宜萬鐵路云霧山隧道“+260”高壓富水充填溶洞綜合治理技術

趙玉龍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司城建院,武漢 430063)

1 隧道概況[1]

云霧山隧道是在建宜萬鐵路 5座Ⅰ級風險隧道之一,位于恩施市白果鎮和小溪溝之間,全長6640m,全隧道為單面上坡,洞身最大埋深 800m,進口段為三線車站隧道,后過渡為 2條單線隧道。隧道穿越地層均為可溶巖,巖溶強烈發育,隧道穿越白果壩背斜和白果壩斷裂,區內發育白果壩暗河,大魚泉、小魚泉、惡水溪和洞灣管道流系統,地表遍布巖溶洼地、漏斗及落水洞,工程、水文地質條件極為復雜,施工中易發生大規模突水、突泥等工程災害,施工風險極大。

2 “+260”溶洞地質條件[2]

2.1 超前地質預測預報

云霧山隧道施工地質分級為 A+級。設計采用長距離地震波法、地質雷達、超前鉆探及超長炮孔等多種超前預測預報手段。現場施工中地震波法、地質雷達超前探測均反應 DK245+260附近存在物探異常,超前平鉆探鉆至 DK245+260附近時曾發生多次間歇性突水、突泥現象。超前鉆孔過程中累計出水量約30000m3,累計突泥量約1600m3,實測溶洞內最大水壓為 0.56MPa。

2.2 溶洞規模

溶洞在Ⅰ線(右線)隧道發育里程為 DK245+257～DK245+273,長 16m,溶洞主體部位位于Ⅰ線中線與Ⅱ線(左線)右邊墻之間,向Ⅱ線發育的規模漸小,至Ⅱ線右邊墻為 0.2～0.6m寬的巖溶裂隙,溶洞平面見圖1,超前探測顯示溶洞在隧道拱頂以上發育高度大于 11m,隧底鉆探顯示隧底以下溶洞發育深度 21m。

圖1 溶洞平面

2.3 工程地質條件

溶洞段隧道埋深約 770m,地表遍布巖溶洼地、漏斗及落水洞,該段位于白果壩背斜核部區域,并處于物探(GDP-32)異常區內,地層為寒武系下統天河板組灰巖、細晶質灰質白云巖互層,中厚 ～厚層狀,節理裂隙較發育,溶洞發育主要受張節理控制,溶洞段區域地質縱斷面見圖2。溶洞內充填物為黏砂土,含水豐富,拱頂以上主要為硬塑狀,下部靠溶洞兩側巖壁充填物為硬塑狀,中間為流塑狀,隧底溶洞充填物主要為軟塑狀黏土(旱季),雨季時溶洞充填物遇水會發生軟化現象,溶洞段圍巖級為Ⅵ級。

圖2 區域地質縱斷面

2.4 水文地質條件

巖溶發育主要受張節理及層面控制。大氣降水是溶腔巖溶水的補給源,降雨后雨水順巖溶洼地、漏斗及落水洞匯入地下,沿層面及張節理發育的各種巖溶形態徑流,向洞灣暗河方向排泄。預測溶洞最大涌水量40500m3/d,最不利水頭高度 100m。

3 “+260”溶洞綜合治理[3]

為確保隧道施工及運營安全,綜合考慮“+260”溶洞發育規模、工程及水文地質條件,按照“堵排結合、限量排放、注漿加固、綜合治理”的原則進行處理,設計中有針對性的采取了排水減壓、超前帷幕注漿預加固、超前管棚預支護、加強型復合式襯砌、隧底樁基礎等綜合整治措施。

3.1 排水減壓

為避免施工期間溶洞內蓄積高水頭,需要在施工全過程對溶洞實施排水減壓,以保證溶洞超前注漿加固效果及隧道開挖安全。在Ⅱ線ⅡDK245+246右側巖溶裂隙處預埋 3根 φ200mm鋼管作為引排水管。同時,考慮到Ⅰ線超前注漿加固時,Ⅱ線巖溶裂隙處預埋的引排水管可能會發生堵塞,在Ⅱ線ⅡDK245+250～ⅡDK245+260段右側拱墻部位增設不少于 6個φ150mm的有效排水孔,對溶洞實施排水減壓,排水孔終孔位于Ⅰ線溶腔注漿加固圈以外的溶腔內。溶洞處理施工期間隨時保持排水孔排水通暢。

3.2 超前注漿預加固

為確保施工安全,防止隧道溶洞內充填物涌入隧道從而引發突水突泥等突發性地質災害,對“+260”溶洞采用超前注漿預加固以提高溶洞內充填物自穩能力,改善其物理力學指標。

3.2.1 注漿范圍

針對該溶洞充填、水壓、發育規模等情況,同時類比相似工程處理經驗,對溶洞段(DK245+253～DK245+275)隧道開挖輪廓線外不小于 5m范圍以內充填物進行超前注漿加固。共設計超前注漿鉆孔 95孔,孔長 10～23m,注漿孔開孔直徑不小于108mm,終孔直徑不小于 90mm;孔口管采用 φ108mm,壁厚 5 mm的熱軋無縫鋼管,管長 3m,孔口管應埋設牢固,并有良好的止漿措施。超前注漿設計見圖3～圖6。

3.2.2 注漿參數和注漿材料

根據溶洞形態、規模和充填物性質,注漿設計參數見表1。

表1 注漿參數

圖3 超前注漿縱斷面(單位:cm)

圖4 超前注漿平面(單位:cm)

圖5 超前注漿開孔布置(單位:cm)

圖6 ⅡDK245+263斷面交圈

注漿材料以水泥單液漿為主,水泥-水玻璃雙液漿、超細水泥漿液作為補充,其中水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿中水泥基材料采用普通硅酸鹽水泥(強度等級不低于 42.5R),注漿材料配比見表2。注漿前首先進行注漿試驗,掌握漿液填充率、單孔注漿量、注漿壓力等信息,進一步分析優化注漿材料、漿液配合比、漿液擴散半徑、注漿終壓等參數。

表2 漿液配比

3.2.3 注漿效果檢查

對注漿過程采取 P-Q-t曲線分析法、反算漿液充填率法和抽樣取芯檢查等方法進行注漿效果檢查與評定。注漿檢查孔不少于帷幕注漿孔的 10%,檢查范圍包括整個注漿加固體(襯砌外 5m,縱向 22m);漿液填充率必須達到 80%以上;檢查孔進行注漿,壓力應很快上升,且進漿量很少;檢查孔應無流泥、成孔好、無塌孔,涌水量小于 0.2L/m?min。

3.3 超前管棚注漿預支護

DK245+253～DK245+275超前注漿施工完成并達到效果后,對該段采用超前長管棚注漿預支護,結合溶洞發育情況,管棚設置范圍為隧道左側拱、墻部位,環向間距 0.2m,管棚長 22m,采用 φ108mm熱軋無縫鋼花管(壁厚 9mm),每根鋼管內設 3根 φ16mm通長鋼筋形成鋼筋籠以增強管棚剛度,管棚注漿結束后,采用 M10水泥砂漿封孔。

3.4 隧道結構

3.4.1 結構計算[3～4]

選取 DK204+260斷面為計算斷面,采用 SAP84 V6.5計算軟件,二次襯砌拱、墻采用彈性梁單元模擬,圍巖對墻背的抗力采用壓彈簧單元模擬,按荷載 -結構模式采用直接剛度法進行計算。

隧道左側按照深埋Ⅵ級圍巖選取荷載,右側按深埋Ⅲ級圍巖選取荷載,隧道結構周圍水壓力按最不利水頭高度 100m加載,荷載示意見圖7。隧道左側彈性反力系數取 K=100MPa/m;右側取 800MPa/m;隧底承臺取 200MPa/m,單元長度按 1m劃分,共劃分為33個計算單元。

圖7 荷載示意

經程序計算所得二次襯砌彎矩圖見圖8、二次襯砌軸力圖見圖9。

圖8 彎矩圖(單位:kN?m)

根據二次襯砌內力計算結果,選取隧道拱部、邊墻、隧底三處中受力最大的截面進行配筋檢算,配筋檢算結果見表3。

表3 配筋檢算

按以上配筋參數對二次襯砌進行結構安全性檢算,得出的安全系數均大于 2.0,滿足規范要求。

3.4.2 襯砌斷面

經過以上理論計算,并借鑒類似工程的相關經驗,溶洞段最終確定為 25cm厚初期支護,初期支護內置全環 I20型鋼鋼架,鋼架間距 0.5m;75cm厚 C35防水鋼筋混凝土二次襯砌的加強型復合式襯砌結構。溶洞段襯砌斷面見圖10。隧道拱墻二次襯砌環向主鋼筋采用 φ25mm@125mm,隧道底板二次襯砌環向主鋼筋采用 2φ22mm@125mm。

圖10 溶洞段襯砌斷面(單位:cm)

3.5 隧底處理

“+260”溶洞段 DK245+256.5～DK245+268.5段隧底溶洞充填物主要為軟塑狀黏土,最深處發育至隧底以下約 21m。該段隧底采用樁基礎結構,共設置12根(4排,每排 3根)φ1.25m的 C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁間距橫向 2.63m,縱向 3.2m,樁長 9.5～26.5m,襟邊距離 1.2m。

3.6 隧道防排水系統

溶洞段采用“堵排結合、限量排放”的防排水設計原則。二次襯砌拱墻背后設置 EVA防水板(加土工布),環向采用 φ50mm透水管盲溝,每 5m設 1環;洞內側溝泄水孔高程處設 φ100mm透水管盲溝,防排水斷面示意見圖11。溶洞段施工縫處設置 2道防水,在防水板與二次襯砌之間設置外貼式橡膠止水帶,內側設置復合式鋼板止水帶,施工縫防水構造見圖12。

圖11 防排水斷面示意

圖12 施工縫防水構造(單位:mm)

為防止巖溶水縱向串流,為減少隧道周邊地下水由高水壓區段向低水壓區段的縱向竄流,確保結構及運營安全,在溶洞段兩端隧道結構變化處設置阻水榫。阻水榫尺寸 1.0m×1.0m,阻水榫采用 C35防水混凝土。阻水榫設置處取消環、縱向透水盲管及防水板。

3.7 施工方法

溶洞段采用短臺階法施工,每循環進尺控制在 1m以內,施工中采用微振動控制爆破技術,盡可能減少開挖對注漿加固體及周邊圍巖的擾動。每工序開挖完成后及時施做初期支護,并盡快封閉,在隧道大跨處、軌道面高程處設置臨時仰拱。同時加強初期支護及圍巖的監控量測工作,及時根據監測情況調整支護結構措施。

4 結語

(1)云霧山隧道“+260”高壓富水充填溶洞已于2009年 5月全部處理完成,截至目前已經過多次強降雨的考驗。實踐證明設計遵循的“堵排結合、限量排放、注漿加固、綜合治理”的處理原則是正確的;排水減壓、超前注漿預加固、超強管棚預支護、加強型復合式襯砌結構、樁基礎等多種處理措施的綜合運用是安全的、可靠的、合理的。

(2)水害是高壓富水溶洞施工風險的源頭,該類溶洞治理的根本是治水。排水減壓的有效實施使得施工全過程溶洞處于低水壓狀態,減小了溶洞充填物注漿難度,有利于提高注漿效果;在排水減壓的前提下有針對性地對巖溶發育處進行超前注漿預加固,大幅提高了溶洞充填物的自穩能力,有效地規避了溶洞突水、突泥等巖溶地質災害的發生,保證了施工安全。

(3)考慮到該溶洞隧底充填物為軟 ～流塑狀黏土且發育較深,隧底處理時采用的樁基礎結構可以避免工后沉降等運營期病害,確保隧道長期運營安全。

(4)充分利用枯水季節洞外降雨量小,溶洞補給量有限的有利條件進行溶洞段開挖施工,對順利通過該溶洞起著重要的作用。

(5)高壓富水充填溶洞的處理存在很大的施工風險,稍有不慎就會造成不可估量的生命、財產損失,攻克隧道穿越高壓富水充填溶洞這一難題必須建立在準確的地質判釋、合理可行的設計措施、周密的施工部署之上,方可確保全過程萬無一失。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖-云霧山隧道設計圖[Z].武漢:2004.

[2] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段云霧山隧道 DK245+247～DK245+285段溶洞處理Ⅰ類變更設計[Z].武漢:2009.

[3] 北京大學.SAP84微機結構分析通用程序用戶手冊(版本 6.5)[M].北京:2005.

[4] TB10003— 2005 J449—2005,鐵路隧道設計規范[S].