摘要：岩溶是西南山区铁路隧道工程中常见的不良地质现象，具有空间分布无规律、难以预测、隐蔽性强、岩溶水丰富而不均一等特点，对隧道的支护结构及后期运营均会带来严重的安全隐患。本文以某新建铁路线隧道穿越岩溶发育地区为例，分析介绍了设计中对隧道周边岩溶发育段落的处理原则和措施分类，为今后类似的工程设计提供了借鉴和参考。
关键词：岩溶；铁路隧道；处理原则；措施分类
一、引言
岩石的可溶性、透水性、水的溶蚀性和流动性是岩溶发育基本条件。此外地形、气候、微生物等作为自然因素对岩溶作用和岩溶发育也起着不同程度的影响。
受以上因素的控制和相互作用，本线可溶岩隧道内揭示了各种形态规模不一、水文地质情况差异大的溶洞。而洞内的充填情况，则主要分为碳酸岩盐的化学沉积物（钟乳石、石笋等）、粗细粒的沉积物（洞内坍落、风化碎块石及黏土、地下水流携带的砂砾石等）、生物化石沉积等，主要受洞穴内自身的地质情况和水文情况及洞穴漫长的形成过程控制。由于岩溶形成过程漫长、形成因素复杂、且各因素间相互作用相互促进，导致岩溶发育的规律性差，受目前探测手段限制，不能准确查清洞身岩溶发育的位置和形态，隧道岩溶处理面对的是由于综合因素导致的不可预见地质。
二、工程概况
本线隧道岩性以灰岩、白云岩为主，次为泥质灰岩、泥质白云岩。岩溶形态多样，既有溶隙、岩溶洼地、落水洞、漏斗等垂向岩溶形态，又有溶洞、暗河等水平岩溶形态。由于受构造作用影响，岩体破碎，加之测区雨量充沛，有利于地下水的补给和对可溶岩成分的溶蚀、溶解作用，造成了该区岩溶弱～强烈发育。
本线隧道共有40%的段落穿越可溶岩，其中岩溶强烈发育隧道段落占比65%，岩溶为中等发育至弱发育段落占比35%。
现场施工揭示岩溶发育呈多样性，其岩溶形态为溶槽、溶隙、空溶洞、全充填溶洞、半充填溶洞等；其发育部位随机性大，拱部、边墙及隧底均有分布，通过逐一勘察、分析和讨论，对溶洞采取了回填、跨越、加固、支护等措施进行了处理。
三、主要处理原则
本线岩溶隧道勘察设计以“岩溶水害防治为根本”，遵循“地质绕避为基础、施工防突为重点、排水通畅为目标”的基本设计理念。充分认知岩溶及岩溶水在微观上的无规律性、岩溶水的瞬时突发性，按“风险评估指导、超前预报先行、应急预案落实、排水设施通畅、衬砌结构安全”的防治原则，合理确定防治措施、施工组织、辅助坑道配置等。
（1）对于岩溶发育地段隧道，通过辅助坑道设置，尽量实现顺坡施工。结合施工要求及运营期间排水，优先选择横洞或平导，以降低施工风险。施工中应加强可溶岩地段的超前地质预报，探明岩溶发育程度，岩溶形态，岩溶水水量，水压等情况，根据超前地质预报的结果，结合开挖揭示的围岩稳定性分析，合理确定支护措施。
（2）考虑到岩溶水的无规律性、突发性及排水系统可能淤堵失效后引起地下水位抬升，为保证衬砌结构及运营安全，富水岩溶段及有环境要求需“以堵为主”的地段实施超前注浆措施，必要时采用钢筋砼加强衬砌。
（3）对于隧道施工中揭示的溶洞，岩溶管道等，应视其性质、与隧道的关系，确定综合处理方案，建立完善可靠的排水系统，确定合理的衬砌结构。空溶洞不得随意回填，同时为保证施工安全及施工中超前探测条件，加强安全防护措施。可溶岩地段支护结构施作前，应对洞周隐伏岩溶进行物探，必要时钻探以查明洞周（特别是基底）是否存在隐伏岩溶，并根据物探结果进行综合整治。当存在较长时间补勘工作时，其应满足初期支护长期稳定的要求。
四、处理措施
本线隧道大多位于可溶岩地区，岩溶及地下水发育，尤其是隧道穿越断层破碎带、可溶岩与非可溶岩的接触带时，应开展综合超前地质预测预报工作，利用地质雷达、地震波反射法、红外探水和超前地质钻探等手段对地质状况进行预测。
由于本线正线部分段落铺设无砟轨道，当隧道穿越岩溶地区，根据地质调查表明隧道基底可能存在隐伏岩溶时，应在仰拱施作前，对隧底进行物探，查明是否有隐伏溶洞，根据溶洞形态、与隧道空间关系、溶腔充填物以及充水情况等采取桩基、注浆、换填、跨越等措施进行处理。
施工过程中隧道可溶岩地段开挖揭示了溶槽、溶隙、空溶洞、充填及半充填溶洞等不同岩溶形态，有的有过水痕迹，有点无过水痕迹，有的发育裂隙水，有的发育岩溶管道水，施工过程中采取了回填、换填、注浆、桩筏结构、托梁、集水廊道，集水仓等处理措施。
1、回填、换填
拱部溶洞一般情况下采用混凝土回填+吹沙回填进行处理；边墙溶洞一般情况下采用混凝土护墙+吹沙回填处理；隧底发现充填溶洞，且溶洞底部距隧底小于3m，采用C25砼进行换填。典型断面详见下图：
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图1 溶洞处理示意图
2、注浆
施工过程中揭示充填溶洞、破碎体等不良地质，一般可采用对充填溶洞或破碎体范围径向注浆、超前注浆等措施，典型断面详见下图：
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图2 充填性溶洞处理示意图
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图3 超前周边注浆纵断面布置图
3、桩基筏板结构、托梁
施工过程中隧底揭示充填溶洞、破碎体等不良地质，揭示不良地质纵向长度较长一般采用桩基筏板结构通过，揭示不良地质纵向长度较短一般采用托梁通过。典型处理措施如下：
（1）桩基筏板结构
根据补勘揭示隧道D3K489+485～+574段基底为岩溶堆积体，堆积体最厚至隧底下约50m。堆积体主要为灰岩、炭质泥灰岩大块石、溶蚀破碎岩体、空腔及少量流塑、软塑状黏土，局部夹少量圆砾、角砾，堆积体以下为基岩弱风化层，主要为灰岩夹泥灰岩、硅质岩及炭质泥灰岩夹页岩，发育溶洞。
D3K489+486～+595段采用桩板结构通过，其中D3K489+486～+595段桩基采用桩径2m或2.5m的钻孔桩，桩心间距5m（横）×6m（纵）或5m（横）×8m（纵），桩基嵌入基岩不小于1m。筏板厚1.5m。典型断面如下：
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图4 溶洞与隧道位置关系平面图
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图5 左中线左偏2.2纵断面
（2）托梁
隧道在D3K417+567左侧拱墙处揭示溶洞，溶洞位于正对掌子面左侧，直径约8m，侵入隧道左侧边墙约3m，溶洞在向下约10m的可见深度范围内呈垂直状向下发育，溶洞壁较光滑，经测绳及抛石估算深度，溶洞向下发育大于200m。溶腔顶有掉块及渗水现象。结合该段水文地质条件，地质判识为一过水通道，但水量很少。
为给岩溶勘测提供安全空间，利用隧道弃碴对溶洞进行回填，考虑该溶洞为过水溶洞，前期弃碴采用大型钢丝笼装裹石块抛填，石块直径以不小于2m为宜，3～4个为一体，整体抛填，以便石块可以卡住溶洞形态变化处，减少弃碴，同时留出排水通道。当大型石块抛填至距隧道底面约150m时（通过测绳测量），可直接将隧道内弃碴抛填至溶洞内，抛填至距隧道底面约5m。其上部采用干净的碎石回填3m。
利用回填面作为溶洞处理的施工平台，对溶洞周边喷C20砼封闭，厚8cm，以防止小的松散体掉落，必要时局部增设锚杆和钢筋网片。碎石回填面上后期托梁范围施作C20砼找平层，厚10cm。找平层施作不得封闭托梁以外范围，留出过水通道。D3K417+566～+581段施作2榀纵向托梁，托梁截面2m×2m，至于隧道边墙底及边墙左侧。
衬砌拱墙范围外施作C30砼护拱及护墙，厚1.5m，内设I20b型钢钢架，纵向间距0.8m。钢架与岩面接触处设置2根锁脚锚杆，长4m/根；与托梁接触处设置垫板及锚栓固结。
典型断面如下：
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图6 典型横断面示意图
4、集水廊道，集水仓
施工过程中过水性岩溶管道、岩溶裂隙水发育或富水地段。一般可通过计算最大涌水量确定采用集水廊道或水仓。典型处理措施如下：
（1）集水廊道
施工中在D4K350+590～D4K350+630段左侧拱腰及边墙出水点为岩溶管道水从该段节理裂隙中排泄到隧道内，该管道水主要来源于D4K350+490～D4K351+300段线路左侧800m至线路右侧150m范围地表雨水下渗形成的岩溶水，汇水范围有限（0.82km2），补给来源靠大气降雨，具有枯水期无水或很小，雨洪期大雨后水量陡增的特点，在后期雨量超过目前观测的记录后，其出水量会进一步增大。
结合观测情况，D4K350+590～D4K350+630集中出水段水量较大，出水流量最大可达999.3m3/h，虽然小于中心水沟的排水能力2686m3/h，但考虑出水点可能和地表联通，出水过程中可能带出大量土石，造成局部堵塞，且对集中出水点，存在短时间内水量急聚，不能及时排出，易在衬砌背后形成短时高压，危害隧道结构及运营安全的风险。因此，对隧道进口集中出水段落采取增设泄水廊道引排方案。典型断面如下：
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图7 集水廊道典型断面图
（2）水仓处理
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图8 水仓处理横断面示意图
五 结语
隧道穿越岩溶发育区时将增加工程难度、施工风险和运营风险，因此，在勘察设计时遵循“地质绕避为基础、施工防突为重点、排水通畅为目标”的基本设计理念。当铁路工程必须以隧道形式穿越时，应对可能遇到的溶洞、岩溶水及其附近的地质、水文条件进行全面勘察，并在设计中采取针对性的处理措施、“以人为本”，施工中做好超前预测预报工作，特别对有异常地段进行针对性验证，将大风险变为小风险，以施工安全为第一原则，认真做好处理措施，不留后期安全隐患。
本文以某新建铁路线隧道穿越岩溶发育区为例，分析了岩溶的不可预见性，并对岩溶处理的一般原则和措施分类进行了阐述。目前隧道现场已按设计的处理措施成功通过岩溶影响段，并且监控量测数据显示隧道结构无异常。本线隧道工程对岩溶处理的成功经验，可为今后其他类似的隧道工程提供借鉴和参考。
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论文作者:董竞涛
论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/14
标签：岩溶论文; 溶洞论文; 隧道论文; 溶岩论文; 地质论文; 措施论文; 超前论文; 《建筑模拟》2020年第2期论文;