宜萬鐵路五爪觀隧道大型暗河發育特征及綜合處理技術

王 偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

宜萬鐵路全線約 70%的隧道位于灰巖地區,大部分隧道位于巖溶水的垂直循環帶和水平循環帶內,地質條件異常復雜,特別是巖溶發育規模、多樣性、突水突泥的風險程度及工程處理難度為國內外罕見,工程之艱巨、施工風險之高、環境壓力之突出居我國鐵路歷史之最,屬于世界級難題;全線隧道工程穿越主要暗河系統 20余條,隧道施工中多次遭遇暗河的主管道或支管道,若處理不當,暗河水將導入隧道,造成突水、突泥,給隧道工程造成巨大危害,并可能造成環境的破壞,五爪觀隧道穿越的五爪觀暗河是典型代表之一。

五爪觀隧道位于湖北省長陽縣高家堰五爪觀風景區內,設計為兩條單線隧道,Ⅰ線長3531m,Ⅱ線長3723m,為單面上坡,是宜萬鐵路重點控制工程之一,隧道進口段穿越長陽背斜東翼的一寬緩向斜,溶洞、暗河發育,在 DK49+298附近穿越五爪觀大型暗河,隧道洞身完全位于暗河巖溶大廳堆積的塊石、卵石等充填物中,工程條件極其復雜,加之位于五爪觀風景區內,對水文環境要求甚高,是該隧道設計、施工的關鍵和難點。

2 五爪觀暗河發育特征

2.1 暗河形態和規模

五爪觀暗河橫穿五爪觀隧道Ⅰ、Ⅱ線(圖1),暗河長度大于1000m,總體呈西北向展布,較順直,基本屬直線狀傾斜廳 -廊組合型,進口高程約為 560.75m,暗河水流出口位于五爪觀南側陡壁上,以懸掛泉(當地稱為“五爪水泉”)的形式溢出,出口高程為 489m,在西南方向有一暗河支管道,長約 187m為干洞,可入深度約 215m,洞口高程為 560.63m。暗河斷面形態多變,不規則,洞內沉積有砂卵石、黏土等,洞頂坍塌多見,巖堆高聳,發育有石筍、鐘乳石等巖溶景觀。

圖1 五爪觀暗河平面示意

2.2 暗河發育特征

2.2.1 暗河工程地質特征

五爪觀暗河系統發育在奧陶系下統南津關組地層內,構造上處在寬緩向斜的核部,沿 NW方向展布,該地帶巖層產狀平緩,NE翼為 170～210°∠6～8°,SW翼為 10～50°∠15～25°;其中縱張裂隙決定主洞的發育方向,橫張裂隙決定支洞的發育方向,質純層厚的生物細晶灰巖是暗河發育的物質基礎,縱張裂隙、橫張裂隙及層面裂隙等構造則是暗河發育的主導方向,加之地層平緩,地下水對巖石溶蝕充分,這些都是形成五爪觀暗河的有利條件。

五爪觀暗河主管道段,河面寬廣,流速稍緩,河床見有礫卵石堆積,磨圓度好;支管道為干溶洞,在洞壁處堆積了數米厚的黏土、粉土,屬地下河洪峰時堆積產物(圖2)。

圖2 暗河內堆積物

2.2.2 暗河水文地質特征

五爪觀隧道區域內地下水以碳酸鹽巖溶水為主,補給源為大氣降水,賦存于奧陶紀地層的巖溶裂隙中,為寬緩向斜富水,隧道進口段巖溶水主要以暗河及泉的形式排泄,另有少量沿巖層面或縱張裂隙形成巖溶管道,運移至溝谷邊緣,以下降泉形式在分香溪西側排泄。

該暗河匯水面積大、徑流遠、水量大,旱季流量0.6m3/s(五爪水泉),雨季流量大于 10m3/s[1](圖3)。

圖3 旱季時暗河水流

2.3 隧道穿越暗河段工程水文地質條件

五爪觀隧道穿越暗河段發育一巖溶大廳(圖4、圖5),沿隧道方向長約 80m,洞身幾乎全部位于暗河巖溶大廳堆積層中,在Ⅰ、Ⅱ線通過處暗河堆積了約 45 m厚的洞頂落石,呈巨型塊體,巖溶大廳凈空高 15m左右,洞寬 50m左右,在堆積體斜坡上,堆積有 5～8m厚的礫卵石及礫砂等,結構呈稍密狀,含泥量低,磨圓度好,可見該地下河流經距離之遠長,加之暗河水流大,流速急,可對隧道直接造成極大的危害,若處理不當,在隧道施工過程中存在極有可能發生突水突泥的危險[2～3];

圖4 五爪觀隧道暗河段縱斷面(單位:m)

圖5 五爪觀隧道暗河段典型橫斷面(單位:m)

按照降雨入滲法預測隧道正常涌水量為210372m3/d,最大涌水量達896153m3/d。

3 工程措施

3.1 處理原則

根據五爪觀暗河發育特點,結合隧道穿越段暗河巖溶大廳段工程水文地質條件,暗河段按照以下原則進行處理:

(1)應充分考慮工程的不可逆轉性和不可預見性,做到一次根治,不留后患;

(2)暗河下游為五爪觀水電站,暗河處理應維持既有水系及流量;

(3)工程措施應力求穩妥,技術可行,確保施工安全及運營安全。

3.2 處理措施

根據隧道穿越暗河段工程水文地質條件,結合巖溶大廳形態、與隧道的平立面關系,為防止隧道開挖暗河段時發生突水突泥,應提前對暗河大廳進行預加固處理;總體處理思路為:增設橫洞揭示溶洞—清除巖溶大廳內堆積物至暗河水流高程—引排暗河水—注漿加固堆積體—隧道暗挖通過。具體處理措施如下。

(1)增設橫洞

為進一步勘察暗河段工程水文地質情況,提供詳實的地質資料,并為提前處理暗河巖溶大廳段提供施工場地,確保隧道穿越暗河段施工安全、可靠,在隧道進口左側 55m處設置橫洞 1座,橫洞長 277m,如圖6所示。

圖6 五爪觀隧道暗河段處理平面示意

(2)巖溶大廳洞頂防護

橫洞揭示五爪觀暗河巖溶大廳后,為防止暗河巖溶大廳頂部掉塊落石,影響下步施工,對大廳頂部及側壁的危石進行清理,對周邊巖溶裂隙進行灌漿、支頂等方式進行處理,并采用錨噴方式進行局部加固,即φ22mm砂漿錨桿長 3～6m,C20噴混凝土厚 6～10 cm,確保下步施工安全。

(3)清理暗河堆積物

為防止隧道穿越暗河段時發生大規模突水突泥地質災害,在對暗河加固前,先清理暗河內堆積物至暗河水流高程附近(隧道開挖輪廓線外 0.5m左右),在堆積體清除過程中,邊清邊對巖溶大廳進行錨噴網防護。

(4)引排暗河水

堆積體清除至預計高程后,在巖溶大廳段施作C30鋼筋混凝土底板、設置攔水壩、引水渠將暗河水抬高歸渠引排;首先將暗河水流導向隧道小里程端,對溶洞周邊巖溶裂隙采取 C20混凝土灌注嵌補,分段施作C30鋼筋混凝土底板,并在底板上預留注漿孔;底板施作完成后,在此上修筑引水渠,將暗河水由巖溶大廳上游集中引排至下游,引水渠采取 C30鋼筋混凝土澆筑,根據暗河水流量觀測,水渠寬 5m,高 1.5m,厚 0.4 m。為了確保暗河水歸槽引排效果,在暗河大廳上游狹窄處設置寬 25m,高 2m的 C15混凝土攔水壩,攔水壩嵌入兩側基巖 0.5m,為確保攔水壩截擋水效果,攔水壩基礎采取鋼管樁注漿形成阻水帷幕,鋼管樁采取 φ76mm的鋼管,設置 3排,注漿孔間距 1.5m×1.5 m,梅花形布置,深度為進入基巖 1.0m,注漿材料采取普通水泥—水玻璃雙液漿,注漿方式采取前進式,分段長度 3～5m[4]。

(5)暗河內注漿加固

通過暗河內明流水量和五爪觀水電站水量測試分析,暗河水通過明流和暗流兩種途徑排泄,其中暗流水量占 30%左右,表明暗河堆積體內存在潛流水,為防止突水突泥,確保隧道穿越暗河堆積體時的施工安全,在對暗河明流水進行歸槽引排后,利用施作的鋼筋混凝土底板對隧道通過范圍區域進行注漿加固。

注漿范圍:Ⅰ線隧道左側 10m至Ⅱ線隧道右側12m鋼筋混凝土底板以下堆積體,注漿孔間距 2.0m×2.0m,梅花形布置,注漿孔深度 10～22m(進入基巖 1.0m),鉆孔直徑為 110mm。

注漿材料:對于暗河上、下游區域,為了控制注漿擴散范圍,采取普通水泥-水玻璃雙液漿,水泥漿水灰比為 1∶0.6～1∶0.8,水泥漿、水玻璃體積比為 1∶0.3～1∶0.4,膠凝時間 30s～1min;其他區域采取普通水泥單液漿,漿液水灰比為 0.6∶1～0.8∶1[5～6]。

注漿順序及工藝:采取分區、分序由外到內的注漿順序,每區注漿采取隔孔分序進行,第一序孔采取前進式注漿,按照定量原則進行控制,每延米注漿控制在 6 m3左右,第二序孔原則上采取袖閥管后退式注漿(若成孔困難時采取前進式注漿),按照定壓原則進行控制,終壓 1.0MPa。考慮到暗河堆積體孔隙率大,并處在動水作用下,為防止漿液被稀釋后流失,鉆孔注漿時采取大流量、多泵方式加大單孔注漿流量,確保注漿質量。

注漿結束后,對隧道開挖輪廓線外兩側各 1排注漿進行掃孔至基巖 1.0m,下入 φ108mm鋼花管,并進行注漿,確保隧道開挖時邊墻的穩定可靠。

(6)隧道開挖支護措施(圖7)

暗河巖溶大廳處理完成后,隧道從小里程方向進行施工,為防止突水突泥,暗河段采取短臺階預留核心土法進行施工,隧道暗挖前拱墻采取 φ42mm超前小導管注漿預支護,初期支護中設置 I18鋼架加強,間距0.5m/榀,并設置 I16臨時仰拱,及時封閉成環[7～8]。

暗河段采取 20cm厚 C20網噴混凝土和 45cm厚C35鋼筋混凝土襯砌結構,隧底采用 φ76mm鋼管樁注漿加固,間距 1.0m×1.0m,梅花形布置,鋼管樁嵌入基巖不小于 1.0m,注漿材料以普通水泥單液漿為主,按照定壓原則進行控制,終壓為 2～3MPa[9]。

圖7 五爪觀隧道暗河段處理典型橫斷面(單位:m)

4 暗河處理效果

2005年 1月完成暗河處理橫通道的施工揭示暗河巖溶大廳,開始暗河堆積體清方,至 2005年 3月底基本清理至設計底板高程,5月完成暗河底板鋼筋混凝土施作,同時施作導流水渠、攔水壩等導水設施,6月開始在暗河巖溶大廳進行試驗性注漿,由于受雨季的影響,7～9月份停止注漿,到 2006年 1月完成了Ⅰ線隧道區范圍內注漿加固,6月完成了Ⅱ線隧道范圍內注漿加固,通過檢查孔和物探等手段對注漿加固體進行了效果檢查,滿足開挖要求,2007年初Ⅰ線、Ⅱ線施工順利通過暗河巖溶大廳段,歷時 2年 4個月。

4.1 檢查孔情況

暗河大廳注漿加固后,在隧道內小里程方向DK49+274位置水平鉆設 2個檢查孔,孔深約 18m,經過 2天觀察,檢查孔未出現坍孔現場,出水量分別為0.011L/m?min和0.015L/m?min,小于設計允許出水量0.21L/m?min。

4.2 物探情況

采取地質雷達在暗河巖溶大廳鋼筋混凝土底板和隧道小里程掌子面對注漿加固體進行物探檢查,地質雷達測試結果表明,暗河堆積體注漿加固后較為密實,無明顯的注漿盲區。

4.3 開挖揭示情況

在隧道開挖過程中,對掌子面進行觀察,漿液充填飽滿,加固效果良好;開挖過程中無大的滲漏水現象,圍巖水平收斂變形 5～8mm,拱頂無下沉[10]。

5 結論與體會

(1)隧道穿越暗河管道時,必須進行翔實的地質勘察,查清暗河系統的規模、與隧道的空間關系、補給大小、周邊環境等發育特征,為隧道穿越暗河處理提供準確、可靠的工程地質資料。

(2)對暗河處理必須遵循“一次根治、不留后患”的原則,采取疏導、引排的方式進行處理,嚴禁堵塞,五爪觀隧道穿越暗河段通過橫洞對暗河進行歸槽引排,維持暗河既有水路的總體處理思路是十分獨到的,對類似工程具有重要的借鑒意義。

(3)五爪觀隧道穿越暗河段采取“增設橫洞→清除暗河堆積體→引排暗河水(鋪底、修筑引水渠、設置攔水壩)→注漿加固→隧道開挖支護”環環相扣的工程處理措施是十分成功的,有效控制了隧道穿越暗河時可能發生的突水突泥風險,確保了隧道施工及長期運營安全。

(4)對暗河動水條件下堆積體的注漿加固應采取分區、分序由外到內的注漿順序,定量、定壓相結合的注漿原則,充分利用枯水期進行注漿施工;注漿堵水效果檢查可采用物探和鉆孔相結合的方式,物探先行定性分析整體注漿加固效果,鉆孔直接定量分析堵水加固效果,針對可能的注漿盲區隧道開挖前應針對性的進行超前補注將或開挖后徑向注漿加固,確保施工安全。

[1] 鐵道第四勘察設計院.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖 -五爪觀隧道設計圖[Z].武漢:2004.

[2] 工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3] 中鐵二院工程集團有限公司.鐵路隧道風險評估與管理暫行規定[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[4] 艾華安.五爪觀隧道穿越暗河設計處理措施[J].鐵道工程學報,2006(4).

[5] 南 琛,張民慶.五爪觀隧道暗河段施工技術[J].巖土工程學報,2007(6):948-953.

[6] 張民慶,彭 峰.地下工程注漿技術[M].北京:地質出版社,2008.

[7] 關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2004.

[8] TB10003— 2005,鐵路隧道設計規范[S].

[9] 金強國,張民慶.圓梁山隧道淤泥質黏土充填溶洞底板鋼管樁注漿加固技術[J].隧道建設,2003(6):35-37.

[10] TB10108—2002,鐵路隧道噴錨構筑法技術規范[S].