宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術(shù)研究

李鳴沖

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術(shù)研究

李鳴沖

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

宜萬鐵路龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段大型半充填溶洞縱向長100m,橫向?qū)?00m,溶洞規(guī)模宏大、各段形態(tài)各異,隧道整個洞身均位于溶洞內(nèi)。設(shè)計(jì)采用立柱支頂與錨噴網(wǎng)結(jié)合的溶洞防護(hù)方案,防止了溶洞頂板大面積剝落、垮塌,為下部安全施工提供必要條件;根據(jù)溶洞與隧道的不同空間關(guān)系,采用了復(fù)合地基+整體結(jié)構(gòu)、單壓式結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)等特殊隧道結(jié)構(gòu);針對隧底溶洞充填物承載力偏低的問題,采用了換填、鋼管樁注漿加固及深孔注漿加固的措施,提高了承載力,減小了工后沉降。經(jīng)過2年多的連續(xù)監(jiān)測,溶洞頂板、隧道結(jié)構(gòu)均處于正常工作狀態(tài),說明處理方案安全、可靠。

宜萬鐵路;巖溶隧道;溶洞;處理技術(shù);特殊結(jié)構(gòu)

1 工程概況

宜萬鐵路龍麟宮隧道(圖1)位于恩施市白果鎮(zhèn),為雙線隧道,全長3421m,最大埋深328m,洞身位于白果壩背斜南東翼,洞身穿越寒武系上統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地層,高程位于垂直滲流帶內(nèi),位于隧道下部100m深的龍麟宮風(fēng)景區(qū)出水洞為區(qū)域最低排泄基準(zhǔn)面。

圖1 龍麟宮隧道縱斷面

隧道施工中共揭示溶洞、溶槽50余處,其中容積大于100m3的溶洞10處,容積大于1.0×104m3的大型溶洞2處,大部分溶洞位于前期勘探的物探異常區(qū)。受地下水排泄基準(zhǔn)面影響,揭示溶洞以貧水空洞、半充填溶洞為主,不聚集水壓。DK231+700～DK231+ 800段揭示大型半充填溶洞,揭示過程中溶洞頂板出現(xiàn)大面積剝落,處理過程十分困難。

目前我國學(xué)者進(jìn)行的巖溶對隧道工程的影響研究多集中在溶洞對隧道圍巖應(yīng)力場、變形場的影響,即溶洞引起的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、開裂和失穩(wěn)[1～7],而較少涉及大型溶洞內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)的研究。本文結(jié)合龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段大型溶洞處理進(jìn)行溶洞防護(hù)、特殊隧道結(jié)構(gòu)、隧底處理方案選擇的研究。

2 溶洞規(guī)模、形態(tài)、工程水文地質(zhì)條件

溶洞縱向長100m,橫向?qū)挻笥?50m,其中DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m為空洞,溶洞頂板位于隧道拱頂附近;DK231+735～DK231+ 755段隧道線路位置被巨石侵入,形成“鷹嘴”;DK231+ 755～DK231+796段溶洞頂板發(fā)育在軌面以上10～20m,隧底發(fā)育隱伏溶洞,形成溶洞大廳。溶洞規(guī)模宏大、各段形態(tài)各異,隧道整個洞身均位于溶洞內(nèi)[8]。

溶洞周邊地層為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r局部夾薄層泥質(zhì)白云巖,中厚～厚層,節(jié)理較發(fā)育。開挖揭露的灰?guī)r層厚為50～80cm,泥質(zhì)白云巖軟弱層厚度為10～20cm。由于溶洞頂部巖層傾角較小,層間發(fā)育軟弱夾層,節(jié)理裂隙較發(fā)育以及受施工振動等原因影響,溶洞頂部不穩(wěn)定,已有大塊巖石沿軟弱層面剝落,剝落層面厚度為80cm,最大面積達(dá)50m2。DK231+705～DK231+735段隧底以下9～23m為空洞,揭示后充填溶洞坍塌后形成的堆積物,局部地段存在較大塊石,塊徑1.8～2.3m。DK231+735～DK231+800段隧底以下為溶洞充填物及隧道棄砟,最深處發(fā)育至隧道以下15m[9]。

溶洞拱頂局部有滴、滲水現(xiàn)象,分析認(rèn)為該溶洞為古暗河通道,雨季時(shí)承接部分過路水,估算過路水最大流量在6000m3/d左右,向溶洞小里程方向排泄。

3 溶洞處理方案

DK231+700～DK231+800溶洞縱、橫向跨度均超過100m,揭示過程中溶洞頂板不斷出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,對現(xiàn)場施工造成很大威脅,DK231+735～DK231+755段隧道線路位置被巨石侵入,巨石下部懸空,形成“鷹嘴”,極可能出現(xiàn)整體坍塌。根據(jù)溶洞形態(tài)、規(guī)模及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,綜合考慮隧道施工及運(yùn)營安全,經(jīng)多方案比較,采用如下處理方案。

3.1 迂回導(dǎo)坑繞行(圖2)

為解決掌子面施工受阻難題,溶洞段采用迂回導(dǎo)坑繞行,迂回導(dǎo)坑長206.4m。

圖2 DK231+700～DK231+800段溶洞平面(單位:cm)

3.2 溶洞防護(hù)

由于溶洞頂板穩(wěn)定性差,不斷出現(xiàn)剝落,為保證溶洞頂板的穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)大范圍坍塌,采用“分段清危、立柱支頂、錨噴防護(hù)”的溶洞防護(hù)方案(圖3)。

圖3 溶洞立柱支頂防護(hù)

(1)采用機(jī)械逐段清除溶洞頂部可能塌落的危石。

(2)為盡量減小隧道工程活動范圍內(nèi)溶洞頂板的跨度,同時(shí)考慮防護(hù)工作是逐段進(jìn)行(每段長度5m),設(shè)計(jì)中借鑒了無梁樓蓋的設(shè)計(jì)方法,在DK231+750～DK231+800溶洞大廳段采用φ1.4m的C25鋼筋混凝土立柱支頂,根據(jù)“永臨結(jié)合”的原則,隧道左右兩側(cè)各設(shè)置2排,靠近隧道2排立柱距隧道中線9m,縱向間距6m,其余立柱根據(jù)溶洞頂板穩(wěn)定情況,必要時(shí)在距隧道中線17m處設(shè)置;立柱采用獨(dú)立基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為3m×3m×2m(長×寬×高),采用C20混凝土灌注;立柱與溶洞頂板間隙采用M10水泥砂漿壓密,確保立柱與溶洞頂板密貼。

(3)為增強(qiáng)溶洞拱頂?shù)淖猿心芰?對 DK231+ 705～DK231+800段溶洞頂板進(jìn)行錨噴網(wǎng)防護(hù), DK231+705～DK231+755段溶洞防護(hù)范圍為隧道中線外20m以內(nèi),DK231+755～DK231+800段溶洞防護(hù)范圍為隧道中線外15m以內(nèi),參數(shù)為:φ25mm自進(jìn)式錨桿,長8m,間距2.0m×2.0m;C20網(wǎng)噴混凝土15cm厚,鋼筋網(wǎng)采用φ8mm鋼筋,網(wǎng)格為20cm× 20cm。

3.3 隧底空洞段處理方案(圖4)

(1)隧底溶洞處理:DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m為空洞,溶洞揭示后,隨溶洞頂板不斷剝落及部分隧道棄砟堆填,隧底空洞已被塌落的巨、塊石堆積,空隙較大,易發(fā)生不均勻沉降,堆積體難以達(dá)到規(guī)范規(guī)定的無砟軌道工后沉降控制值。為有效控制工后沉降量,該段采用復(fù)合地基加固處理,隧道結(jié)構(gòu)下部2.0m厚采用C20混凝土填筑,其下部則采用復(fù)合地基混凝土樁加固。樁徑1.25m,樁間距2.5m,三角形布置,樁長1.24～17.06m,深入基巖不小于0.5m,樁內(nèi)填充C15混凝土,樁頂鋪0.6m的碎石墊層,其內(nèi)鋪設(shè)2層TGSG50土工格柵(樁頂以上0.2、0.5m各1層),土工格柵的極限抗拉強(qiáng)度不小于50kN/m。

圖4 隧底空洞段處理設(shè)計(jì)

(2)隧道結(jié)構(gòu):為防止隧道兩側(cè)溶洞壁剝離落石對隧道結(jié)構(gòu)造成損壞,隧道左右邊墻外施作1m厚混凝土護(hù)墻,同時(shí)考慮高填路基工后沉降的影響,隧道軌上內(nèi)輪廓在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適當(dāng)加高,采用加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌,25cm厚C25網(wǎng)噴混凝土初期支護(hù)+60cm厚C35鋼筋混凝土二次襯砌[10]。

3.4 “鷹嘴”段溶洞處理方案(圖5)

(1)穩(wěn)固“鷹嘴”:由于巨石懸空,為保證施工安全,首先在線路右側(cè)施作混凝土擋墻支頂,以起到支頂、防護(hù)效果,并將擋墻內(nèi)側(cè)巨石懸空部分采用混凝土回填密實(shí),以保證巨石不出現(xiàn)傾覆,為下一步開挖創(chuàng)造條件。

(2)隧道結(jié)構(gòu):根據(jù)侵入隧道開挖線內(nèi)巨石形態(tài)、工程地質(zhì)條件,隧道采用單壓式結(jié)構(gòu),以對巨石形成支撐的作用。

圖5 “鷹嘴”段處理設(shè)計(jì)

3.5 溶洞大廳段處理方案(圖6)

(1)隧底溶洞處理:溶洞大廳段隧道溶洞充填物分為2層,淺層溶洞充填棄砟及塊石土,下部為隱伏溶洞,充填黏土及塊石土,為提高地基承載力及減小工后沉降,DK231+755～DK231+796段隧底以下2m以內(nèi)淺層溶洞采用C20片石混凝土換填,8m以內(nèi)淺層溶洞采用φ89mm鋼管樁加固,樁間距1.0m×1.0m,注0.6∶1～1∶1水泥漿加固溶洞內(nèi)填充物,注漿壓力1.5～3.0MPa,通過混凝土換填層將鋼管樁聯(lián)為一個整體,以增強(qiáng)鋼管樁的整體穩(wěn)定性。隧底及立柱基礎(chǔ)下隱伏溶洞采用注漿加固,立柱基礎(chǔ)下采用斜孔注漿,注漿材料采用0.6∶1～1∶1水泥漿,注漿孔間距2.0m×2.0m,注漿壓力1.5～3.0MPa。

圖6 溶洞大廳段處理設(shè)計(jì)

(2)隧道結(jié)構(gòu):鑒于溶洞頂板最高處高于隧道拱頂10m,為防止運(yùn)營期間拱頂落石對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,首先在隧道拱頂設(shè)置框架結(jié)構(gòu)支頂,減少溶洞頂板跨度,后在隧道拱頂施作輕質(zhì)磚+高聚物緩沖層,高聚物具有質(zhì)輕(重度為水重度的1/10～1/20)、閉孔、承載力大、緩沖效果好等工程特點(diǎn),可以大幅度減少落石的沖擊荷載,以保證隧道運(yùn)營安全。

4 結(jié)論

龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800溶洞處理完成后即開展監(jiān)測工作,經(jīng)過2年多的連續(xù)監(jiān)測,溶洞頂板、隧道結(jié)構(gòu)均處于正常工作狀態(tài),說明處理方案是安全、可靠的,經(jīng)以上工程實(shí)踐,有如下認(rèn)識。

(1)對大跨度溶洞大廳頂板的加固,立柱支頂與錨噴網(wǎng)結(jié)合的方案技術(shù)是可行、有效的,可防止溶洞頂板大面積剝落、垮塌,為下部安全施工提供必要條件。

(2)根據(jù)溶洞與隧道的不同空間關(guān)系,設(shè)計(jì)中分別采用了復(fù)合地基+整體結(jié)構(gòu)、單壓式結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)等特殊隧道結(jié)構(gòu),可有效保證鐵路施工、運(yùn)營的安全。

(3)針對隧底溶洞充填物承載力偏低的問題,分別采用了換填、鋼管樁注漿加固及深孔注漿加固的措施,提高了承載力,減小了工后沉降,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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U452.2+7

A

1004 -2954(2010)08 -0119 -03

2010-05-17

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2003G036)

李鳴沖(1972—),男,高級工程師,1996年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地下工程及隧道工程專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:tsylmc123@126.com。