成貴鐵路上高山隧道超大型溶洞處理技術(shù)與應(yīng)用

方振華　余慶　岳志勤　丁浩江　羅明磊

摘要：隧道施工遇超大型溶洞，需對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地分析，查明其工程特性、分析評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性，進(jìn)而制定安全、可靠、合理的工程處理措施。成貴鐵路上高山隧道在施工過(guò)程中揭示出115 m×90 m×20 m（長(zhǎng)×寬×高）的超大型溶洞大廳，底部巖溶堆積物厚30～49 m，隧道穿越長(zhǎng)度約80 m。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)補(bǔ)充測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、鉆探及內(nèi)業(yè)分析對(duì)該超大型溶洞進(jìn)行了詳細(xì)的補(bǔ)充地質(zhì)勘察。綜合分析得出：巖溶大廳頂板大部分區(qū)域穩(wěn)定性差，側(cè)壁穩(wěn)定性較差，但隧底堆積體整體是穩(wěn)定的，經(jīng)綜合比選，采用填充混凝土的方法對(duì)溶洞大廳頂板及側(cè)壁進(jìn)行穩(wěn)定處理;鉆探查明溶洞底部堆積體最深可至隧底以下約49 m，層間夾有粗圓礫，且溶洞內(nèi)揭示有穩(wěn)定的地下水位，因此底部堆積體存在顆粒物質(zhì)流失的隱患，研究后決定隧底采用樁板結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，各項(xiàng)工程措施合理可行、整治效果良好，保證了成貴鐵路于2019年12月的順利通車。

關(guān)鍵詞：大型溶洞; 穩(wěn)定性; 理論分析; 溶洞堆積體; 處理方案; 高速鐵路隧道; 成貴鐵路

中圖法分類號(hào)： U25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.017

0引 言

在中國(guó)鐵路建造史上，隧道遇超大型溶洞的工程實(shí)例較多[1-4]。2005年，宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道DK231+796揭示大型溶洞，長(zhǎng)89 m、寬150 m、高18～26 m，研究后采用“碗扣支架+錨噴支護(hù)+圓柱形立柱共同支頂”方案通過(guò)[5]。2007年，宜萬(wàn)鐵路下壩村隧道揭示2號(hào)大型溶洞，沿線路縱向長(zhǎng)約21 m，寬50 m，高58 m，隧道整個(gè)洞身均位于溶洞內(nèi)，因?yàn)檠鼐€路方向跨度不大，研究后施工采用“隧道護(hù)拱+拱橋結(jié)構(gòu)”方案通過(guò)[6]。貴州省思南至劍河高速公路龍?zhí)镀核淼莱笮腿芏?，沿軸線最大跨度約74 m，橫向最大寬度64 m，最大凈空34.2 m，研究后采用“洞內(nèi)明洞”方案通過(guò)[7]。錦屏二級(jí)水電站3號(hào)隧洞底板開挖過(guò)程中，揭示一大型溶洞，延伸總長(zhǎng)度約23 m，沿洞軸線方向長(zhǎng)約15 m，最大深度超過(guò)12 m，為保證引水洞運(yùn)行安全，研究后采用了較新穎的“混凝土回填+拱橋”的加固處理形式以及井樁梁施工[8]。上述超大型溶洞形態(tài)特征、充填性質(zhì)、水文條件以及其與線路的空間位置關(guān)系各不相同，其工程處理方案也就不盡相同。

在對(duì)超大型溶洞實(shí)施處理措施之前，必須結(jié)合工程實(shí)際充分分析溶洞本身的穩(wěn)定性，目前關(guān)于巖溶洞穴穩(wěn)定性的研究主要集中在機(jī)場(chǎng)、鐵路和公路等工程項(xiàng)目中，并經(jīng)歷了定性-半定量-定量的發(fā)展過(guò)程[9]。由于定量分析方法中的數(shù)值模擬技術(shù)能夠定量刻畫復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的各工程的力學(xué)行為，并能直觀反映出工程各部分的穩(wěn)定性，以便根據(jù)計(jì)算結(jié)果快速而準(zhǔn)確地采取相應(yīng)處理措施，因此在實(shí)際工程項(xiàng)目中得到了廣泛運(yùn)用，目前也有越來(lái)越多的數(shù)值模擬分析方法和軟件被應(yīng)用于巖溶洞穴的穩(wěn)定性分析中[10]，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有數(shù)值模擬方法的比較分析，本文將采用更加符合含節(jié)理巖體巖溶洞穴力學(xué)行為和破壞機(jī)理的3DEC塊體離散元分析軟件，對(duì)上高山隧道超大型溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[11-13]，并根據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證工程處理方案的合理性。

綜合分析，以上處理方案的制定，都充分研究了超大型溶洞本身的穩(wěn)定性及其工程特性。一方面，超大型溶洞的穩(wěn)定性制約隧道施工以及后期運(yùn)營(yíng)的安全，直接影響工程處理方案的制定;另一方面，工程處理方案應(yīng)在查明超大型溶洞的工程特性后因地制宜的制定。本文以成貴鐵路上高山隧道超大型溶洞為例，介紹了該超大型溶洞的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)方法及其工程特性勘察情況，經(jīng)處理方案比選研究后，制定了“大廳填充+隧底樁板結(jié)構(gòu)” 的處理方案，實(shí)踐表明此方案理論可靠、技術(shù)可行，可為類似工程提供參考借鑒。

1工程概況

成貴鐵路上高山隧道位于貴州省清鎮(zhèn)市境內(nèi)，全長(zhǎng)2 396 m，單洞雙線，最大埋深135 m，總體走向大致為123°。隧道進(jìn)口里程DK488+531，進(jìn)口設(shè)計(jì)軌面高程1 214.676 m;出口里程DK490+930，出口設(shè)計(jì)軌面高程1 187.361m，向出口端單面下坡，坡度5‰～13‰。

施工由進(jìn)出口雙向掘進(jìn)。開挖揭示DK489+495～575段穿越超大型溶洞，溶洞上部為空腔，以下為巖溶充填物，洞內(nèi)有地下水出露[14-15]。

上高山隧道平面圖如圖1所示。

2自然特征

2.1地形地貌

隧區(qū)屬云貴高原峰叢谷地地貌，地形起伏較大，海拔高程1 180～1 340 m。DK489+495～575大型溶洞段地表為溶蝕峰叢，溶丘、溶槽相間分布，槽谷切割較深，最大高差可達(dá)120 m，基巖出露好，地表覆土厚薄不均，隱伏溶溝溶槽發(fā)育較深，地表植被主要為灌木。

2.2地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

隧道從進(jìn)口至出口依次穿越寒武系中統(tǒng)石冷水組（∈2s）白云巖;寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-31s）白云巖;石炭系下統(tǒng)大塘-擺佐組（C1d+b）灰?guī)r、砂泥巖、鋁土巖夾鋁土礦、赤鐵礦、煤線;二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）炭質(zhì)頁(yè)巖、砂泥巖夾煤線;二疊系下統(tǒng)棲霞-茅口組（P1q+m）灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r夾頁(yè)巖、硅質(zhì)巖[2]等地層。其中棲霞-茅口組（P1q+m）地層分布于洞身及出口段，占隧道總長(zhǎng)的70%。

隧區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有上背躬F1、F2、F3共3條斷層與隧道相交。隧區(qū)地層整體緩傾，傾角一般10°～15°，代表性巖層產(chǎn)狀N65°E/12°NW，巖體溶蝕、節(jié)理裂隙較發(fā)育。線路與地層走向大角度相交。

2.3氣象與水文

本地區(qū)屬北溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，雨量充沛、氣候溫和濕潤(rùn)，年平均降水量1 000～1 600 mm，5～9月為雨季，占全年降雨量的50%左右[1]。隧道進(jìn)口端谷地內(nèi)有季節(jié)性水流，出口無(wú)地表水流。

隧道洞身范圍地表?xiàng)?茅口組灰?guī)r分布范圍內(nèi)沒有明顯的地表水流，大氣降水通過(guò)短暫的地表徑流后大部分通過(guò)巖溶洼地排入地下河。隧道出口端溝槽下游約1 400 m為長(zhǎng)沖河進(jìn)入暗河入口，暗河入口高程約1 130 m。從區(qū)域分析，斷續(xù)的地表水、暗河水均為從右側(cè)向左側(cè)排泄，主要通過(guò)暗河體系排泄至左側(cè)3.5 km外的貓?zhí)印?/p>

隧道區(qū)水質(zhì)試驗(yàn)資料顯示，環(huán)境水屬HCO3·SO4-Ca·Na型水，根據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，在化學(xué)侵蝕環(huán)境中，環(huán)境作用等級(jí)為H1。

2.4巖溶發(fā)育特征

根據(jù)隧區(qū)地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造特征，隧區(qū)以上高山向斜核部一線為界分為兩個(gè)水文地質(zhì)單元，向斜西翼為Ⅰ區(qū)，向斜東翼為Ⅱ區(qū)。兩翼地表降雨下滲匯入各自獨(dú)立的地下暗河體系，由線路右側(cè)向線路左側(cè)徑流排泄。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)繪，隧道出口端槽谷中發(fā)育一條暗河，據(jù)兩處暗河天窗觀測(cè)情況，暗河位于地表下約10～15 m，水面高程1 175 m。隧道施工揭示DK489+375附近發(fā)育暗河（高程1 180.50 m），暗河寬2～4 m，高1～7 m，水量50～200 m3/h;DK490+373線路右側(cè)拱腰墻位置發(fā)育一處巖溶管道（高程1 197 m），水量50～800 m3/h。

兩處巖溶規(guī)模均較小。DK489+495～575巖溶大廳內(nèi)DK489+496左30 m有一處水潭，水潭呈圓形，直徑約8 m，水深3 m左右，水質(zhì)清澈，觀察期未發(fā)現(xiàn)水位有明顯波動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)用水泵抽水也未使得水位下降（抽水功率大致為10 m3/h），水面高程約1 185 m。隧道施工揭示3處暗河高程1 180～1 197 m，最低位于隧道底部約20 m，因此判定隧道位于巖溶季節(jié)變動(dòng)帶內(nèi)[14]。

上高山隧道超大型溶洞所處隧區(qū)范圍主要工程地質(zhì)情況如圖2所示。

3巖溶大廳補(bǔ)充地質(zhì)勘察

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（見圖3），溶洞大廳呈不規(guī)則“梨”型，溶洞大廳空間規(guī)模為115 m（長(zhǎng)軸）×90 m（短軸）×20 m（高），隧道穿越長(zhǎng)度約80 m。大廳呈半充填狀態(tài)，充填物為塊石土，夾碎石及少量流塑、軟塑狀黏土，厚30～49 m。

鉆孔水位起伏較大，與堆積體底部基巖面的起伏基本一致，位于設(shè)計(jì)軌面以下約15～49 m。溶洞（鉆探后）縱斷面如圖3所示。

4溶洞穩(wěn)定性分析

4.1巖溶大廳頂板穩(wěn)定性分析

溶洞大廳洞周巖體主要為棲霞-茅口組中-巨厚層狀灰?guī)r，巖層平緩，傾角一般10°～15°，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)裂隙多呈閉合狀。溶洞頂板整體寬緩，大部分范圍巖面相對(duì)較為新鮮，少見鐘乳石發(fā)育，洞底主要為崩落塊石堆積，說(shuō)明巖溶大廳內(nèi)近期發(fā)生過(guò)巖體剝落、坍塌，大廳洞周巖壁多見滴水，洞壁稍濕-濕潤(rùn)，地下水對(duì)洞壁巖體穩(wěn)定性有不利影響。

整體而言，該巖溶大廳洞頂大部分區(qū)域穩(wěn)定性差;鐵路左側(cè)巖溶大廳邊緣小范圍洞頂主要呈褐黃、土黃色，發(fā)育較多短小的鐘乳石，巖面稍濕-濕潤(rùn)，時(shí)有滴水，洞底也有崩落塊石堆積，為穩(wěn)定性相對(duì)較差區(qū)。洞頂穩(wěn)定性分區(qū)如圖4所示。

根據(jù)對(duì)洞周巖層層理及裂隙的量測(cè)，巖層總體產(chǎn)狀為N65°E /12°NW，巖層平緩;根據(jù)量測(cè)的12組裂隙產(chǎn)狀（見表1），通過(guò)等密度赤平投影圖分析（見圖5），得出兩組優(yōu)勢(shì)裂隙面的產(chǎn)狀為：N55°W/80°NE和E-W/60°S。巖體主要受巖層層面和優(yōu)勢(shì)裂隙切割形成楔形體，在自重臨空及炮損等因素作用下易產(chǎn)生掉塊或坍落，現(xiàn)場(chǎng)見最大塊石塊徑約為3 m×4 m×8 m。根據(jù)雙線隧道深埋塌落拱高度計(jì)算公式：

h=0.45×2s-1ω

式中：ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i（B-5）;s為圍巖級(jí)別;B為坑道寬度，m;i為B每增加1 m時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B<5 m時(shí)，i=0.2，當(dāng)B>5 m時(shí)，i=0.1。

計(jì)算巖溶大廳塌落拱高度h約為21.6 m。綜合分析洞周巖體主要以楔形體產(chǎn)生掉塊或坍落，其塌落徑向高度可按21.6 m考慮。

4.2巖溶大廳側(cè)壁穩(wěn)定性分析

現(xiàn)場(chǎng)施工開挖揭示巖溶大廳小里程、大里程、右側(cè)側(cè)壁（高約5～20 m）巖體破碎，為大型巖溶洞穴周邊破碎巖體，大里程側(cè)巖層產(chǎn)狀明顯向巖溶大廳內(nèi)傾斜，穩(wěn)定性較差;左側(cè)側(cè)壁整體反傾倒懸，一般呈褐黃、灰褐色，發(fā)育一些短小的鐘乳石，巖面稍濕-濕潤(rùn)，時(shí)有滴水，評(píng)價(jià)為穩(wěn)定性較差區(qū)。側(cè)壁的穩(wěn)定能有效減少、降低、減緩洞室的坍塌，工程應(yīng)考慮對(duì)巖溶大廳側(cè)壁進(jìn)行有效防護(hù)。

4.3隧底堆積體穩(wěn)定性分析

鉆探揭示隧底堆積體最厚可達(dá)約49 m，堆積物間有空隙，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施23個(gè)地質(zhì)鉆孔計(jì)算其空隙部分總厚度占比1.5%以下，黏粒、圓礫、角礫也僅少量分布（占比約3.5%），其余為碎塊石，溶洞底板為灰?guī)r。鉆孔過(guò)程中未發(fā)生一般第四系較松散塊石土常見的垮孔現(xiàn)象[5]，堆積體密實(shí)程度較高。雖然隨季節(jié)水位的變動(dòng)，存在細(xì)顆粒物質(zhì)流失現(xiàn)象，但數(shù)量少，不影響整體穩(wěn)定，因此堆積體整體是穩(wěn)定的。

4.4洞壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬與評(píng)價(jià)

為研究巖溶大廳洞壁穩(wěn)定性，應(yīng)用3DEC軟件，構(gòu)建了圖3溶洞縱斷面的數(shù)值計(jì)算模型，如圖6所示。模型縱向高145 m，水平方向長(zhǎng)219 m，埋深50 m（即模型上部考慮50 m巖體自重）。模型中設(shè)置了N55°W/80°NE和E-W/60°S兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理，以此來(lái)分析結(jié)構(gòu)面對(duì)洞壁穩(wěn)定性的影響。巖體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，灰?guī)r、節(jié)理及洞內(nèi)堆積物力學(xué)參數(shù)取值見表2。

設(shè)計(jì)計(jì)算了3種工況，分別為：

（1） 初始地應(yīng)力，模擬溶洞形成之初的地應(yīng)力狀態(tài)，以確定模型及參數(shù)的正確性。

（2） 溶洞現(xiàn)狀，在初始地應(yīng)力基礎(chǔ)上形成溶洞，分析當(dāng)前圍巖應(yīng)力特征。

（3） 極限失穩(wěn)狀態(tài)，折減強(qiáng)度參數(shù)，模擬洞壁的極限失穩(wěn)狀態(tài)。

3種計(jì)算工況的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）所示為初始地應(yīng)力狀態(tài)下的圍巖豎向應(yīng)力（Z方向），可見，豎向應(yīng)力分量受到結(jié)構(gòu)面影響，總體上水平成層分布，分布形式及應(yīng)力水平均符合實(shí)際情況，計(jì)算模型正確。圖6（b）和圖6（c）所示為巖溶大廳形成后的現(xiàn)狀圍巖應(yīng)力狀態(tài)，可見，由于巖溶溶蝕卸載，洞頂圍巖失去支撐，形成了較高水平的拉應(yīng)力，最大量值達(dá)0.3 MPa。其分布范圍位于洞頂正上方，近似呈拱形，洞頂以上高度25.5 m，與理論計(jì)算結(jié)果一致。溶洞兩側(cè)壁具有較高水平的剪應(yīng)力，最大達(dá)到2 MPa，如圖6（c）所示。圖6（d）所示為極限狀態(tài)的洞壁失穩(wěn)模式，其失穩(wěn)模式受控于巖體結(jié)構(gòu)面，為楔形體，最不利部位仍然位于洞頂。但這種影響范圍會(huì)擴(kuò)散很遠(yuǎn)，呈喇叭型擴(kuò)散至地表。

[13]RAWNSLEY K，PEACOCK D C P，RIVES T，et al.Joints in the mesozoic sediments around the Bristol Channel Basin[J].Journal of Structural Geology，1998，20（12）：1641-1661.

[14]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.成貴鐵路上高山隧道大型溶洞工程地質(zhì)說(shuō)明[Z].成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2017.

[15]方振華.成貴鐵路上高山隧道巖溶管道涌突水病害研究[J].高速鐵路技術(shù)，2017（4）：70-73.

（編輯：劉 媛）

Abstract：In case of super large karst cave in tunnel construction，it is necessary to scientifically find out its engineering characteristics，analyze and evaluate its stability，and then formulate a safe，reliable and reasonable engineering treatment plan.During construction of the Shanggaoshan Tunnel of Chengdu-Guiyang Railway，a great karst cave hall with a length，width and height of 115 m×90 m×20 m was revealed，the karst deposit at the bottom was 30～49 m thick，and the tunnel crossing length was about 80 m.Through supplementary mapping，geological survey，drilling and in-house analysis，it was concluded that the stability of most areas of the roof and side wall of the karst hall were poor，but the cavern accumulation body was overall stable.It was suggested that the roof and side wall of the cave hall be treated with full filled concrete.Through drilling，up-to 49 depth of deposit was found at the bottom of the cave，where some thick gravel layer was mixed，and there was a stable groundwater level in the cave，so there was a hidden danger of the loss of particulate matter in the bottom accumulations.It was suggested that the tunnel bottom be crossed in the form of pile plate.Through the in-situ implementation，the engineering measures were reasonable and feasible，and the renovation effect was good，which ensured the successful opening of Chengdu-Guiyang Railway in December 2019.

Key words：great karst cave;stability;theoretical analysis;cavern accumulation body;treatment scheme;high-speed railway tunnel;Chengdu-Guiyang Railway