汤微
中铁二十五局集团有限公司，工程师
摘 要 隧道岩溶在我国西南地区普遍存在，如不能及时整治岩溶，不仅会影响隧道施工及结构安全，而且会减少其使用寿命。本文通过云桂铁路营盘山隧道大充填型溶洞处理施工技术进行研究及分析，通过采取拱墙带底板衬砌结构、加强底板、地基注浆加固的复合地基岩溶整治方案，不仅确保了隧道安全穿越溶洞，还保障了施工工期。
关键词 云桂铁路 大充填型溶洞 复合地基 沉降控制
Abstract Tunnel Karst exists widely in southwest China. If the karst is not treated in time, it will not only affect the tunnel construction and structural safety, but also reduce its service life. Through the study and analysis of the construction technology of the large-scale filling karst cave treatment in Yingpanshan tunnel of Yungui Railway, through the solution of the Composite Foundation with the lining structure of the arch wall with the bottom slab, the strengthening of the bottom slab and the grouting reinforcement of the foundation, it not only ensures the tunnel to pass through the cave safely, but also guarantees the construction period.
Key words Yungui Railway, Large filled cave, Composite foundation, Settlement control
一、工程概况
云桂铁路营盘山隧道位于白腊寨~广南区间，全长3481m，白腊寨车站伸入隧道进口端，形成三线车站隧道，车站隧道段443.5m，其余为双线隧道。出口紧邻箐头大桥，隧道最大埋深约280m。设计为250 km/h隧道，全隧铺设无碴道床。
经设计单位对现场进行施工勘探，发现隧道DK396+084～DK396+125段隧道拱墙及基底发育一充填型溶洞。溶洞基底形态不规则，顺线路方向长度约41m，垂直于线路方向宽度大于70m，溶洞高度60m，溶洞范围为拱顶以上0～34m以上，隧道左边墙外侧为0～30m以上，隧道右边墙外侧为0～30m以上，隧底以下深度为0～70m，其发育形态呈前后小，中间大。
二、工程地质、水文情况
1、地层岩性
本段隧道基底上覆第四系全新统人工填土层（Q[4](ml)），溶洞充填（Q[4](ca)）粉质黏土、细砂土、块石土，下伏基岩为二叠系下统（P[1]）灰岩,溶洞充填物分布情况见图2。地层岩性分述如下：
<1-3>人工填土（Q[4](ml)）：以粉质黏土、块石土为主。粉质黏土为棕黄、褐灰色，硬塑状，土质黏性差、较松散；块石土为灰白、褐灰色，稍密～松散，稍湿，块石成份为灰岩。均由施工形成。
<2-11>粉质黏土（Q[4](ca)）：溶洞充填物，褐黄色，软塑状，局部见硬塑状，局部夹角砾、块石，含量约40%。
<2-12>细砂（Q[4](ca)）：溶洞充填物，颜色较杂，褐黄、褐灰、深灰~灰黑色等，潮湿，中密~密实为主，少量稍密，含泥量较高，局部为粉土或粉质粘土。
<2-13>块石土（Q[4](ca)）：溶洞充填物，灰白、褐灰色，松散～稍密，稍湿，块石含量约60%，成份为灰岩。
<2-14>空溶洞（Q[4](ca)）：溶洞内无充填物，为空洞。
<15-18>灰岩（P[1]）：灰色、深灰色、棕红色，隐晶结构，中厚～厚层状构造；地表出露岩体多为弱风化（W[2]），基岩露头较好，节理裂隙发育，节理面有轻微溶蚀及少许黏土充填，溶蚀中等～强烈，发育溶蚀洼地、溶沟、溶槽、石牙，地表多呈岩溶孤峰或峰林状出露，峰林间常形成溶蚀谷地，岩溶漏斗、岩溶洼地等，强风化带（W[3]）一般厚2～5m，属Ⅳ级软石；其下为弱风化带（W[2]），属Ⅴ级次坚石。
2、水文地质特征
本隧道测区溶蚀洼地及构造发育，岩溶裂隙及断层破碎带含水较丰富。线路右侧约600m为西洋河，西洋河水面高程约745m，溶洞底部高程为863.75m，溶洞处于岩溶水的垂直渗流带。设计单位现场钻探未见地下水。
3、不良地质
据钻探揭示该充填型溶洞基底下最大达75m范围内为溶洞充填物。充填物主要为细砂土，主要发育范围超出拱顶、右侧及仰拱开挖范围。隧道基底处的充填型溶洞，充填物为细砂、黏性土及角砾、块石土。细砂、黏土、夹角砾，三者分布无规律性，含量约40%；块石含量约60%。
4、稳定性评价
综合分析，本处溶洞为与线路大角相交的古老暗河通道，洞穴堆积物（主要为暗河携带的地表土及暗河通道坍塌物质逐步形成）充填暗河通道后，该古老暗河已经改道，不属于地下水通道。结合目前西洋河水面高程与溶洞底部高程相差较大（约119m），不存在大量地下水进入溶洞带走溶腔内充填物的情况。但本段基底溶洞内充填物物质成分不均，软硬不均，极可能引起基底不均匀沉降，对工程危害性大。
三、隧道基底岩溶处理方案比选
本段隧底充填溶洞，属大型充填溶洞，其深度及范围大，软硬不均，密实度不均匀，易导致隧道结构基础发生较大的不均匀沉降。针对本处隧底充填溶洞的处理研究了桩筏结构方案及复合地基两套方案，方案情况如下：
1、桩筏结构方案（方案一）
（1）衬砌结构采用拱墙带底板衬砌结构，其下桩-筏结构由下部钢筋混凝土钻孔灌注桩、上部C35耐腐蚀钢筋混凝土筏板组成。本段41m隧道段衬砌底板下设置1.5m厚钢筋混凝土筏板，为优化桩位布置，于DK396+110～+120段筏板下设置4道纵梁，梁高2m，宽2m，纵向长度9.5m；DK396+110处左线线路中线至右边墙设置横向梁，梁高2m，宽2m，横向长9.5m。
（2）桩与筏板或纵横梁之间采用钢筋连接，钻孔桩桩径1.5m，桩间距纵向5~7.5m，横向3.8m，采用C35耐腐蚀钢筋混凝土，桩底嵌入基岩深度位于砂岩、页岩、泥岩地层时不小于4m；共需设置钻孔桩22孔，合计长度952.5m，平均长度约43m，最大桩长70m。
（3）因隧底溶洞充填物为潮湿、松散状细砂，最厚达78m，桩筏结构桩长细比较大，为提高桩筏结构桩间结构稳定性，隧底筏板基坑开挖平整后，于筏板施作前在桩间采用φ75钢花管注浆加固，间距1.0m*1.0m,交错布置,设置范围DK396+100～+110段筏板基坑底下15m控制，DK396+110～+109段筏板基础下按嵌入基岩0.5控制。钻孔达到设计深度后，注水泥浆，浆液配合比及注浆压力根据现场试验进行调整。
2、复合地基方案（方案二）
（1）隧道衬砌结构采用拱墙带底板衬砌结构，其中底板采用2.5m厚的钢筋混凝土加强底板。
（2）为控制基础沉降，并避免因隧底溶洞充填物强度不足、软硬不均等引起隧道不均匀沉降，对本41m隧道段隧底采用袖阀管注浆加固形成复合地基，复合地基加固深度按基底以下35m控制，当基底以下充填溶洞深度不足35m时，注浆孔深度按深入基岩以下1m控制。该方案共需设置注浆钻孔303孔，合计长度8211m，平均每孔长度27.10m，最大深度35m。
（3）为保障注浆效果，注浆孔布置按中间稀、边缘密的方式进行布孔，按浆液扩散半径不小于1m考虑，注浆范围中间部位按1.5m*1.5m交错布孔，边缘部位按0.6m*1.5m交错布孔；注浆过程中应按先周边后中间的顺序进行注浆，边缘部位注浓浆，水灰比0.8:1，中间部位注稀浆水灰比1:1，注浆压力2~3MPa，注浆终压3.5MPa；注浆材料采用早强、流动性好的水泥浆液。
（4）注浆过程中需加强过程质量控制，注浆前需进行试桩，以确定最终的注浆参数等，注浆完成后需进行钻孔取芯检查注浆质量，取芯孔数应不小于注浆孔的3%布置质量检查孔。
3、方案比选
（1）方案一（桩筏基础方案）优势在于结构体系清晰明确，过程可控，可有效保障施工质量及结构安全，但该方案要求在隧道内采用冲击钻孔设备施做长度超过70m的钻孔，其施工难度较大，施工时间较长，且隧道内空间有限，不利于大量施工机械设备同时展开以加快施工进度，同时，因该隧道前方掌子面还在进行正洞开挖掘进，施工干扰较大，存在较高的工期风险。基底钻孔桩总长952.5m,钻孔桩圬工方952.5*0.75*0.75*π=1682.35m3，纵梁与横梁圬工方5*2*2*9.5=190m3,合同清单钻孔桩单价1923.17元/m3、钢筋混凝土单价521.86元/m3，计算基底岩溶整治总造价约为333.46万元。
（2）方案二（复合地基方案）施工难度相对较低，所需要的施工设备体积较小，虽孔数较多，但可通过增加钻孔设备加快施工进度，且对隧道内剩余工程的开挖掘进干扰较小，对工期保障有利，但考虑工程地质的复杂性及地质条件的不确定性，要保障注浆加固效果需要加强注浆过程的质量控制，并加强施工管理，同时在注浆完成后还需要进行沉降观测及评估。注浆孔总长8211m，注浆量3953m3，合同清单钻孔单价22.55元/m，水泥浆单价403.48元/m3，计算基底岩溶整治总造价约为178.01万元，比方案一施工成本几乎节约了一半。
4、结论
经过两个方案对比，复合地基方案施工难度低，工期易于保障，基底岩溶整治施工成本低，结合本工程实际施工难度、工期等因素，本段隧道岩容整治最终采用复合地基处理方案。
四、岩溶整治主要内容
本段岩溶整治采用复合地基处理方案，主要包括充填溶洞的支护防护措施、隧道基底充填溶洞的注浆加固处理、衬砌结构及防排水等内容。
1、支护及开挖方法
（1）本段采用大拱脚台阶法施工，该段开挖预留变形量调整为40cm，当变形量达到20cm时，施工单位应及时上报四方再次现场处理初支补强措施，确保初支不拆换及施工安全；该段拱墙系统锚杆调整为边墙φ42钢花管径向注浆加固，钢花管长4.5m，间距1.0m（环）*0.6（纵），梅花型布置，注水泥砂浆；拱部超前支护采用φ108大管棚，环向间距0.4m，每环39根，每根25m，大管棚内增设钢筋笼，钢筋笼主筋采用φ18钢筋，同时拱部增设φ42大外插角小导管，环向间距0.4m，每环38根，每根长4.5m；加强支护采用拱墙I25b型钢钢架，纵向间距0.6m/榀，钢架锁脚锚管采用φ75钢花管，上台阶每处2根，中、下台阶处各4根，底板开挖后，钢架落底底部每处2根，长度均为6.0m/根。
（2）底板开挖后需对既有拱墙钢架基础接长至底板开挖底面并设置内侧扩大拱脚，设置锚网喷初期支护，喷砼厚度33cm，钢筋网采用φ8钢筋，网格间距20cm*20cm，锚杆采用φ22砂浆锚杆，间距按1.0*0.6（环*纵）交错布置，锚杆长4.5m。
2、隧底处理
对本段隧道基底以下溶洞充填物采用注浆加固形成复合地基方式进行处理，其具体措施如下：
（1）注浆采用袖阀管注浆，注浆加固深度按筏板底以下35m控制，当筏板底以下充填溶洞深度不足35m时，注浆孔深度按深入基岩以下1m控制。袖阀管材料采用外径φ76无缝钢管加工制成，壁厚6mm，每米均匀环向设置溢浆孔3个，溢浆孔直径6mm。袖阀管采用水囊式止浆塞分段进行注浆，由孔底逐段向孔口分段式注浆，不得采用钢管桩孔口直接连接丝扣连接注浆管的一次性注浆方式。袖阀管套壳料采用膨润土掺水泥浆。
（2）为保障注浆效果，注浆孔布置按中间稀、边缘密的方式进行布孔，按浆液扩散半径不小于1m考虑，注浆范围中间部位按1.5m*1.5m交错布孔，边缘部位按0.6m*1.5m交错布孔。袖阀管采用间隔施作、跳孔进行。注浆孔布置情况详见图1《基底岩溶整治袖阀管平面布置图》与图2《岩容整治右线线路中线纵断面图》。
.png)
.png)
（3）注浆过程中应按先周边后中间的顺序进行注浆，边缘部位注浓浆，中间部位注稀浆，注浆材料宜采用早强、流动性好的水泥浆液。注浆结束持续10min后注浆压力不下降即可终止注浆。
（4）钻孔注浆应实行“探灌结合”的信息化施工原则，注浆孔中应设不少于10%的勘探孔。当基底充填溶洞深度超过30m不足35m时，注浆钻孔按35m进行施做；当基底充填溶洞不足30m时，勘探孔对溶洞底部基岩厚度进行验证，保证孔底基岩厚度不小于5m。
（5）施工工序：钻机就位→钻机成孔→下袖阀管→下芯管→注套壳料→用止浆塞分段注浆。
（6）注浆前现场应开展注浆试验，根据注浆试验情况，对套壳料配比、浆液配比、注浆压力、注浆材料等进行调整，确定合理相关参数后方可实施注浆。
（7）特殊情况处理
1）注浆连续进行，因故中断，找出注浆中断原因，尽快采取处理措施，及早恢复。
2）注浆过程中分序施工。出现串浆现象，对串浆孔同时进行注浆处理。
3）注浆过程中有冒浆、返浆等现象发生，暂停注浆，采取处理措施，处理完后立即恢复注浆。
4）对垮孔严重的溶蚀破碎带、充填粗粒土的溶洞等实施跟管钻进极为困难的注浆钻孔，可采用自上而下注浆法复钻施工，严禁使用泥浆等影响注浆加固效果的方法护壁钻进。
5）当钻孔揭示有较大空腔、裂隙时，可先采用充填砂、碎石等进行充填后再进行注浆，当采用冲填砂、碎石或掺入其他填充物处理后注浆量仍然较大时，可采用间歇注浆或双液注浆处理。
（8）注浆过程中应加强对初支变形的监控量测，一旦发生异常情况应及时撤离作业人员，并通知参建各方及时处理。
3、衬砌结构
本段衬砌结构适当加强。DK396+084～+109段采用IV级底板加强II型绝缘一般锚段复合式衬砌，DK396+109～+125段采用V级底板加强II型绝缘一般锚段复合式衬砌。于DK396+084、DK396+109、DK396+125位置各设置一道变形缝。
4、防排水
本段地下水对混凝土无侵蚀，二次衬砌拱部、边墙及仰拱混凝土抗渗等级不低于P10。对地下水采取“以排为主,防排结合”的原则，本段隧道环向设置φ50双壁打孔波纹管、两侧边墙脚设φ80纵向透水盲管，盲管均采用无纺布包裹、并每隔5m将地下水引入洞内侧沟，纵向盲管直接弯入隧道侧沟；侧沟与中心沟间设置横向φ100PVC排水管，每5m一道。
5、沉降观测
基底处理结束后应立即进行隧道沉降观测，并应满足无砟轨道有关设计要求，并对监控量测数据进行统计、分析和评估，以指导现场施工管理。当监控量测出现异常情况时，应及时汇报，以便处理。
五、结束语
隧道作为线型三大土建工程之一，出现岩溶地质的概率非常大。如不能及时整治岩溶，不仅会影响隧道施工及结构安全，而且会减少其使用寿命。本文通过营盘山隧道穿越大充填型溶洞整治，阐述了充填溶洞的支护防护措施、隧道基底充填溶洞的注浆加固处理、衬砌结构及防排水措施，可供类似岩溶整治施工借鉴和参考。
参考文献
1.《铁路工程基础检测技术规程》（TB10218-2008）[M]?中国铁道出版社，2008.
2.《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》北京：中国铁道出版社，2011.
3.《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）[M].中国铁道出版社，2017.
4.《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》（DBJ-01-96-2004）