劉 彬

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

宜萬鐵路魯竹壩2號隧道“+960”溶洞治理技術(shù)

劉 彬

(鐵道部工程管理中心,北京 100844)

宜萬鐵路魯竹壩2號隧道施工中遭遇縱向長250m、橫向?qū)?0m、高58m的特大型半充填溶洞,根據(jù)溶洞工程、水文地質(zhì)條件及隧道工程修建技術(shù)特點,本著“寧強勿弱、一次根治、不留后患”的處理原則,在理論分析與工程類比的基礎(chǔ)上對該溶洞采用了護墻支頂、加強隧道結(jié)構(gòu)、樁基承臺結(jié)構(gòu)、隧底鋼管樁注漿加固及混凝土回填等多種巖溶處理技術(shù),工程實踐取得的效果較好,可為相似工程提供參考。

宜萬鐵路;巖溶隧道;溶洞治理;特大半充填溶洞;樁基承臺結(jié)構(gòu);鋼管樁注漿加固

1 隧道概況

魯竹壩2號隧道是宜萬鐵路26座Ⅱ級風(fēng)險隧道之一,位于恩施市白楊坪鎮(zhèn)魯竹壩村嚴家槽—龍鳳鎮(zhèn)窯灣一帶,為2條單線隧道,Ⅰ線(左線)全長5140m,Ⅱ線(右線)全長5098m,線間距30m。隧道最大埋深360m,隧道區(qū)地表出露地層以海相沉積的碳酸鹽巖為主,巖溶洼地、落水洞、漏斗等巖溶形態(tài)遍布,巖溶強烈發(fā)育,隧道施工頻繁遭遇大型溶洞、管道、物溶蝕裂隙等不良地質(zhì)體,治理技術(shù)難度大、施工風(fēng)險高。

2 “+960”溶洞地質(zhì)條件

2.1 溶洞形態(tài)、規(guī)模

“+960”溶洞縱向長250m、橫向?qū)?0m、高58m,屬特大型半充填溶洞。其中ⅡDK204+960～ⅡDK205+030段溶洞呈扇形分布,主要發(fā)育在隧底及左邊墻以外,縱向長70m,左邊墻外橫向發(fā)育寬度0～15m,溶空洞豎向發(fā)育高度2～10m,空洞以下為塊石土、粉質(zhì)黏土夾碎石、黏土等軟弱層充填,最深達40余m。ⅡDK205+030～ⅡDK205+210段溶洞呈廊道形分布,主要發(fā)育在隧底及右邊墻以外,空洞段縱向長190m,右邊墻外橫向發(fā)育寬度0～38.3m,空洞高4～58m,空洞以下為黏土、黏土夾碎石、粗砂等軟弱層充填,黏土為軟塑狀,發(fā)育深度6～11m,隧底距溶洞頂板間灰?guī)r層厚度為3.0～9.0m。以上兩段溶洞通過隧底隱伏溶洞相連。溶洞發(fā)育平面見圖1。

圖1 溶洞平面

2.2 工程地質(zhì)條件

“+960”溶洞位于龍鳳壩背斜軸部附近,埋深約120m,地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組中段中厚～厚層微晶灰?guī)r,局部夾溶崩角礫巖,巖層產(chǎn)狀N28W/NE16°～N45W/NW20°,略有柔皺現(xiàn)象,構(gòu)造裂隙和溶蝕裂隙較發(fā)育。受節(jié)理切割影響,溶洞頂部周邊巖體破碎,局部地段洞頂附有黏土等充填物,易發(fā)生掉塊,塊體直徑1～2m。溶洞底部堆積物為黏土、黏土夾碎石,偶見大塊石,黏土為紅褐色,軟塑狀;粉質(zhì)黏土夾碎石,褐色,稍密,礫石為弱風(fēng)化灰?guī)r,呈次圓狀,粒徑2.0～3.0 cm,含量約60%;粗砂,褐色,稍密飽和,較均勻(圖2);溶洞段圍巖級別為Ⅲ級。

圖2 溶洞地質(zhì)縱斷面

2.3 水文地質(zhì)條件

“+960”溶洞處于水平逕流帶和垂直滲漏帶的接觸部位,屬早期巖溶,為古過水通道,巖溶發(fā)育高程位于地下水位之上,與現(xiàn)地下暗河系統(tǒng)、淺近排泄基準(zhǔn)面高差較大,根據(jù)區(qū)域水力坡度情況分析,地下水位在溶洞地段發(fā)育高程為520～545m(位于溶洞底板以下30～56m),雨季時承接過路水。地下水對本巖溶洞體進行豎向補給,溶洞在洞頂沿豎向裂隙補給,表現(xiàn)形式為滴滲水,排泄途徑有2條:一是通過巖溶裂隙向底部隱伏巖溶管道排泄,另外一種是通過ⅡDK205+070附近落水洞向下方集中排泄。根據(jù)降水入滲法推算,溶洞雨季最大流量為4200m3/d。從溶洞揭露以來,經(jīng)過雨季的觀測,溶洞內(nèi)無明顯積水,表明溶洞所承接的過路水通過各種渠道滲入地下,溶洞自身的排泄通道能夠滿足過水要求。

3 “+960”溶洞綜合治理

3.1 總體思路

根據(jù)“+960”溶洞形態(tài)、規(guī)模及地質(zhì)條件,按照“寧強勿弱、一次根治、不留后患”的原則進行治理,按照溶洞發(fā)育情況及其與隧道間相互關(guān)系將該溶洞分為以下3段。

(1)ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段:拱墻外空洞規(guī)模較小,采用混凝土擋墻支頂防護。隧底不規(guī)則發(fā)育多層充填溶洞,巖層破碎、充填物軟弱、隧底承載力低,充填物最深發(fā)育至隧底以下40m,為避免工后沉降,滿足后期鋪設(shè)無砟軌道的要求,隧底采用樁基承臺結(jié)構(gòu)。

(2)ⅡDK205+075～ⅡDK205+148段:拱墻以外存在隱伏巖溶空洞,局部地段與溶洞壁間巖體厚度較小,類比相似工點處理方案并借鑒相關(guān)科研成果輔以驗證,分析結(jié)論認為巖體厚度在安全范圍內(nèi),不存在整體失穩(wěn)、垮塌的可能性,故該段拱墻不做特殊處理。隧底以下存在3～9m厚的中厚層灰?guī)r,巖層完整性較好,巖層以下為5～11m厚的黏土層,承載力較低,且充填物頂面與巖層底面間存在空隙,為避免工后沉降,確保運營安全,需要改善隧底黏土層承載能力。經(jīng)過多種方案比選,最終選定為隧底鋼管樁注漿加固。

(3)ⅡDK205+148～ⅡDK205+210段:拱墻與周圍溶洞間距離大于15m,圍巖穩(wěn)定性較好,不需做特殊處理;隧底局部發(fā)育相對封閉的空溶洞,空洞與隧底間存在5～8m厚的巖層,采用混凝土回填處理。

3.2 治理措施

3.2.1 溶洞監(jiān)測及防護

為確保溶洞處理施工安全,溶洞揭示后,需要加強溶洞頂部穩(wěn)定性及圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)監(jiān)測,設(shè)置監(jiān)測點,監(jiān)測溶洞頂部危石松動及頂板位移、變形情況及圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài);根據(jù)施工需要,對工程活動影響范圍內(nèi)的洞壁危石進行清理,清危后,對溶洞壁及孤立巖體采用噴錨網(wǎng)防護,網(wǎng)噴C20混凝土厚15cm, φ6mm鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格為25cm×25cm,φ22mm砂漿錨桿長6.0m,間距1.5m×1.5m,必要時設(shè)置I16型鋼鋼架嵌補。

3.2.2 ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段

該段隧道拱、墻外溶洞發(fā)育寬度小于3m處采用C20混凝土回填;拱、墻外溶洞發(fā)育寬度大于3m處施作3m厚C20混凝土護墻,當(dāng)護墻基礎(chǔ)為溶洞充填物時,為確保護墻基礎(chǔ)穩(wěn)定,充分發(fā)揮支頂效果,在護墻底部(隧底高程處)設(shè)置1.0m厚C20混凝土縱梁,縱梁內(nèi)設(shè)置I18縱向型鋼,橫向間距0.5m,縱梁基底采用φ108mm鋼管樁注漿加固至基巖面以下0.5m,間距1.0m×1.0m。ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段隧底基礎(chǔ)采用樁基承臺結(jié)構(gòu),承臺為2.5m厚C20混凝土,共分為4節(jié),樁基礎(chǔ)采用樁徑1.25m的鉆孔灌注樁,樁間距4.34m×3.0m(橫向×縱向),樁長6.5～42m,每排布置兩根,沿線路方向共布置37排,共計74根樁。為滿足運營期溶洞排水需要,在樁基承臺段每節(jié)承臺下預(yù)埋1根直徑1.0m鋼筋混凝土圓管作為基礎(chǔ)下排水通道,將溶洞過路水引至ⅡDK205+070附近線路右側(cè)落水洞。該段隧道結(jié)構(gòu)采用加強型復(fù)合式襯砌,初期支護采用20cm厚網(wǎng)噴混凝土,根據(jù)溶洞發(fā)育情況局部設(shè)置I16型鋼架,二次襯砌采用40cm厚C35鋼筋混凝土。襯砌結(jié)構(gòu)見圖3,溶洞處理典型斷面見圖4。

圖3 溶洞段襯砌斷面(一)(單位:cm)

3.2.3 ⅡDK205+075～ⅡDK205+148段

拱墻外巖層安全距離預(yù)測:溶洞右側(cè)邊墻外存在隱伏巖溶,為了確定隧道開挖后邊墻與溶洞壁之間巖層穩(wěn)定狀況,是否會發(fā)生失穩(wěn)、垮塌等安全隱患,在經(jīng)驗類比的基礎(chǔ)上,參照相關(guān)研究成果,對該段的巖層安全厚度采用數(shù)學(xué)模型進行安全厚度預(yù)測。

式中 A——圍巖水平;

λ——圍巖側(cè)壓力系數(shù);

D——溶洞跨度,m;

R——溶洞高跨比;

H——隧道埋深,m;

k——安全系數(shù);

S——隧道與溶洞間的臨界安全距離,m。根據(jù)溶洞發(fā)育情況本段共選?、駾K205+102、ⅡDK205+130、ⅡDK205+138三個典型斷面,將各斷面設(shè)計參數(shù)輸入式(1),計算結(jié)果見表1。

圖4 溶洞段處理典型橫斷面(一)

表1 “+960”溶洞典型斷面邊墻外安全距離預(yù)測結(jié)果

以上計算結(jié)果表明,隧道拱墻周圍巖體厚度均在安全距離范圍內(nèi),該段拱墻外溶洞不需做特殊的加固處理,但是考慮到溶洞處理時部分工程需要在溶洞內(nèi)完成,為了確保施工安全,避免洞壁掉塊等事故的發(fā)生,對局部施工活動范圍做必要的錨噴網(wǎng)防護,同時,施工中應(yīng)嚴格采用控制爆破技術(shù),減小對洞壁的擾動,避免引起溶洞規(guī)模的進一步擴大,影響隧道安全。

為確保長期隧道運營安全,本段隧底采用φ108mm鋼管樁注漿加固隧底溶洞填充物及其與巖層之間的空隙,提高隧底承載能力。鋼管間距2.0m×2.0m,嵌入基巖深度不小于0.5m,注漿材料為0.6∶1～1∶1水泥漿,注漿壓力1.5～2.0MPa,對局部隧底巖體倒懸拖空處采用混凝土回填支頂。隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌,初期支護采用20cm厚網(wǎng)噴混凝土,根據(jù)溶洞發(fā)育情況局部設(shè)置I16型鋼架,二次襯砌采用40cm厚C35鋼筋混凝土。襯砌結(jié)構(gòu)見圖5,溶洞處理典型斷面見圖6。

圖5 溶洞段襯砌斷面(二)(單位:cm)

圖6 溶洞段處理典型橫斷面(二)(單位:cm)

3.2.4 ⅡDK205+148～ⅡDK205+210段

該段隧底發(fā)育空洞規(guī)模較小,對隧底空洞采用C20混凝土回填。根據(jù)溶洞發(fā)育情況,為隧底回填混凝土施工需要,在ⅡDK205+190隧道線路中線處設(shè)置1處施工豎井,內(nèi)凈空直徑1.5m,豎井采用20cm厚C20混凝土護壁,必要時設(shè)置鋼圈梁支撐,回填前應(yīng)清除溶洞內(nèi)積水,并對原底部充填物進行平整、夯實。隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌,襯砌結(jié)構(gòu)見圖5,溶洞處理典型斷面見圖7。

3.2.5 “+960”溶洞施工次序

圖7 溶洞段處理典型橫斷面(三)(單位:cm)

溶洞頂板清危及防護→溶洞段隧道初期支護→ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段樁基承臺施工→ⅡDK205+148～ⅡDK205+210段隧底溶洞回填→ⅡDK205+075～ⅡDK205+148段鋼管樁注漿→溶洞段隧道二次襯砌。

4 結(jié)語

(1)魯竹壩2號隧道“+960”溶洞為宜萬鐵路隧道施工中遭遇的半充填溶洞的典型代表,溶洞伴線路發(fā)育,規(guī)模巨大,地質(zhì)情況復(fù)雜,設(shè)計、施工難度大、質(zhì)量要求高,目前該溶洞處理已全部完成,隧道結(jié)構(gòu)安全、可靠,工程實踐效果較好。

(2)結(jié)合該溶洞的發(fā)育特點,在工程類比的基礎(chǔ)上,率先采用了宜萬鐵路科研中有關(guān)安全距離預(yù)測方面的成果,發(fā)揮了科研成果指導(dǎo)設(shè)計施工的作用,為設(shè)計方案的正確決策提供了重要的技術(shù)支撐。

(3)軟塑狀黏土等不良地層段的隧道基底處理是該溶洞的另一顯著特點,該溶洞的處理嚴格按照“一次根治、不留隱患”的原則。根據(jù)具體段落發(fā)育情況,有針對性地采取了樁基承臺和鋼管樁注漿加固方案,前者有效控制了隧底沉降;后者充分發(fā)揮了隧底巖層的承載能力,輔以適當(dāng)?shù)淖{加固,同樣保證了隧道結(jié)構(gòu)的長期運營安全。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.宜萬鐵路宜昌東至涼霧段一次復(fù)線新建工程施工圖·魯竹壩2號隧道[Z].武漢:2006.

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程魯竹壩2號隧道ⅡDK204+960～ⅡDK205+210段溶洞處理Ⅰ類變更設(shè)計施工圖[Z].湖北恩施:2008.

[3] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.宜萬鐵路巖溶地區(qū)隧道災(zāi)害防治技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究-課題研究總報告[R].武漢:2009.

[4] 北京交通大學(xué).溶洞、暗河地段隧道的結(jié)構(gòu)型式和施工技術(shù)研究成果報告[R].北京:2009.

U452.2+7

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2010 -05 -10

劉 彬(1963—),男,高級工程師,1985年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院。