大型補給式富水泥沙塊石充填溶洞治理

張萬斌，王國軍，徐昆杰

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，重慶 401121）

0 引言

我國西南地區(qū)工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜，長大隧道在施工過程中常常遭遇煤層瓦斯、巖溶、軟巖大變形等不良地質(zhì)。巖溶作為一種常見的不良地質(zhì)條件，其規(guī)模和分布規(guī)律常具有不確定性，因此巖溶工程的設(shè)計必須采用動態(tài)的方法，才能不斷適應(yīng)各種工程情況。孫正兵[1]采用“保持既有巖溶通道通暢”的原則，對溶洞進行局部注漿；譚力[2]采用加強超前地質(zhì)預(yù)報、加強洞內(nèi)支護及溶洞注漿回填的方式，在溶洞處理中取得了良好的效果；杜凱[3]分析了“掌子面微臺階開挖+邊墻及基底超前注漿加固”的施工方案；方振華[4]研究了隧底采用樁板結(jié)構(gòu)跨越成貴鐵路大型溶洞技術(shù)，現(xiàn)場取得了良好的整治效果。

巖溶地質(zhì)復(fù)雜多變，國內(nèi)外對大型補給式富水泥沙塊石充填溶洞的研究相對較少。本文以敘大鐵路中壩隧道為工程案例，結(jié)合其地質(zhì)條件，對溶洞的處理提出可靠方案，可供相關(guān)工程參考。

1 工程概況

新建鐵路敘永至大村線線路全長約87km，采用國鐵Ⅲ級標準設(shè)計，設(shè)計時速80km/h，單線內(nèi)燃（預(yù)留電化條件）。中壩隧道位于四川省古藺縣護家鄉(xiāng)，全長4001m，隧道最大埋深為415m。

隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，洞身穿越三疊系中統(tǒng)雷口坡組（T2l）灰?guī)r、泥灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，地表多見溶洞、溶蝕凹地、漏斗、豎井、落水洞，巖溶水豐富，施工遇隱伏溶洞易發(fā)生坍塌、突水、突泥等危害，圍巖以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。隧道主要不良地質(zhì)為巖溶。

中壩隧道D9K53+613～D9K55+365段穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，該段地表巖溶較發(fā)育。由于隧道頂部存在暗河管道，正洞及平行導(dǎo)洞掌子面的溶腔水主要來自于巖溶水水平徑流帶，掌子面前方溶腔主要受到層間節(jié)理裂隙的控制而發(fā)育，即沿掌子面向隧洞出口方向斜上方展布，巖溶水主要賦存于溶洞、溶槽、溶縫及層間溶壑內(nèi)，地表多見溶洞、溶蝕凹地、落水洞、堅井。

2 溶洞情況描述

隧道D9K53+800～D9K55+350段穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（T1j）中厚層狀灰?guī)r，可溶巖段長1550m。隧道掘進至D9K55+221處揭示一大型補給式富水泥沙塊石充填溶洞，溶洞處隧道埋深約347m，處在嘉陵江組（T1j）灰?guī)r與飛仙關(guān)組（T1f）鈣質(zhì)頁巖接觸帶，施工中溶洞發(fā)生多次涌泥，其中有8次大規(guī)模涌水涌泥，累計涌泥沙量超過3萬m3，其中4次涌泥超過3000m3，最大一次涌泥達1萬m3。該溶洞涌水量基本在0.15～0.27 m3/s，降雨過后明顯增加。2013年8月25日，連續(xù)暴雨引起溶洞涌水量最大達2.3 m3/s。溶洞爆破揭開后發(fā)生較大規(guī)模的涌泥沙塊石，揭示一從右向左傾覆的直徑約25m的井狀溶洞空腔，空腔往上下發(fā)育高度及深度不明。溶洞涌泥石規(guī)律不定，雨季發(fā)生次數(shù)最多，旱季也有發(fā)生，不規(guī)律地涌泥沙塊石對施工安全造成極大威脅。

隧道正穿一大型充填溶洞（突泥沙后為半充填），推測溶洞主要成因：巖體結(jié)構(gòu)面中存在基巖裂隙水，在其作用下裂隙逐漸張開，較破碎處的灰?guī)r在水的作用下發(fā)生溶蝕，進而發(fā)生泥化，隨著一段時間的地質(zhì)作用，裂隙沿著結(jié)構(gòu)面伸展方向發(fā)育進而形成溶腔，由于中壩隧道頂部存在暗河管道，暗河的高程便是該區(qū)域地下水的排泄面，因此該溶腔與暗河相連通，而中壩隧道DK55+221處第一次涌水主要是由掌子面左上角一條陡傾裂隙所致，是主要的突水點。所以根據(jù)判斷，水位高程明顯大于隧道高程，溶腔來水屬于水平循環(huán)帶，巖溶水從隧道右側(cè)流往隧道左側(cè)[5]。

推測隧道頂部發(fā)育有一個從線路右側(cè)流往左側(cè)的暗河（圖1），暗河管道沿線地表發(fā)育的落水洞、洼地和溶蝕槽谷均是很好的匯水區(qū)域，為地下暗河的補給提供了良好的導(dǎo)水通道[6-7]。

圖1 中壩隧道D9K55+221溶洞與頂部暗河關(guān)系簡圖

經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)報和鉆探，探明溶洞發(fā)育情況。隧道正穿溶洞（突泥沙后為半充填），溶洞縱向長約28m，橫向?qū)捈s18m，上下發(fā)育高度及深度不明，溶洞水主要從線路右側(cè)往左側(cè)流出[8]。

3 溶洞治理

根據(jù)成都理工大學(xué)出具的《中壩隧道D9K55+221突水突泥災(zāi)害形成機制、環(huán)境影響及工程措施研究》和《中壩入口平導(dǎo)PD9K55+231.5段超前鉆孔補充報告》以及地勘報告，結(jié)合屢次突泥水后清方距溶洞20～30m處又發(fā)生泥水突出的情況，確定采取泄水降壓、回填、注漿、管棚支護、結(jié)構(gòu)加強、隧底樁基托梁及設(shè)泄水洞排水等措施對溶洞進行綜合治理。

3.1 泄水降壓

溶洞多次涌水及泥夾石 （涌入隧道泥石長度最大超過100m），涌泥石封堵掌子面，溶洞水不能排出，溶洞水封堵后壓力增大，直接清除涌泥石至掌子面處理溶洞的風(fēng)險極大，屢次突泥水后清方距溶洞20～30m處又發(fā)生泥水突出。因此，研究設(shè)置一平導(dǎo)泄水降壓：于掌子面后方線路右側(cè)設(shè)一平行導(dǎo)坑至掌子面溶洞，平導(dǎo)具超前探測、排水泄壓及向正洞注漿的作用。

右側(cè)平行導(dǎo)坑保持與正洞凈距10m，與正洞交點里程為D9K55+068（距正洞掌子面156m），平導(dǎo)坡度與正洞基本一致，坑底高程比正洞內(nèi)軌頂面高約1.5m，平導(dǎo)斷面尺寸4.7m（寬）×5.5m（高）。

平導(dǎo)施工至溶洞附近，施作φ108排水孔排水泄壓，將溶洞涌水引入平導(dǎo)排出。

3.2 回填

由于溶洞多次突泥水后上部為空腔，為抵擋上部孤石及涌泥掉落沖擊，在右側(cè)導(dǎo)洞D9K55+226、D9K55+231，左側(cè)導(dǎo)洞D9K55+237、D9K55+244里程處，分別設(shè)置2個輸送孔向正洞溶洞空腔范圍泵送C20混凝土進行回填（圖2），回填由大里程向小里程進行，填充高度為開挖輪廓線外5～8m范圍，回填區(qū)長度30m，平均橫斷面面積116㎡，回填混凝土量3480m3（現(xiàn)場實際回填3420m3）。

圖2 溶洞回填示意圖

3.3 注漿

由于溶洞下部多為淤泥，為加固隧道外圍巖，確保隧道安全，通過右側(cè)導(dǎo)洞向正洞溶洞段注漿加固溶洞充填物，注漿分兩段完成。由于工期要求，先于右側(cè)平行導(dǎo)洞向正洞D9K55+222～+232段進行注漿，待左側(cè)平行導(dǎo)洞施作完成后，在左側(cè)平行導(dǎo)洞向D9K55+232～+250段注漿加固（后期左側(cè)導(dǎo)洞因遇溶洞停止施工，僅采用右側(cè)導(dǎo)洞進行注漿）。注漿以水泥漿液為主，雙液漿為輔，自下而上注漿，下部和周邊加固采用雙液漿，上部固結(jié)與中部加固采用水泥漿。加固范圍為開挖輪廓線外5～8m范圍內(nèi)溶洞充填物（圖3）,設(shè)計注漿量1857.6m3；同時正洞內(nèi)盡可能往溶洞方向清除涌泥，并設(shè)置止?jié){封堵墻，實施超前大管棚注漿，根據(jù)需要實施超前帷幕注漿及開挖后徑向補注漿。

圖3 溶洞注漿示意圖

3.4 襯砌結(jié)構(gòu)加強

根據(jù)現(xiàn)場溶洞情況對隧道D9K55+219~D9K55+257段襯砌作特殊加強（圖4、圖5），二襯結(jié)構(gòu)考慮承擔(dān)40m高水土壓力設(shè)計。

圖4 溶洞段加強襯砌斷面圖

圖5 三臺階法施工方案橫斷面圖

（1）初期支護：拱墻設(shè)置長40m的φ127超前大管棚加強支護（拱部雙層管棚、邊墻單層管棚）；全環(huán)工25b型鋼鋼架1榀/0.5m；全環(huán)徑向φ42小導(dǎo)管注漿加固。

（2）二次襯砌：考慮到初支承載能力較弱，二次襯砌采用雙層襯砌，兩層襯砌厚度皆為50cm，第一層襯砌緊跟初支；隧底充填物較深，采取樁基托梁方式，底板厚度1.7m，左右縱梁2.6m（寬）×1.7m（高），左右側(cè)樁直徑1.5m，樁縱向間距6m。二襯主筋8根28mm HRB400鋼筋；縱梁主筋上側(cè)33根32mm HRB400鋼筋，下側(cè)各53根32mm HRB400鋼筋。

（3）施工方法：注漿加固完畢后取芯檢驗注漿加固效果，達到設(shè)計要求并施作完成大管棚后，破除止?jié){墻施工正洞，采用三臺階法開挖（圖5），上、中臺階設(shè)臨時橫撐，初期支護鋼架開挖后盡快封閉成環(huán)。每步開挖后施作徑向注漿φ42小導(dǎo)管注漿加固圍巖，并取芯檢驗注漿效果，確保注漿效果。

3.5 泄水洞

由于雨季溶洞涌水量最大達2.3m3/s，大大超過隧道側(cè)溝過水能力，為確保運營期間的隧道安全，將右側(cè)平導(dǎo)延伸至隧道進口作為永久排水通道。

中壩隧道施工過程中采用泄水降壓、局部充填、超前注漿等方式，施工過程中未產(chǎn)生大型突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。目前中壩隧道已竣工近兩年，隧道二次襯砌未出現(xiàn)滲漏水、裂縫等病害，表明溶洞治理取得了顯著效果。

4 結(jié)論

（1）溶洞的存在具有隱蔽性、不可預(yù)見性，巖溶突泥突水是施工過程中的重大安全隱患，在施工中應(yīng)全面開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作，探明溶洞位置、形態(tài)、巖溶分布規(guī)模、富水段落，全面開展動態(tài)設(shè)計，盡可能減少溶洞帶來的施工風(fēng)險。

（2）巖溶處理要按照“早預(yù)報、常觀測、強支護、快封閉、早襯砌”的綜合處理措施，在施工穿越富水型溶洞時，可利用超前注漿、局部注漿等方式進行注漿和堵水。

（3）根據(jù)中壩隧道施工經(jīng)驗，巖溶水處理作為溶洞治理的關(guān)鍵之一，可采用排、堵及排堵結(jié)合的治理方案進行處理，其中對于補給型溶洞，宜排不宜堵。

（4）隧道穿越水平循環(huán)帶時，襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮水壓荷載作用，加強襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

（5）類似溶洞段，多層襯砌即兩層模筑的結(jié)構(gòu)型式值得推薦，第一層襯砌（可采用格柵鋼架混凝土襯砌）緊跟初支，既為隧道開挖安全創(chuàng)造了條件，也保證了隧道永久結(jié)構(gòu)安全。