宜萬鐵路下村壩隧道大型半充填溶洞處理技術

趙玉龍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

宜萬鐵路東起湖北宜昌，西至重慶萬州，全長377 km，共分布 118座隧道，總長 226.7 km。全線70%地段位于碳酸鹽地區，巖溶發育，地下水豐富。下村壩隧道為宜萬鐵路26座二級風險隧道之一，屬深埋巖溶隧道，施工中揭示大型溶洞2處，小型溶洞50余處，溶洞類型以空溶洞、充填及半充填溶洞為主，形態變化多樣。“+615”溶洞在大型半充填溶洞中很具有代表性，溶洞規模大、頂部大塊危巖鑲嵌、底部軟塑狀黏土充填，隧道在溶洞中部穿越，溶洞處理難度大。

1 隧道概況［1］

宜萬鐵路下村壩隧道位于恩施市白果壩鎮，全長1 975 m，隧道進口里程DK236+088，隧道出口里程DK238+063，雙線隧道，線路縱坡16.2‰，隧道最大埋深300 m。隧道區地表溶溝、溶槽較發育，局部發育溶蝕洼地、漏斗及落水洞。隧道穿越地層為奧陶系下統南津關組及寒武系上統耗子沱群白云質灰巖、灰巖局部含灰質白云巖等可溶巖地層，巖溶發育。隧道正常涌水量3 507 m3/d，最大涌水量21 857 m3/d。

2 溶洞規模及地質特征［2］

2.1 溶洞規模

下村壩隧道大型半充填溶洞——“+615”溶洞沿線路縱向發育里程為 DK236+565～DK236+615，長50 m;垂直線路方向從左邊墻發育至右邊墻外18 m;豎向向上發育至軌面以上最大高度30 m，向下發育至軌面以下最大深度18 m。溶洞發育平面見圖1。

圖1 “+615”溶洞發育平面

2.2 地質特征

溶洞段地層為寒武系上統耗子沱群白云質灰巖、灰巖局部夾灰質白云巖，灰白色、深灰色，節理裂隙較發育，中厚 ～厚層狀，巖層產狀:165°～178°∠ 8°～23°。主要存在兩組節理:(1)節理面產狀:305°∠87°，間距 0.3 條/m，裂隙寬 1 ～2 mm，縫內無充填;(2)節理面產狀:55°∠61°，間距0.8條/m，裂隙寬5 ～10 mm，縫內無充填。溶洞段隧道埋深200 m左右，地表溶溝、溶槽較發育。該段隧道圍巖層面較緩，拱頂易坍落、掉塊。

“+615”溶洞為大型塊石鑲嵌并伴有黏土、塊石土充填、半充填型的溶洞。該溶洞的發育受節理控制明顯。溶洞底部及右邊墻局部地段充填軟塑狀黏土以及松散～稍密的碎石土。溶洞局部有滲水，暴雨時右邊墻局部地段有巖溶裂隙水出現，水量15 m3/h;左邊墻附近也有少量巖溶裂隙水出現。溶洞內的巖溶裂隙水清澈，水量季節性明顯，干旱時無水，暴雨時水量較大。溶洞揭露后右側邊墻外軟塑黏土局部滑坍，溶洞右側坍塌體旁發育1處消水洞，長約4 m，寬2～3 m，垂直向下發育。巖溶裂隙水可考慮引入該消水洞中排放。

2.3 拱頂巖體穩定性評價

溶洞頂部巖體在未采取加固措施的情況下，處于暫時穩定狀態，但存在掉塊5 m×4 m×2 m的可能性。

3 溶洞處理技術

為確保隧道施工及運營安全，根據溶洞發育規模及地質條件，采取“拱部回填穩定危巖、隧底樁基承臺結構跨越溶洞、洞身加強型復合式襯砌結構”的綜合處理技術［2］。溶洞處理縱斷面見圖2。

圖2 溶洞處理縱斷面(單位:m)

3.1 溶洞防護［8-10］

溶洞揭示后，為確保施工期作業人員及機械設備安全，需對溶洞進行必要的監測及防護。溶洞監測項目主要為頂板的穩定性、洞壁危巖的松動情況以及局部溶洞充填物的滑坍發展情況。溶洞防護施工需要在各項監測穩定的前提下進行，主要包括清除溶洞頂部影響施工安全的危石，對溶洞頂部進行必要噴錨網防護，隧道右側滑坍體坡腳砂袋碼砌反壓。

噴錨網防護范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，必要時在危石處設鋼架支撐，鋼架需與圍巖密貼，并與錨桿有效焊接。噴錨網參數為:φ32 mm錨桿，長4～6 m，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置;C20網噴混凝土，厚15 cm;φ8 mm鋼筋網，網格為20 cm×20 cm。滑坍坡腳采用砂袋碼砌，高3 m，厚1.5 ～2.0 m。

3.2 隧道結構

3.2.1 隧道結構計算［3，6］

溶洞段擬定二次襯砌采用60 cm厚C35鋼筋混凝土結構，采用SAP84 V6.5軟件計算，二次襯砌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。

護拱產生的豎向荷載均按5×23=115 kN/m2考慮，根據溶洞發育特征及其與隧道的空間關系確定拱部圍巖(可能的松動危石)產生的豎向荷載，隧道左側按5×23=115 kN/m2考慮，隧道右側按10×23=230 kN/m2考慮;由于拱部回填后，危石不存在墜落沖擊的情況，故不考慮落石沖擊荷載;圍巖側壓力系數取0.15;拱墻彈性反力系數取800 MPa/m，承臺彈性反力系數292 MPa/m;結構自重及列車荷載均按規范選取。計算模型共劃分38個單元，圍巖彈性抗力采用壓彈簧模擬。隧道二次襯砌計算軸力圖、彎矩圖分別見圖3、圖4。

圖3 二次襯砌計算軸力圖

圖4 二次襯砌計算彎矩圖

計算顯示，隧道的拱頂、拱腰以及墻腳是受力薄弱部位。二次襯砌彎矩主要發生在拱部與墻腳處，二次襯砌軸力分布相對比較均勻，最小的軸力出現在拱頂，最大軸力出現在邊墻拱腳處。二次襯砌內力及配筋設計見表1。

表1 二次襯砌內力及配筋

根據計算結果，溶洞段隧道二次襯砌主筋選用φ25 mm HRB335鋼筋，縱向間距125 mm，結構安全系數滿足規范要求。

3.2.2 襯砌結構確定［3，4，6］

經理論計算并借鑒類似工程處理經驗，溶洞段(DK236+569.8～+605)隧道結構采用曲墻平底形式。支護參數確定為:初期支護采用25 cm厚C20網噴混凝土，內置I20型鋼架，鋼架間距根據溶洞發育情況危石段0.5 m/榀，空腔地段1 m/榀。為保證初期支護鋼架基礎穩定，在隧底為溶洞地段(DK236+575～+590)的初期支護墻腳外設置兩道型鋼混凝土縱梁，縱梁截面為1 m×1 m，縱梁底部設置3榀I18型鋼，縱梁兩端支承于基巖的長度不小于1.5 m，縱梁下方溶腔充填物處采用鋼管樁注漿加固。鋼管樁采用φ108 mm，壁厚9 mm熱軋無縫鋼花管，下端嵌巖深度不小于50 cm，上端伸入縱梁50 cm，縱向0.5 m設1處，每處2根，橫向間距0.5 m。注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5 MPa，注漿后，鋼管中填充 C20混凝土，增強抗彎能力。溶洞段拱墻二次襯砌采用60 cm厚C35鋼筋混凝土，底板采用60 cm厚C35鋼筋混凝土;隧道二次襯砌環向主鋼筋采用φ25@125 mm，縱向鋼筋適當加強。溶洞段隧底結構見圖5，隧底為基巖段隧道結構見圖6。

圖5 溶洞段襯砌斷面(適用于隧底為溶洞段)(單位:cm)

3.3 隧底溶洞處理

3.3.1 樁基承臺設計［5］

(1)為保證隧道長期運營安全，DK236+569.8～+590.2段隧底采用樁基承臺結構，共設置 24根φ1.25 m的C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長6.5～23 m，縱向間距 3.6 m，橫向間距 3.3 m，橫向每排 4根，縱向設置6排。溶洞段隧道結構對下部樁基承臺的荷載為:N=3 758 kN/延米(軸力、豎直向下);M=490 kN·m/延米。經計算，最大樁頭軸力為4 806.65 kN;最大控制彎矩為-183.62 kN·m，據此確定樁橫截面配筋參數為φ20 mm HRB335鋼筋，環向間距194 mm，每截面均布18根。

圖6 溶洞段襯砌斷面(適用于隧底為基巖段)(單位:cm)

(2)樁底弱風化完整灰巖頂板厚度要求不小于6 m。樁身施工時先將承臺底以下0.5 m范圍內基巖及溶洞填充物予以清除，換填致密砂夾卵石碎石層以改善樁身受力。

(3)承臺采用 C25 混凝土，厚度2.5 m，寬12.3 m，長20.4 m。承臺頂面預留連接鋼筋與隧道結構相連，φ25 mm HRB335鋼筋，橫、縱向間距25 cm，深入承臺及上部隧道結構各50 cm。承臺開挖時利用既有隧道結構下密排鋼管樁作為擋護結構，開挖后及時噴混凝土封閉，確保施工安全。

3.3.2 溶洞處理

隧底為溶洞充填物段(DK236+575～+590)初期支護施作前先對隧底、右邊墻外溶洞填充物注漿加固［7］，注漿材料選用0.6 ∶1～1 ∶1水泥漿，注漿范圍至隧底以下5 m，φ50 mm注漿孔，間距3 m×3 m，注漿壓力0.5～1.0 MPa。隧底發育淺層溶洞段(DK236+590.2～+595)采用C20混凝土換填處理。

3.4 拱部溶洞處理

隧底、邊墻外溶洞充填物注漿達到預期效果，縱梁及初期支護施作完畢后，對隧道拱部危石及空腔部分泵送M10水泥砂漿(部分大的間隙采用C20混凝土)充填固結，使回填料與拱部危石固結為一體，達到整體穩定的效果。為保證初期支護的穩定，在初期支護拱腳、邊墻底部施作臨時橫向鋼支撐，隧道中線處設置臨時豎向鋼支撐，鋼支撐采用I18型鋼，間距0.5 m。泵送水泥砂漿(混凝土)分層進行，層厚1～2 m，最終在拱部形成5 m厚的加固圈(護拱)。回填水泥砂漿后利用回填時的預留孔，對隧道拱頂以上5～10 m范圍內的圍巖裂隙、巖溶裂隙注漿固結，注漿壓力1.0～1.5 MPa，注漿材料采用1∶1水泥漿。溶洞處理典型橫斷面見圖7、圖8。

圖7 溶洞處理典型橫斷面一(單位:cm)

圖8 溶洞處理典型橫斷面二(單位:cm)

3.5 溶洞排水措施

DK236+580處邊墻外側發育1處消水洞，溶洞處理全過程不得堵塞該消水洞，以維系溶洞原有水路，保證排水通暢，避免巖溶水蓄積影響隧道結構安全。

3.6 施工工序

(1)隧底、右邊墻外溶洞填充物注漿加固;

(2)墻腳縱梁及底部鋼管樁施工;

(3)施作初期支護(包括臨時橫向、豎向鋼支撐);

(4)隧道拱部分層泵送水泥砂漿(混凝土)及注漿加固;

(5)施作柱基礎及承臺結構;

(6)施作防水層及隧道二次襯砌。

4 結語

(1)下村壩隧道“+615”溶洞采用的拱部回填固結危巖、隧底樁基跨越溶洞、隧道結構加強等綜合處治技術工程實踐效果較好，施工及運營期結構安全可靠。

(2)此類溶洞拱部多存在危巖，傳統方法主要考慮全部清除，但“+615”溶洞拱部危巖塊體鑲嵌，全部清除難度大且施工風險高，設計采取了回填及注漿固結方案，變“危巖”為“圍巖”，解決了拱部危巖落石對隧道結構的危害，此種技術經濟合理。

(3)溶洞發育復雜多變，設計根據“一次根治、不留后患”的處理原則，對“+615”溶洞隧底充填物發育深度大、承載力低的段落，采用了樁基承臺結構，有效避免了工后沉降，確保了運營安全。

［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——下村壩隧道設計圖［Z］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2005.

［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下村壩隧道DK236+565～+615段溶洞處理I類變更設計［Z］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2007.

［3］鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵道專業設計院.TB10108—2002 J159—2002 鐵路隧道噴錨構筑法技術規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］鐵道第三勘察設計院.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［7］張民慶，彭峰.地下工程注漿技術［M］.北京:地質出版社，2008.

［8］趙玉龍.宜萬鐵路云霧山隧道“+260”高壓富水充填溶洞綜合治理技術［J］.鐵道標準設計，2010(8):111-115.

［9］苗德海，馬濤，王偉，李鳴沖.宜萬鐵路隧道工程特點及設計對策［J］.鐵道標準設計，2010(8):56-61.

［10］李鳴沖.宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術研究［J］.鐵道標準設計，2010(8):119-121.

［11］劉彬.宜萬鐵路魯竹壩2號隧道“+960”溶洞治理技術.鐵道標準設計［J］.鐵道標準設計，2010(8):107-110.