，网格间距20cm。
b、第二层混凝土厚7.48m~8.71m，平均宽度约25m。 第三层混凝土厚8m，平均宽度约21m，设置1:0.3的外侧坡率；施工时从大里程向小里程方向。第四层混凝土厚8m，平均宽度约18m，其顶部宽度按衬砌结构外7m宽度进行控制。
c、为减少大体积混凝土浇筑过程中的水化热，在第二、三、四层混凝土浇筑时分层预留2.2m×1.8m的空心柱，空心柱每节高度6m，各空心柱纵、横向间距均为3.2m。设置空心柱后，为提高混凝土回填基础的整体稳定性，在设置空心柱时竖向每间隔6m设置一道2m厚混凝土隔板。
d、溶洞顶板位于隧底下方，从隧道正洞内回填或在隧道正洞内设置钻孔进行回填。
隧底回填示意图
在土石最后回填完成后，利用顶面平台，对DK396+540~+600段远离线路侧溶洞壁进行锚网喷防护，其防护高度为回填顶面以上10m，锚网喷参数为喷C20砼15cm，钢筋网采用Φ6钢筋网，网格间距25cm×25cm，锚杆采用Φ22砂浆锚杆（设垫板），每根长4m，间距1.2m×1.2m。
三、溶洞处理中的安全控制
铁路隧道具有工程量大，开挖截面大，环节多技术要求高等特点，特别是在复杂的岩溶地区，突泥，涌水，塌方，掉块等问题突出，严重威胁隧道施工的安全，稍有不慎极可能发生安全事故，造成生命财产的损失。而本溶洞规模大，溶洞内岩溶发育，水平及垂直节理发育，受节理面切割，溶洞壁稳定性较差，洞内危岩落石风险。隧道洞身有近50m范围位于溶洞顶板以下，需在溶洞内进行溶洞处理或溶洞底部基础处理的范围超过210m。施工的困难程度，安全管理难度巨大，这就需要在日常严格的安全管理基础上，采用更加科学严谨的管理措施和技术手段。
1、安全管理措施：铁路隧道的安全是衡量工程管理水平的重要标志。在管理方面，建设、施工、监理各参建方都应设置安全生产的管理机构，建立、健全各项安全规章制度，自觉遵循各项安全生产的规定；加强安全教育，对参建职工进行岗前安全培训和安全技术交底，提高安全意识；及时进行安全检查，消除事故隐患；坚持“安全第一、预防为主”的原则，实行安全生产岗位责任制和逐级负责制，把安全工作落实到个人，同时建立、健全安全保证体系。
此外，还应按照该隧道易出现突水、突泥、塌方和落石的特点，制定专项应急预案和安全事故应急救援预案，准备充足的应急救援物资，一旦事故发生可以防止事故扩大，减少人员伤害、财产损失。
2、安全技术措施：
a.溶洞处理的前，必须借助各种地质调查手段摸清施工范围内地质情况，做好超前预报和地质勘探，重点做好下部隐伏岩溶的调查。
b.隧道施工的过程中，做好全过程的监控量测，监控沉降、位移、严格按照规范设置监控量测点，按频率进行监测，对个别清方及加固困难的危险点设置施工期间的定点监测点进行施工期间的长期监测。
c.施工期间严格遵守高空作业、电气焊、混凝土浇筑、电器使用等安全技术规程。
d.溶洞处理的主要施工作业区是危岩落石风险最大的区域。为确保施工安全，在施工期间针对该区域采用了危石清理+锚喷、主动网+防护棚架的综合措施进行安全防护。主要包括以下几项内容：
①对溶洞壁危石进行清理、震动爆破。
②对局部危险区域增设锚网喷或主动网，其中锚网喷参数为喷混凝土厚15cm，Φ6钢筋网网格间距25cm×25cm，Φ22砂浆锚杆，每根长4m，间距1.2m×1.2m交错布置。局部倒悬位置的溶洞采用钢管支顶。
③在本隧道处理的主要作业区范围还特别的分层设置了移动式防护棚架，对作业人员、活动的主要区域设置被动防护，以降低危岩落石风险发生后的伤害。该移动式防护棚架采用钢管及型钢搭建，由立柱、纵、横梁、顶棚、斜撑、被动网等组成，其上铺竹排架、竹笼等缓冲层。在每层混凝土浇筑完成，需要进行下层混凝土浇筑时，采用接长防护棚架中间立柱的方式逐段抬高防护棚架，浇筑完混凝土后进行提升时可拆卸用于下循环。棚架布置时，按纵向3m，横向6m设置立柱，底层立柱高6~9m，逐级提升时每次接长3m，立柱采用法兰盘连接，共设立柱203根，长度6~44m不等。
结语
该溶洞处理影响该隧道原工期1年，成本增加8000余万元，但在参建各方精心管控下，经过6个月施工，安全顺利的完成了溶洞处理的全部工序，隧道主体衬砌结构顺利通过溶洞区域。施工过程中，成功应用了袖阀管注浆、隐伏溶洞灌细石砼、浇筑设有空心柱的大体积混凝土等工艺，采取了洞壁震动爆破、洞壁锚喷加固、主被动防护网、防护棚架等安全防护措施，运用了砂袋缓冲层、环形封闭防护拱等防护技术。为今后类似的溶洞处理方法和安全控制提拱了实践依据和经验。
参考文献
[1]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）.
[2]《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）.
[3]《铁路混凝土工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）.
[4]《高速铁路隧道工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）.
[5]云南某铁路隧道施工图、变更设计图、设计说明书、施工组织设计
[6]云南某铁路隧道大型溶洞处理监理实施细则.
论文作者:田宇
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/6
标签：溶洞论文; 隧道论文; 混凝土论文; 棚架论文; 防护论文; 方案论文; 土层论文; 《防护工程》2018年第5期论文;