新橋隧道填充式溶洞處治方案研究

林永鵬

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 工程概況

隨著巖溶地區新建隧道逐漸增多,巖溶隧道施工過程中也暴露出一些問題。新橋隧道位于貴州省安順市關嶺縣上關鎮丫口田、拉坡、坡料一帶,呈近南-北向展布。該隧道為分離式+小凈距隧道,左線長1305m,右線長1305m,為長隧道。建筑限界凈空10.25m×5.00m(寬×高);六枝端、安龍端均采用削竹式洞門。隧道圍巖以中風化灰巖、中風化泥灰巖為主,溶洞區巖性為泥灰巖,溶洞縱向分布范圍為YK43+152.5～YK43+194.5,具體見表1。文章對新橋隧道填充式溶洞處治方案進行研究,并制定針對性處治方案,以期為相關工程實踐提供參考。

2 現場基本情況

新橋隧道施工方向為六枝端向安龍端單向開挖。2022年3月28日,隧道右洞施工至YK43+164.5時,掌子面處揭露全充填型溶洞,充填物為黃褐色黏土混碎石及灰褐色可塑黏土,有輕微滲水現象,現場照片見圖1。通過對該樁號所處位置原地面進行調查,原地面未發現裂隙及裂縫現象。隧道左洞開挖時未見溶洞,目前隧道左洞掌子面樁號為ZK43+450。左洞施工未受右洞不良地質影響。

3 原設計地質情況

YK43+120～YK43+270段圍巖主要為:

(1)②3中風化灰巖:節理裂隙較發育,巖石Rc值取48.47MPa,Kv值取0.38。

(2)③3中風化泥灰巖:節理裂隙較發育,巖石Rc值取25.85MPa,Kv值取0.45。

(3)④3中風化泥質白云巖:節理裂隙較發育,巖石Rc值取22.42MPa,Kv值取0.42。地下水以巖溶裂隙水為主,水量隨大氣降水量及節理裂隙變化而變化,圍巖富水性不均一,透水性較弱。

洞身處圍巖為較軟巖-較堅硬巖,巖體較破碎,結構面較發育,結合一般,鑲嵌碎裂結構。②3灰巖地下水修正系數K1=0.5,軟弱結構面取K2=0.5,不存在高應力K3=0,計算[BQ]=240.4,屬Ⅴ級圍巖。③3泥灰巖地下水修正系數K1=0.5,軟弱結構面取K2=0.5,不存在高應力K3=0,計算[BQ]=190.1,屬Ⅴ級圍巖。④3泥質白云巖地下水修正系數K1=0.5,軟弱結構面取K2=0.5,不存在高應力K3=0,計算[BQ]=172.26,屬Ⅴ級圍巖。

YK43+120～YK43+150段支護襯砌類型為S-Ⅴc型,YK43+150～YK43+270段支護襯砌類型為S-Ⅴb型,具體支護參數詳見表2。以上段落隧道埋深為77～85m,YK43+164.5處隧道埋深約77m。

表2 隧道襯砌主要支護參數表

4 補充勘察主要成果

(1)溶洞縱向分布范圍為YK43+152.5～YK43+194.5(當前掌子面樁號為YK43+164.5),為填充式溶洞。隧道仰拱底部填充物厚度約為2.5～7.5m;隧道拱頂填充物厚度約為5.3～20m;隧道側邊墻填充物寬度約為2.0～7.5m。

(2)根據已查明地質條件,溶洞附近地層為三疊系中統關嶺組第二段(T2g2)泥灰巖,呈灰色,泥質結構,層狀構造,節理裂隙較發育,巖體較破碎,結構面較發育,結合一般,巖層產狀為50∠42°,溶洞內充填物主要為黃褐色黏土混碎石([fa0]=130kPa,[qik]=55kPa)及灰褐色黏土([fa0]=130kPa,[qik]=40kPa),隧道仰拱底部存在軟弱基礎,基底承載力小于250kPa,難以滿足隧道建設及運營需求。

(3)該溶洞水源主要為大氣降水及基巖裂隙水,溶洞與地表溶蝕洼地存在聯通性,強降雨、持續降雨等極端天氣下有發生突泥涌水的可能。

5 溶洞處治方案

根據溶洞分布特征,溶洞處治應從兩方面考慮:①隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法;②隧道仰拱以下部分穿越溶洞的施工方法(軟基處理)。

5.1 隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法

(1)將新橋隧道右線YK43+164.5～YK43+189.5段支護襯砌類型由S-Ⅴb型調整為S-Ta型;S-Ta型襯砌的系統鋼花管調整為φ25中空注漿錨桿,L=4.5m,間距50cm×80cm(縱×環),梅花形布置。

(2)在YK43+164.5處設置護拱(導向墻),護拱采用80cm厚C25噴射混凝土,縱向長度為2m,護拱內預埋φ127cm×4mm孔口管用于后續管棚支護;架設I20b工字鋼,間距0.4m;管棚長度25m,采用φ108mm×6mm熱軋無縫鋼管,要求確保打入基巖不小于5m。

(3)在初期支護鋼拱架上、下臺階分界處以及邊墻腳打設鎖腳鋼花管(φ108mm×6mm熱軋無縫鋼管),每處4根,要求確保打入基巖不小于0.5m。

(4)施工方案采用臨時仰拱環形開挖預留核心土法施工[1]。

5.2 隧道仰拱以下部分穿越溶洞的施工方法(軟基處理)

按照軟基深度可劃分為兩段:①YK43+152.5～YK43+169.5段,該段隧底軟基深度為2.5～3.5m,可直接采用碎石換填處理。②YK43+169.5～YK43+194.5段,該段隧底軟基深度為4.0～7.5m,處理深度及范圍較大,需要制定比選方案,進行技術和經濟性論證。

5.2.1方案1

(1)在YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部設置60cm厚C30鋼筋混凝土板,混凝土板與仰拱之間的空隙采用C25素混凝土填滿。

(2)對YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的軟弱基礎采用鋼管樁注漿加固,鋼管樁采用φ108mm×6mm注漿鋼花管,間距1.0m,梅花形布置。圖2為該方案鋼管樁示意圖。

圖2 方案1鋼管樁示意圖

5.2.2方案2

(1)對YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的軟弱基礎采用素混凝土樁加固方案。

(2)對于隧道的基底打設,可采用機具矮小的鉆機施工素混凝土灌注樁,樁設計直徑50cm,混凝土強度C20。采用鉆孔灌注法施工。素混凝土灌注樁在平面上呈正三角形布置。根據承載力要求,估算設置間距為1.6m。如方案均按照軟基平均深度5m估算,則打設入下臥持力層不小于1m,考慮可取平均深度6m。打設后形成設計強度需要30d左右,采用鉆孔取芯檢測強度、單樁承載力等質量檢驗。

5.2.3方案3

(1)對YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的軟弱基礎采用旋噴樁處理方案。

(2)旋噴樁以高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合,形成連續搭接的水泥加固體。該方案占地面積少,機具高度僅2.5m左右,振動小,噪音較低,施工速度快[2]。

5.3 方案比選

上述方案中,隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法以及YK43+152.5～YK43+169.5隧底軟基處理措施相同,僅YK43+169.5～YK43+194.5段軟基處理方案不同。因此,針對YK43+169.5～YK43+194.5段軟基處理方案進行技術、經濟性比選,比選情況見表3。

表3 方案1、方案2、方案3技術與經濟性比選表

綜合分析可知,方案1造價略高,但便于施工,工期較短,采用Φ108mm鋼管,材料利用方便。為確保取材便利,按時完工,推薦方案1為最終處治方案。

6 結語

(1)文章所推薦方案1已成功實施,經后期持續觀測該段落二次襯砌情況,未出現開裂、變形。

(2)采用“鋼筋混凝土板+鋼管樁”跨越軟基的方案具有施工便利、工期較短、受力效果好等優點。

(3)相較于CD法、CRD法等工法,文章采用的臨時仰拱環形開挖預留核心土法具有施工便捷的優點。施工過程中,若出現初期支護開裂、變形等問題,應及時將開挖工法調整為CD法或CRD法,從而保證施工安全。