宜萬鐵路隧道巖溶規(guī)?；幹渭夹g

薛 斌,申志軍

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路隧道巖溶規(guī)?；幹渭夹g

薛 斌1,2,申志軍2

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路是目前國內外已建和在建工程中巖溶及巖溶水最發(fā)育、最復雜的工程,159座隧道中巖溶隧道占91座,采取結構措施處理的巖溶共1088處,巖溶的類型主要分為暗河、管道、貧水溶洞、富水溶洞以及裂隙和斷層,針對相同類型的巖溶,采取了規(guī)?；奶幚泶胧?主要有注漿加固、溶腔防護加固、分水降壓、釋能降壓、迂回繞避和隧底溶腔樁基、注漿、鋼管樁、加強板、拱橋等溶腔處治技術。

宜萬鐵路;巖溶隧道;規(guī)?；幹?/p>

1 工程概況

宜萬鐵路東起宜昌,西至萬州,全長377km,是我國目前在建的地質條件最為復雜的工程,線路位于云貴喀斯特高原之東北緣的鄂西山地,在流域上主要位于長江一級支流的清江流域,該流域在大地構造上屬于新華夏系第三隆起帶北北東向構造帶與長江中下游東西向構造的復合部位。區(qū)內地質構造復雜、碳酸鹽巖廣布,巖溶強烈發(fā)育,地勢陡峻、河谷深切,自然坡度一般大于30°,最高海拔1800余m,海拔最低處不足100m,相對高差一般在200～800m。

巖溶隧道分布主要集中在土城、長陽至齊岳山,該段由于碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌發(fā)育。全線隧道159座,總長約338km,巖溶隧道(隧道洞身穿越可溶巖地段)有91座,占全線159座隧道比例為57%,總長度239.349km,占全線隧道總長度的69%,其中隧道洞身位于可溶巖地層長度195.741km,占全線隧道總長度的58%。長度3km以上的巖溶隧道27座。

2 巖溶特征與分類

宜萬鐵路隧道工程巖溶強烈發(fā)育,巖溶及巖溶水極其復雜,是制約工程建設的突出問題。宜萬鐵路淺埋隧道一般都位于巖溶的垂直發(fā)育帶中、深埋隧道基本都位于巖溶季節(jié)變動帶和水平循環(huán)帶的交界部位。巖溶發(fā)育的垂向變化與水流運移交替相一致,自地表向下可分為:垂直滲流帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶和深部循環(huán)帶。垂向滲流帶以溶蝕裂隙、溶縫、管道的縱向滲流、管流為主;季節(jié)變動帶以溶洞、管道及地下河紊流為主;水平徑流帶以管道、溶隙的層流為主;飽水緩流帶以溶隙、裂隙滲流為主。巖溶水在垂直循環(huán)帶或水平循環(huán)帶內運動的過程中,常切穿各組灰?guī)r地層,匯集于各向斜軸部、背斜的兩翼、隔水巖層界面、深切溪溝等處。

根據宜萬鐵路所揭露巖溶的規(guī)模、充填情況、水文地質情況及對工程的影響情況,巖溶分為暗河、管道、溶腔、溶隙涌水(表1)。宜萬鐵路隧道工程揭示需采取工程措施的巖溶1088處,溶腔約占90%;裂隙約占3%;管道約占7%;暗河主要在野三關隧道和五爪觀隧道有揭露。從揭示溶腔的數量、規(guī)模及對工程的影響程度統(tǒng)計,宜萬鐵路隧道巖溶發(fā)育率與地表埋深的關系成反比,即垂向滲流帶巖溶發(fā)育程度高,深部循環(huán)帶巖溶發(fā)育程度低,但深部循環(huán)帶揭示的高壓富水溶腔,由于溶腔水壓高、水量大、充填介質可注性差等特點,極易發(fā)生突水突泥風險。如圖1～圖4所示。

表1 宜萬鐵路隧道揭示巖溶分類

宜萬鐵路隧道揭示大量巖溶、巖溶水地質問題,為溶腔的規(guī)模化處治提供了前提條件。在宜萬鐵路建設過程中,通過對巖溶工程的處治,形成了針對不同巖溶、巖溶水較為系統(tǒng)的處理方案。

圖1 大型富水充填淤泥溶洞

圖2 大型充填泥礫塊石溶洞

圖3 暗河水及堆積物

圖4 全充填黏土夾塊石大型溶洞

3 巖溶處治技術

宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?較為系統(tǒng)地研究了注漿、溶腔防護加固、隧底跨越、巖溶水引排、繞避迂回等技術的適用條件和技術措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法。宜萬鐵路隧道巖溶的規(guī)?；幹蔚膽煤屯茝V,推動了巖溶處治技術水平的提高,增強了決策巖溶處理方案的時效性和正確性。

3.1 注漿技術

(1)注漿技術的應用

注漿在宜萬鐵路巖溶處理中廣泛應用,應用范圍包括超前加固地層、超前注漿堵水、基底加固提高地基承載力、開挖后封堵裂隙水等。見表2。

表2 宜萬鐵路隧道巖溶工程注漿技術應用情況

(2)信息化注漿技術

全斷面帷幕注漿的基本思路是,假定地層是均勻的,設計時需要對松弛區(qū)進行注漿加固(堵水加固),而實際施工過程中,地層是不均勻的,具有不均勻的透水性,外側水壓力也是不均勻分布的。因此往往造成局部孔很難注入,對地層改良效果難以達到全斷面帷幕注漿的目的,從而增加大量的鉆孔工程量,影響施工進度,增加了工程投入。因此在注漿施工過程中,必須根據地層實際情況進行合理化設計。

宜萬鐵路通過齊岳山F11高壓富水斷層注漿研究,提出了信息化注漿技術。信息化跟蹤注漿工法是通過“分區(qū)定位、鎖定水源,外堵內固、局部加強”的手段對高壓富水地層進行堵水和加固,注漿效果好。與全斷面帷幕注漿工法相比,在注漿循環(huán)時間上可以縮短一半,工程投入上可以節(jié)省50%。信息化跟蹤注漿工法的研究是注漿技術的一次重大飛躍,它使注漿技術由原來的粗放化過渡到精細化,填補了國內外注漿技術的一項空白,具有廣闊的應用前景。

3.2 巖溶大廳溶腔防護加固

由于巖溶發(fā)育的特性、山區(qū)巖溶隧道選線的地質復雜性、選線線位的局限性(受車站位置、線路縱坡的雙重控制),隧道線位高程位于垂直滲流帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶附近時,均可能遭遇與線位相交的大型巖溶大廳,巖溶大廳一般為半充填或無充填的大型溶洞,一般無水或雨季期間承接過路水。巖溶大廳處治過程中最主要的風險源是溶腔頂部的危巖落石對施工安全的影響,由于巖溶大廳發(fā)育的不規(guī)則性、危巖落石的不確定性,極大地增加了隧道穿越巖溶大廳的處理難度和施工風險。

巖溶大廳溶腔防護的處治技術和安全注意事項如下。

(1)揭示溶腔:通過超前預報鎖定溶腔靠開挖側的溶腔界面,通過水文分析,對無水溶腔原則采用爆破揭示,爆破揭示前做好相關安全防護工作,防止隧底隱伏巖溶塌陷造成機械人員墜落。

(2)巖溶大廳初步勘測:巖溶大廳揭示后,應立即做好巖溶大廳周邊警戒工作。由于爆破對巖溶大廳的影響,原則上不應立即進入大廳內勘測。同時應停止巖溶大廳影響范圍內的爆破作業(yè),一般在巖溶大廳揭示2d后,經觀察確定巖溶頂板基本穩(wěn)定后,由少量人員(3人以下)進入巖溶大廳進行初步勘察,勘察時應做好相關安全防護措施,并選擇合理的行走線路。

(3)巖溶大廳的頂板加固與防護:根據巖溶大廳與隧道線位的空間關系,確定巖溶大廳的防護加固范圍和工程措施。

①巖溶大廳主要發(fā)育在隧頂以下高程:做好隧底防護工作,必要時可局部先回填隧底空腔形成作業(yè)平臺。

②巖溶大廳頂板位于隧頂以上:逐步推進采用機械清除隧道影響范圍溶腔頂部可能塌落的危石;對隧道范圍內巖溶大廳頂板,一般采用護墻支頂、立柱支頂以減小凌空面進行加固;對立柱支頂高度過高,可采用拱罩防護。

③輔助坑道遭遇大型巖溶大廳,一般選擇迂回繞避通過。

3.3 隧底跨越

隧底溶腔的處理方式有基底換填、注漿(鋼管樁)、板(梁)跨越、拱橋跨越、樁基承臺、路基填筑等形式,在選擇隧底處理方案時,應遵循以下3個原則:一是施工方案的風險性應小,二是施工方案的可操作性,三是盡量減少運營期間沉降的隱患。宜萬鐵路隧道巖溶工程隧底處理方案見表3。

表3 宜萬鐵路隧道巖溶工程隧底處理方案

3.4 迂回繞避

在遭遇大型溶腔時,充分認識和利用巖溶的可繞避性,合理進行施工組織安排。

(1)正線探遇大規(guī)模溶腔時,堅持兩條腿走路:一是通過超前探測探清溶腔規(guī)模和溶腔對隧道施工的影響,確定施工方案;二是綜合分析地質情況,通過超前探孔確定迂回方案,及時調整施工組織,確保工期目標的實現(xiàn)。

(2)輔助坑道探遇大規(guī)模溶腔時,應進行繞行與溶腔處理的方案比選,在不影響輔助坑道使用功能的前提下,應優(yōu)先考慮迂回繞避,以達到節(jié)約時間、節(jié)省投資的目的。

3.5 釋能降壓

針對高壓富水充填溶腔,鐵道部宜萬鐵路建設指揮部經過長時間研究和工程實踐探索,提出了釋能降壓法。經專家論證,并經野三關、大支坪、云霧山、馬鹿箐隧道高壓富水充填溶腔驗證,實現(xiàn)了高壓富水充填溶腔重大突破,保證了施工安全,節(jié)省了投資。

釋能降壓法是指在隧道施工中遇到高壓富水充填溶腔時,選擇適當時機采取有計劃、有目的精確爆破,把溶腔爆開,釋放溶腔中儲存的高壓水,削減勢能,降低泥水壓力,從而消除隧道施工中的高風險,然后進行安全清淤、加強支護、快速通過、及時施作底部結構和二次襯砌等配套處治措施,來完成溶腔段施工的一種新的施工方法。釋能降壓法包括查找溶腔、判釋溶腔、鎖定溶腔、打開溶腔、處治溶腔5個階段,在釋能降壓實施過程中,通過水文監(jiān)測、洞外排水系統(tǒng)、洞外警戒系統(tǒng)、洞內排水線路、洞內相鄰洞室分隔、洞內外預警監(jiān)控系統(tǒng)、進洞條件、進洞觀察安全撤離線路等八項專項設計的實施,確保施工安全。

釋能降壓法處理高壓富水充填溶腔是富水巖溶處治技術的思想創(chuàng)新,它突破了傳統(tǒng)的注漿法、凍結法,其技術豐富、全面、先進、可靠,是一項針對高壓富水充填溶腔處治的創(chuàng)新工法。通過宜萬鐵路多個高壓富水充填溶腔的實踐檢驗,釋能降壓法是安全的、快速的,工期和造價是合理的、科學的,它填補了國內外高壓富水充填溶腔處治技術的一項空白。

3.6 巖溶水治理技術

宜萬鐵路巖溶水系統(tǒng)類型規(guī)模不等、形態(tài)復雜、類型各異,根據控制巖溶水系統(tǒng)的地質構造以及巖溶地下水系統(tǒng)的補給、徑流、排泄條件,將巖溶地下水系統(tǒng)劃分為向斜匯水集中排泄型;向斜匯水分散排泄型;背斜匯水集中排泄型;背斜匯水分散排泄型;帶狀徑流排泄型5種類型。根據巖溶水對隧道工程的影響,按垂直滲流帶過路水(過水管道)、巖溶裂隙水、高壓富水溶腔、接通暗河水等類型進行劃分。巖溶水治理技術見表4。

4 工程案例:龍麟宮隧道DK231+796溶腔處理(龍麟宮2號溶腔)

龍麟宮隧道掌子面掘進DK231+796處,揭示一特大型溶腔,溶腔縱向發(fā)展約100m,橫向發(fā)展約150m,溶腔頂板在軌面以上10～20m,溶腔底板在軌面以下12～20m。溶腔開挖揭露的灰?guī)r層厚為50～80cm,近水平產狀,局部軟弱夾層,溶腔頂部不穩(wěn)定,有大塊巖石巖沿軟弱層面剝落。該溶腔為古暗河通道,雨季時承接部分過路水。溶腔處理方案如下。

表4 宜萬鐵路隧道巖溶水治理對策

(1)迂回導坑繞行:為解決DK231+796掌子面受阻,溶腔段采用迂回導坑繞行。

(2)溶腔防護:①采用機械清除溶腔頂部可能塌落的危石,隧道兩側8m范圍以內搭設滿堂支架頂至溶腔頂板進行錨噴網防護;②立柱支頂:溶腔大廳段采用φ1.4m的立柱支頂,根據“永臨結合”的原則,隧道每側設置2排。

(3)隧道結構:隧底空腔段(DK231+705～DK231+735)采用路基填筑+整體隧道結構;“鷹嘴”段(DK231+735～DK231+755)為控制隧道結構的不均勻沉降,右側隧底鋼管樁加固,上部采用偏壓式隧道結構;大廳段(DK231+755～DK231+796)隧底充填洞砟及深層充填型溶腔采用鋼管樁及注漿加固相結合處理措施,上部采用框架結構支頂。如圖5～圖11所示。

圖5 DK231+796大型溶腔平面(單位:cm)

圖6 溶腔頂板

圖7 溶腔落石

圖8 溶腔大廳立柱支頂

圖9 路基填筑段處理典型橫斷面

圖10 鷹嘴段處理典型橫斷面

圖11 溶腔大廳段處理典型橫斷面

5 體會

宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?研究了注漿技術、溶腔防護加固、隧底跨越技術、巖溶水引排、繞避迂回等技術的適用條件和技術措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法,為今后類似工程提供了借鑒。宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?較為系統(tǒng)地研究了注漿、溶腔防護加固、隧底跨越、巖溶水引排、繞避迂回等技術的適用條件和技術措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法。宜萬鐵路隧道巖溶的規(guī)?；幹蔚膽煤屯茝V,推動了巖溶處治技術的提高,增強了決策巖溶處理方案的時效性和正確性。

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U452.2+7

B

1004 -2954(2010)08 -0068 -04

2010 -06 -10

薛 斌(1982—),男,助理工程師,2004年畢業(yè)于西南交通大學,E-mail:tsyxb@vip.163.com。