胡必富
摘要：近几年，在国家政策的倾斜和财政支持下，中西部交通基础设施建设迅猛发展，特别是高速公路、铁路建设突飞猛进，日新月异，而我国喀斯特地貌分布广泛，类型众多，铁路建设过程中，面临极为复杂的溶洞地质问题，尤其是山区铁路普遍桥隧占比在50%以上，长大隧道层出不穷，且呈现岩溶、岩溶水极度发育、岩溶类型多等特点。本文主要分析了隧道岩溶发育类型、岩溶隧道超前地质预报措施，并结合张吉怀高速铁路永顺隧道溶洞处理工程实例，进行了隧道的溶洞处理施工技术研究，为类似工程溶洞处理提供参考。
关键词：长大隧道 溶洞 超前地质预报 处理技术
Construction Technology of Karst Cave Treatment in Long Tunnel
HU Bifu1
（China Railway Tunnel Group Sanchu Co.， Ltd， Shenzhen， Guangdong Province， 518000 China）
Abstract： In recent years， with the tilt of national policies and financial support， the construction of transportation infrastructure in central and Western China has developed rapidly， especially the construction of highways and railways. However， Karst landform in China is widely distributed and has many types. In the process of railway construction， it is faced with extremely complex geological problems of karst caves， especially in mountainous areas， Bridges and tunnels account for more than 50% of railway construction， and long tunnels emerge in an unbroken stream， showing characteristics of karst， karst water extremely developed， and karst types. This paper mainly analyzes the karst development types of the tunnel and the advanced geological prediction measures of the karst tunnel. Combined with the example of the karst tunnel treatment project of Yongshun tunnel of Zhang Jihuai Highspeed Railway， this paper studies the karst tunnel treatment construction technology of the tunnel， so as to provide reference for the karst tunnel treatment of similar projects.
Key Words： Long tunnels; Karst; Geological predicti; Treatment technology
1工程概况
张吉怀铁路位于湖南省西北部，线路穿过武陵山、雪峰山两个次级隆起带和沅麻盆地、大庸盆地两个次级沉降带等地貌单元的部分和全部。沿线地质构造复杂，地形地貌多变，永顺隧道、兰花隧道位于武陵山区，可溶岩广布，岩溶强烈发育，溶洞、落水洞等广泛分布，线路岩溶水富集。
如图1所示，永顺隧道全长12 083.27m，设贯通平导1座、横洞2座;隧道除进口1km为页岩外，其余均为灰岩，岩溶强烈发育，隧道正常涌水量23 725.9m?/d，最大涌水量159324.8m?/d。出口段約4600m岩溶水平径流带，预测最大水头高度约200m，预测最大涌水量133 239m?/d，可能诱发大规模突水涌泥灾害;其余段落岩溶弱发育（局部强发育）。
2岩溶发育的主要形式及分类
2.1 岩溶发育的主要形式
岩溶地貌，是地下水与地表水对可溶性岩石溶蚀与沉淀、侵蚀与沉积，以及重力崩塌、坍塌、堆积等作用所形成的地表和地下形态的总称，又被称作喀斯特地貌[1]。根据其发育强度，可分为强烈发育、中等发育、弱发育、微弱发育四种。
地表岩溶表现的主要形式为：溶蚀性岩石;岩溶洼地和谷地;溶泉;落水洞;溶沟和石芽;峰林、峰丛、孤峰、天生桥等。
隧道岩溶表现的主要形式为：岩溶裂隙（直径一般应小于5cm）;溶孔（直径一般小于20cm）;岩溶管道（直径一般小于2.0m）;溶洞（直径一般应大于2.0m）;地下暗河;其他形式，如石笋、石柱、钟乳石等。
2.2 隧道岩溶的分类
隧道岩溶一般根据其发育形态及规模大小、充填特征、充填物性质、岩溶涌水量等特征进行分类[2]，详见图2、图3。
3 岩溶的预测、预判
隧道岩溶预报是一个综合性工程，可以据此提前预知地质状况，采取更具有针对性的措施防范。
3.1 岩溶预测预报内容
（1）岩溶发育的规模、形态、位置、充填物、水量、水压大小。
（2）岩溶发育与岩性、层理、结构、构造之间的关系。
（3）岩溶可能带来的危害。
3.2 岩溶预报的主要方法
岩溶预报的总体原则是以地质分析为基础，进行初步判断，采用合理的物探手段，进行宏观判断，依靠钻探进行验证和精细判断[3]。
永顺隧道采取的超前预报组合方法是物探方法（TSP、地质雷达、红外探水、瞬变电磁等）与工程地质法（超前水平钻探法、地质素描、周边隐伏岩溶探查等）长短结合、相互验证[4]，如表1所示。
4隧道岩溶的处理原则
岩溶处理遵循“以疏为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则[5]。
4.1 以疏为主
尽量不改变岩溶水的排泄路径，保持地下水的原始循环和贮存状态，减少地下水的流失，保证施工、结构和环境安全。例如，位于垂直渗流带内的隧道，当遭遇岩溶裂隙、岩溶管道及溶洞时，应尽量保持原有的排水通道。
4.2 堵排结合
根据隧道内涌水量、水压大小、所含泥砂程度，为保证运营安全和降低对环境的影响，将堵水和排水两种措施结合制订治理方案。对于规模较大的干溶洞或暗河，当封堵困难时，一般采取在隧道正线之外修建泄水洞或在隧道中设置涵管（涵洞）或桥梁进行跨越，达到排水目的，保证施工及运营安全。处于水平径流带内的隧道，当遭遇岩溶管道、溶洞及暗河时，一般采取排水降压的措施。
4.3 因地制宜，综合治理
根据隧道所处的工程、水文地质条件及周围环境条件，采取多种方法相结合进行综合治理[6]。例如，采取排水方案会造成介质大量流失、地层破坏，影响水文环境时，一般考虑“以堵为主、限量排放”的原则，通过超前管棚、帷幕注浆、超前周边注浆、径向注浆和喷锚支护等辅助手段加固隧道周边的围岩，防止坍塌及限制排水量。隧道底部存在软弱地层时，应通过换填、钻孔桩、钢管桩、注浆等方法进行加固，提高隧底的承载能力，防止基底下沉。
5隧道岩溶处理的技术措施
5.1 洞穴型、管道型巖溶处理措施
隧道存在小型干溶洞或空腔，内部几乎无充填物、无水，一般采用混凝土、浆砌片石等全部充填，必要时进行注浆加固。
5.2 过水型岩溶、暗河处理措施
5.2.1 溶管水的处理
尽量不改变地下水的流动规律，探明周围溶管的发育方向，对于流动路径比较明确的溶管水，如确要将隧道溶管截断，可以在隧道适当部位增加辅助通道，保持原溶管连通，不改变地下水总的流动趋势。若超前探孔表明掌子面前方溶管比较发育，当出水量和水压较大时，为了防止突水、突泥，采用预注浆进行封堵。
5.2.2 暗河处理措施
隧道施工遭遇暗河时，应采用涵管、涵洞、小桥等设施保持暗河原有水流通道，或开凿泄水洞引排。
5.3大型干溶洞处理措施
隧道底部存在大体积的溶洞空腔，可采用桥梁跨越。但施作桥梁时，一定要探明地质情况，合理选取基础形式，确保结构承载能力。
5.4充填型溶洞处理措施
溶洞规模较大，内部充填有大量的泥砂，且含有丰富的地下水时，一般采取全断面帷幕注浆、超前大管棚支护、三台阶临时仰拱法施工。
5.5高压富水填充型溶洞处理措施
当隧道掌子面前方存在高压富水溶腔时，采用直接排放或平导、泄水洞、迂回导坑排水等方法进行释能降压，消除隧道施工风险，后进行超前注浆、加强支护等配套治理措施。
6工程实例
6.1充填型溶洞
6.1.1溶洞基本情况
2018年6月5日，永顺隧道贯通平导施工至PDK67+930，经地质雷达探测前方10～20m范围内溶洞和岩溶裂隙发育，经施做30m超前水平钻孔，前方9～20m存在钻杆突进，孔内有泥浆流出，基本无压力，推测为泥质充填型溶洞，如图4、图5所示。6月11日，平导施工至PDK67+921时于掌子面右侧揭示溶洞，采用地质雷达、TSP、瞬变电磁、超前钻孔等手段进行了探查，基本查明了该溶洞在正洞的分布特征。该溶洞为充填型溶洞，充填物为软塑状粉质黏土，未见涌水，纵向发育长度11m，向隧道四周发育规模不详。
6.1.2处理措施
（1）掌子面封闭：PDK67+921掌子面采用50cm厚C25喷射砼封闭。
（2）超前支护加固：PDK67+921～PDK67+906段拱部采用φ108管棚，管棚长10m，搭接3m，环向间距40cm，共设置2环;拱部套打φ42小导管，长4.5m，纵向3m/环。PDK67+906～PDK67+900段拱部设φ42小导管超前支护。
（3）结构加强：PDK67+921～PDK67+900段由原设计Ⅲ级喷锚衬砌变更为加强型复合式衬砌：初支厚25cm，全环设I18钢架，间距0.6～1.0m;二衬采用40cm厚C35钢筋砼。初支与二衬间满铺排水板，边墙底部设排水孔，间距3m。拱墙衬砌环向预留5个φ110长泄水孔，钻孔中插入φ108钢花管（8.0m长，外包土工布），纵向间距3.0m/环;泄水孔通至二衬表面。
6.2复杂条件下溶洞处理
6.2.1溶洞基本情况
2018年6月11日永顺隧道平导PDK67+921揭示充填溶洞，推测可能遭遇孔家湾—兰花洞暗河。2018年10月22日隧道正洞施工至附近时，经综合探查，DK67+912～DK67+895左侧20m～右侧25m、顶部20m～底部10m范围内推测为岩溶发育，泥质充填、岩溶水弱发育，如图6、图7所示。
隧道开挖后，揭示溶腔为孔家湾—兰花洞暗河的主通道，暗河于隧道处为大型溶腔，溶腔整体呈长方体形，沿線路纵向长约16m，横向宽度约61m，高约31m，与隧道近90°相交;底部为水流主通道，上、下游方向均为管道通道，尤其是下游方向比较通畅，中间亦分布大小不一的溶腔。
经地质钻孔进一步分析，暗河底部发育大型溶洞，空间高度最大达33.7m;全充填型为主，充填物为软塑状的粉质黏土，松散粉土、细砂，局部为淤泥质土;孔内地下水发育。溶洞顶部局部有顶板，厚度3～6m，多为钙质胶结物和溶蚀化灰岩，强度较差。
经测暗河流量约3000m?/d，预测最大涵水量达10万m?/d。隧道位于上下游中部水流通道较小（管道变小）处，根据溶洞壁卵石残留高度，推测排水不畅时雍水可至整个溶腔。
6.2.2处理措施
（1）增加支洞：该处溶洞距隧道底板高差达21m，从隧道正洞设置施工通道难度极大，后确定由贯通平导PDK67+895里程处边墙向溶洞施作支洞作为施工通道，支洞与平导中线垂直，后期运营期间应急排水通道及检修通道，设置防护栅门等设施。
（2）临时防护：溶洞顶板横向约40.0m范围内采用喷锚网防护，喷砼厚10cm，确保溶洞施工期间洞壁稳定，不掉块。
（3）基底加固：为保证溶洞基底稳定，溶洞底部设置桩基承台，共设置钢筋混凝土钻孔桩（桩径2m）14根，桩长14.0～36.0m;钻孔桩施工采用钢护筒（壁厚18mm）自桩顶跟进至基岩面（溶洞底板）以下0.5m;桩顶设3m厚C35钢筋砼承台，承台侧面与溶洞壁相接。
（4）岩溶水引排：溶洞基底钻孔灌注桩施作完成后，沿暗河通道方向纵向相邻桩间挖槽施作排水涵洞（3.0m宽×5.0m高），其底部2m深范围内硬质岩渣换填。暗河下游段施作排水明渠（3.0m宽×2.0m高），顺接上游排水涵;排水涵侧墙预留排水孔，侧墙背后增加30cm厚无砂砼反滤层。
（5）溶腔回填：承台以上范围空腔采用C20砼整体分层连续浇筑回填并分级留平台，浇筑层厚度50cm。分3层预埋排水管（φ1.0m钢筋砼排水管）、排水通道，共7根排水管;隧道线路右侧边墙外砼回填厚度3～5m，线路左侧边墙外空腔回填密实。
（6）衬砌结构加强：DK67+915～DK67+880段采用控制爆破（爆破振速控制在5cm/s以内）;初期支护采用Ⅲa型复合式衬砌参数;二次衬砌采用Ⅴb型复合式衬砌;仰拱底设置纵横向排水管网加密设置;同时分别在DK67+915、DK67+880设一道变形缝。
7结语
自2017年进入施工以来，我们针对不同的溶洞类型采取了不同的处理方式，先后攻克了大小共10多个溶洞的安全施工。同时，溶洞处理的效果较佳，到目前为止，经过处理的隧道溶洞处无沉降、渗漏水的出现，且经过了至少一个雨季的考验，证明工程处理措施是成功的，达到了彻底治理的目的。
（1）严格按要求进行岩溶超前预报至关重要，在岩溶隧道施工中，必须加强地质超前预报探测，将超前地质预报纳入工序管理。通过永顺隧道施工实践证明，中大型的岩溶一般是可以比较准确地预报出来的，可以在揭示前采取有效措施，预控风险，降低损失。
（2）岩溶处理是一项复杂的技术，处理方案应建立在对岩溶发育特征进行详细的调查与分析的基础，因地制宜，综合治理，一次根治，不留隐患，确保施工及运营安全。
（3）施工中能否顺利、安全地对岩溶进行处理，防止二次灾害的发生，受很多因素的影响。施工中应结合现场实际情况，不断对设计和施工方案进行动态优化，同时针对可能出现的突发情况做好必要的准备，采取有效的预控措施，才能确保岩溶处理安全、顺利通过。
参考文献
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