北涯隧道巖溶工程病害分析及施工整治對(duì)策

嚴(yán)妙珍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 概況

該隧道區(qū)屬于可溶巖峰林谷地地貌。進(jìn)口端接龍江一級(jí)階地，階地面平坦開(kāi)闊，土層較厚;出口端接北涯龍江大橋跨龍江而過(guò)，江底高程174.0 m左右。隧道穿過(guò)孤立山體，龍江對(duì)山體形成半包圍狀，山體植被差，覆土薄，基巖大片裸露，巖層為二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀較為平緩，近于水平。

隧道路肩高程為204 m左右，最大埋深220 m。洞身段地表巖溶漏斗、豎井非常發(fā)育。隧道長(zhǎng)870 m，設(shè)計(jì)Ⅱ級(jí)復(fù)合襯砌段長(zhǎng)328 m，Ⅲ級(jí)復(fù)合襯砌段長(zhǎng)417 m，其余為Ⅳ級(jí)復(fù)合襯砌。

2 巖溶發(fā)育情況及臨時(shí)處理措施

隧道施工過(guò)程中共遇五處大型溶洞，影響隧道長(zhǎng)度達(dá)303 m，約占總長(zhǎng)的35%，是一處典型的重大病害工程。

2.1 一號(hào)溶洞

一號(hào)溶洞范圍為DK167+625～+647，屬于巖溶大廳形狀，近長(zhǎng)方形。線路左側(cè)距邊緣8 m，右側(cè)距溶洞邊緣25 m，隧道左右邊墻均位于溶洞內(nèi)，拱頂略高于溶洞頂。洞頂及周邊巖層較為完整，巖層近于水平;洞底為黏土夾塊石層，最厚達(dá)20 m。

溶洞段開(kāi)挖過(guò)程中未遇地下水，靠柳州端的低洼處淺溝有排水痕跡，水流總體由線路右側(cè)流向線路左側(cè)。溶洞壁見(jiàn)洪水淤積后留下的痕跡，測(cè)得其高程為198～202 m，低于隧道軌面。

2.2 二號(hào)溶洞

二號(hào)溶洞范圍為DK167+508～DK167+520。開(kāi)挖揭示本段洞身有溶洞，形態(tài)不規(guī)則，洞頂基本與隧道拱頂齊平。開(kāi)挖時(shí)洞頂上方的小溶洞口在雨后有較大水流進(jìn)入隧道，平時(shí)無(wú)水。本范圍內(nèi)巖體較為破碎，細(xì)小溶洞發(fā)育，圍巖為Ⅳ級(jí)。

從入口可進(jìn)入線路右側(cè)下方的空溶洞大廳，廳內(nèi)形態(tài)不規(guī)則，最遠(yuǎn)處距洞口約10 m，洞頂石鐘乳及底部的石筍均較發(fā)育。洞內(nèi)上方不斷滴水，局部為線狀水流，底部為塊石。洞內(nèi)最高空間達(dá)12 m，底部有排水通道，其排泄方向遠(yuǎn)離線路。

本段測(cè)量資料顯示，右側(cè)溶洞對(duì)線路影響不大，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪時(shí)發(fā)現(xiàn)溶洞內(nèi)有隧道開(kāi)挖石碴在隧道底部受力擠壓后在溶洞內(nèi)擠出，說(shuō)明隧道基底有小型溶蝕通道與右側(cè)巖溶大廳相通。

2.3 三號(hào)溶洞

三號(hào)溶洞大廳在隧道限界內(nèi)的范圍為DK167+471～DK167+488。該范圍內(nèi)溶洞頂高于隧道拱頂，右側(cè)邊緣距中線僅10 m，左側(cè)延伸至距中線約47 m后無(wú)法再測(cè)量，屬于消水口。溶洞在線路右側(cè)與隧道并行延伸，延伸段溶洞寬度約7 m，延伸段溶洞中心線離隧道中線5～12 m，洞頂高于隧道拱頂，洞底充填物高于隧底，局部充填物延伸至隧道底部。

本段溶洞平面上呈近直角形。在DK167+416～DK167+472段溶洞通道與線路并行，兩者之間巖壁比較薄，有的地方溶洞充填物延至隧道基礎(chǔ)底下。DK167+472～DK167+488段溶洞通道延伸方向與線路近于垂直，溶洞底部右高左低，原洞內(nèi)水流由線路右側(cè)向線路左側(cè)排走，線路左側(cè)洞內(nèi)有洪水淤積痕跡，說(shuō)明原洞內(nèi)左側(cè)排水口不夠通暢。

2.4 四號(hào)溶洞

四號(hào)溶洞大廳發(fā)育范圍為DK167+310～DK167+385。該溶洞對(duì)線路影響范圍大，在線路右側(cè)橫向延伸最長(zhǎng)，左側(cè)延伸至距中線25 m處時(shí)無(wú)法再測(cè)量，右側(cè)則延伸至距中線220處還未結(jié)束(測(cè)量無(wú)法再進(jìn)行)。溶洞范圍內(nèi)左右邊墻均有部分懸空。

2.5 五號(hào)溶洞

五號(hào)溶洞大廳發(fā)育范圍為DK167+175～DK167+265。由于該溶洞堆積層頂面高程較隧道拱頂高，充填物為硬塑—軟塑狀的黏土，沿線路延伸最長(zhǎng)，且隧道底部也是充填物，因而對(duì)施工的影響最大?？傮w溶洞延伸方向與線路交角約60°，右側(cè)邊界距中線約55 m，左側(cè)邊界距中線約100 m。

整個(gè)隧道斷面均為溶洞充填的軟塑—硬塑狀紅黏土。

3 巖溶特征分析

3.1 環(huán)境特征

本區(qū)山體具備巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的條件。首先，二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r質(zhì)純、層厚、粒粗，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，洞體規(guī)模大。其次，本段巖層產(chǎn)狀為水平或緩傾，地下水以水平運(yùn)動(dòng)為主，巖溶形態(tài)主要是水平溶洞。最后，龍江在山體附近流過(guò)，其下切或堆積的過(guò)程控制了巖溶的發(fā)展，對(duì)山體巖溶的形態(tài)及規(guī)模影響極大。

最初本地區(qū)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的地殼抬升、龍江長(zhǎng)時(shí)間下切的過(guò)程(下切深度達(dá)高程162 m以下，與巖溶最低發(fā)育高程相對(duì)應(yīng))。山體周?chē)膸r層受到充分溶蝕，峰林谷地地貌初步形成，同時(shí)在山體內(nèi)形成強(qiáng)烈發(fā)育的溶蝕空洞，之后又經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的地殼下降、龍江水位抬升的過(guò)程(抬升高程在195 m附近，與本地區(qū)侵蝕谷地內(nèi)堆積土層地表高程相對(duì)應(yīng))，在谷地內(nèi)形成厚達(dá)15 m的堆積土層。同時(shí)，山體內(nèi)巖溶水排泄通道受阻，也處于堆積時(shí)期。由于各溶洞來(lái)水所攜帶的物質(zhì)差異及排泄通暢程度差別，造成其充填物性質(zhì)及高程不一致。三號(hào)溶洞DK167+472～DK167+488段下部充填淤泥質(zhì)黏土，上部充填軟塑狀黏土，中線處充填物高程達(dá)210 m;三號(hào)溶洞DK167+390～DK167+440段及四號(hào)溶洞DK167+350～DK167+380段充填物為粉砂、淤泥質(zhì)黏土及軟塑狀黏土，中線處充填物高程達(dá)205 m;四號(hào)溶洞DK167+310～DK167+340段充填軟塑狀黏土，中線處充填物高程達(dá)204 m;五號(hào)溶洞DK167+175～DK167+265段充填物為淤泥質(zhì)黏土及軟塑狀黏土，中線處充填物高程最高達(dá)220 m。

近階段，本地區(qū)又正經(jīng)歷地殼抬升、龍江改道后水位強(qiáng)烈下切的過(guò)程中(江底高程在174 m附近)。江底已重新下切至灰?guī)r層內(nèi)，河谷狹窄，原已堆積的寬闊谷地形成基座階地。龍江附近的階地土層受其下新發(fā)育的溶蝕管道影響強(qiáng)烈發(fā)育了土洞，土洞進(jìn)一步發(fā)展造成巖溶塌陷，形成了江邊一系列的巖溶塌陷碟形凹地。

3.2 形態(tài)特征

從開(kāi)挖過(guò)程中的地質(zhì)調(diào)查資料及測(cè)量資料分析，本隧道巖溶呈NE-SW向發(fā)育，總體巖溶水由線路右側(cè)排向線路左側(cè)，溶洞底板也大致呈右高左低的趨勢(shì)。一號(hào)及二號(hào)溶洞較新形成且處于發(fā)展過(guò)程中，溶洞規(guī)模相對(duì)較小，各自地下水徑排系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。三號(hào)、四號(hào)及五號(hào)溶洞較老，形成的溶洞規(guī)模均比較大，推測(cè)這三個(gè)溶洞實(shí)際上是聯(lián)通的，并且其溶蝕過(guò)程及堆積過(guò)程均比較一致。

因洞內(nèi)充填物有粉砂層，且砂層容易流失，長(zhǎng)期受潛蝕后基底土層穩(wěn)定性將受影響。

4 工程措施建議

施工過(guò)程中對(duì)頂部不穩(wěn)定的巖體進(jìn)行支撐，在隧道輪廓范圍做格柵鋼架支護(hù)。

一號(hào)溶洞DK167+625～DK167+647:在揭示溶洞到現(xiàn)在近一年時(shí)間內(nèi)，該溶洞周?chē)匆?jiàn)雨后有大的水流來(lái)源，也沒(méi)有淤積現(xiàn)象存在，說(shuō)明現(xiàn)階段本溶洞來(lái)水口已被堵塞，或者本溶洞大廳以外已另有排水通道?；捉ㄗh采用較大范圍鉆孔注漿固結(jié)，并在隧道底部墊一定厚度的鋼筋混凝土板。

二號(hào)溶洞DK167+508～DK167+520:軟弱土層深，基底橫坡陡，但范圍較窄，開(kāi)挖中采用Ⅳ級(jí)加強(qiáng)支護(hù)，設(shè)置了拱墻格柵鋼架。建議采用樁基托梁加混凝土板跨過(guò);注意將溶洞內(nèi)較小的雨后水流通過(guò)邊墻引入隧道側(cè)溝內(nèi)排出，避免積水。

三號(hào)溶洞DK167+471～DK167+488:本段溶洞頂高出隧道限界數(shù)米，頂部巖層較為穩(wěn)定，施工過(guò)程中在頂部適當(dāng)加打錨桿，并進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿。軟弱土層深，基底橫坡陡，但范圍較窄，建議采用樁基托梁加混凝土板跨過(guò);注意將溶洞內(nèi)較小的雨后水流通過(guò)邊墻引入隧道側(cè)溝內(nèi)排出，避免積水;建議采用整體式襯砌。

四號(hào)溶洞DK167+310～DK167+385:屬Ⅴ級(jí)加強(qiáng)斷面，建議分設(shè)橋梁跨過(guò)厚層軟弱土層區(qū)，采用整體式襯砌，洞周根據(jù)需要打少量錨桿。注意將溶洞內(nèi)較大的雨后水流通過(guò)邊墻引入隧道側(cè)溝內(nèi)排出，避免積水。

五號(hào)溶洞DK167+175～DK167+265:巖溶充填物為軟塑狀黏土、黏土夾塊石，工程處理困難。建議對(duì)軟基進(jìn)行加固處理，在線路右側(cè)打入鋼管樁加固右側(cè)邊坡，管內(nèi)壓注水泥漿固結(jié);工作面前方進(jìn)行超前支護(hù);超前支護(hù)完成后逐級(jí)更換型鋼拱架。

5 結(jié)束語(yǔ)

一號(hào)及二號(hào)溶洞規(guī)模相對(duì)較小，工程處理也較簡(jiǎn)單，三號(hào)溶洞和四號(hào)溶洞軟層厚度大，沿線路跨度長(zhǎng)，基底處理比較困難。五號(hào)溶洞全為充填物，曾在開(kāi)挖整治過(guò)程中出現(xiàn)了初支整體垮塌封堵原開(kāi)挖斷面的情況，后經(jīng)過(guò)優(yōu)化整治得以解決。

從施工完成到現(xiàn)在，經(jīng)歷了幾場(chǎng)大雨，均未見(jiàn)線路與隧道近平行的溶洞通道內(nèi)有水流出，洞身沒(méi)有出現(xiàn)新的的工程病害，說(shuō)明前期的整治工程措施是合理的，施工整治方案也得到了有效的驗(yàn)證。

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