宜萬(wàn)鐵路云霧山隧道溶洞段綜合施工技術(shù)

姜國(guó)慶 JIANG Guo-qing

（中國(guó)中鐵航空港建設(shè)集團(tuán)有限公司深圳分公司，深圳 518057）

（China Railway Airport Construcction Group Co.，Ltd.Shenzhen Branch，Shenzhen 518057，China）

1 工程概況

宜萬(wàn)鐵路26標(biāo)云霧山隧道Ⅰ線總長(zhǎng)6640m、Ⅱ線總長(zhǎng)668米。隧道位于湖北省恩施市白果壩與屯堡鄉(xiāng)交界地帶[1]，Ⅱ線隧道位于Ⅰ線隧道左側(cè)30m。全隧道自進(jìn)口到出口為連續(xù)上坡，縱坡分別為1.0‰、6.0‰、14.9‰，隧道埋深800m，是宜萬(wàn)鐵路最大埋深。

隧道從寒武系地層穿過(guò)，只在背斜北翼有少量奧陶系巖層。其中背斜核部從上到下依次分布著寒武中統(tǒng)光竹嶺組、寒武系中統(tǒng)高臺(tái)+茅坪組、寒武系下統(tǒng)石龍洞組、寒武下統(tǒng)天河板組。巖體是灰?guī)r、白云巖、溶崩角礫巖、水云母頁(yè)巖、粉砂巖等。

圖1 云霧山隧道縱剖面圖

隧道穿過(guò)的地層屬溶蝕洼地、巖溶漏斗和落水洞遍布的碳酸鹽巖溶地層。片兒區(qū)內(nèi)主要發(fā)育白果壩暗河系統(tǒng)、大小魚泉地下河系統(tǒng)、惡水溪管道流系統(tǒng)和洞灣管道流系統(tǒng)。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來(lái)源是背斜上游地下巖溶水順高程沿構(gòu)造裂隙溶蝕通道補(bǔ)給以及大氣降雨補(bǔ)給。大氣降雨匯集在地表，通過(guò)不同深度漏斗群垂直補(bǔ)給不同標(biāo)高的水平流動(dòng)帶和深部循環(huán)帶[2-4]。

隧道溶腔發(fā)育特點(diǎn)如下：①分布密度大，隧道正洞所揭示出的巖溶共12處，平均1.81處/km（見圖1）；②溶洞規(guī)模較大，Ⅰ線巖溶不良地質(zhì)段DK245+577～+625長(zhǎng)48m，Ⅱ線巖溶不良地質(zhì)段ⅡDK245+523～+654長(zhǎng)131m；③溶腔內(nèi)水壓大，水壓在0.43～0.84，最大瞬間水壓1.2MPa；④溶腔中有中細(xì)砂、淤泥、淤泥無(wú)塊石等雜物填充。

圖2 “DK245+525”區(qū)段溶腔形態(tài)示意圖

圖3 高壓水及溶洞內(nèi)充填的泥沙

2 溶洞區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)地質(zhì)狀況復(fù)雜多變的隧道，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)法—物探法—鉆孔法相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)模式?；谝阉鸭淼牡刭|(zhì)勘測(cè)資料，補(bǔ)充勘察兩隧道主要區(qū)段的地質(zhì)狀況，對(duì)隧道施工段的水文地理?xiàng)l件進(jìn)行綜合分析，并初步判定水源極其通道的地質(zhì)情況?；诘乇砜睖y(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)掌子面前方和坑道周邊的地質(zhì)異常體進(jìn)行物探，繼而水平鉆孔驗(yàn)證物探結(jié)果，以期科學(xué)預(yù)測(cè)開挖面前方及周邊的地質(zhì)狀況[5]。

2.1 地質(zhì)勘查 工程前期的專項(xiàng)地質(zhì)工作，除了很好的指導(dǎo)隧道施工地質(zhì)分級(jí)外，從客觀上查明隧道通過(guò)的地層分布、構(gòu)造及范圍較大的不良地質(zhì)體的空間位置，進(jìn)一步摸清地下水源的分布、活動(dòng)規(guī)律及其通道情況，為隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。圖4為利用大地電磁測(cè)探云霧山隧道的剖面圖。

圖4 云霧山隧道大地電磁測(cè)探剖面圖

2.2 TSP203超前探測(cè) TSP203超前探測(cè)方法是按照爆破范圍將爆破點(diǎn)依次排布在掌子面后方邊墻上，參考微差弱爆破原理逐個(gè)爆破，使爆破所產(chǎn)生的地震波信號(hào)在隧道圍巖內(nèi)傳播，如遇到變性巖體，會(huì)接收到部分返回的微波信號(hào)。界面兩側(cè)巖體構(gòu)造差別越大，所返回的信號(hào)變化越大。返回的微波信號(hào)經(jīng)專用軟件進(jìn)行處理，即可對(duì)圍巖特性和洞穴所在方位進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)TSP203探測(cè)操作

2.3 掌子面超前探孔 超前鉆孔仍是目前最為直觀的超前物探方法，通過(guò)鉆孔臺(tái)車鉆進(jìn)過(guò)程中鉆速、沖洗液、巖屑和巖粉的變化綜合分析研判開挖面前方較短距離（40～50m）內(nèi)的地質(zhì)特點(diǎn)，為提高其預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，尤其是取芯探孔，可以直接研判隧道前方的地質(zhì)情況。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)超前鉆孔探測(cè)

2.4 紅外探水 一般巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著地下水的活動(dòng)而劇烈變化，紅外探水儀接收巖體的紅外輻射強(qiáng)度信號(hào)后，根據(jù)強(qiáng)度的變化對(duì)隱伏在掌子面前方以及洞壁周邊的含水體進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)?；诘刭|(zhì)探測(cè)數(shù)據(jù)，趨近不良地質(zhì)構(gòu)造及其異常體時(shí)，通過(guò)便攜式紅外線探水儀探測(cè)掌子面的含水構(gòu)造，探測(cè)頻率20m～30m/次。如某些施工段滲水嚴(yán)重，也可通過(guò)紅外探水儀準(zhǔn)確獲知隱伏在隧道四周的含水體，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)紅外線探水

3 隧道溶洞區(qū)綜合施工技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 注漿加固技術(shù) 針對(duì)大型填充型無(wú)水溶腔，施工方案中采用帷幕注漿[6]。在掌子面布設(shè)5個(gè)注漿試驗(yàn)孔，具體布設(shè)方式見圖8，預(yù)設(shè)計(jì)孔深24m，并應(yīng)滿足入巖深度不小于5m，孔徑110mm，外插角5～8°。注漿材料為水灰比0.6：1～1：1的水泥單液漿和水泥水玻璃雙液漿。注漿壓力2.0～6.0MPa，前進(jìn)式注漿，分段長(zhǎng)度 3～5m，注漿速度 5L～110L/min，擴(kuò)散半徑2.0m左右。

圖8 超前探孔、注漿試驗(yàn)孔及檢查孔布置圖

通過(guò)對(duì)此溶腔的處理，超前帷幕注漿加固施工技術(shù)在填充型溶腔處理中得到很好的應(yīng)用，是安全通過(guò)填充型無(wú)水溶腔的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 增設(shè)迂回導(dǎo)坑 施作隧道進(jìn)出口時(shí)發(fā)現(xiàn)有突水突泥的溶腔，而出口處必須采用風(fēng)險(xiǎn)較大的14.9‰的反坡施工。為確保安全施工，須在Ⅰ線隧道右側(cè)增設(shè)迂回導(dǎo)坑先行貫通，范圍為DK245+535～+671。迂回導(dǎo)坑的貫通，徹底解除了云霧山隧道出口突水淹井的風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)DK245+525～+617溶腔群形態(tài)有了更明確的掌握。

圖9 迂回導(dǎo)坑示意圖

3.3 爆破放水 對(duì)于高壓富水溶腔，采用爆破放水釋能減壓的方法處理。爆破采用全斷面楔形掏槽，炮孔滿裝炸藥、非電毫秒雷管微差爆破方式。具體施工流程如下：搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→測(cè)量員布孔→鉆孔→按鉆爆圖檢查鉆孔→裝藥→檢查裝藥→堵塞→檢查堵塞效果→撤平臺(tái)→布電雷管起爆線并將其引入Ⅰ線隧道→洞內(nèi)（Ⅰ線、Ⅱ線）和洞外泄水路線清場(chǎng)檢查→爆破員乘座爆破專用車在起爆點(diǎn)就位準(zhǔn)備起爆破→清場(chǎng)合格并上報(bào)泄水指揮中心→下達(dá)起爆命令→起爆→爆破員迅速乘車撤向安全地帶。

溶腔爆破放水成功后，泄水路徑長(zhǎng)3.24km，平均流速為3.59m/s，瞬時(shí)最大流量為28452m3/h。突出物含泥沙，局部夾塊石，直徑最大1.8m。

圖10 爆破后溶腔形態(tài)

圖11 掌子面淤泥

3.4 溶腔支護(hù)措施 采用網(wǎng)噴C20混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。鋼筋網(wǎng)片Φ8，網(wǎng)格間距20cm×20cm；通過(guò)I18、I20工字鋼架對(duì)鋼架進(jìn)行加固。有的施工段溶洞和巖溶裂隙發(fā)育，應(yīng)該每隔0.5米設(shè)一鋼架；有的施工段有破碎圍巖分布，應(yīng)該每隔1米設(shè)一鋼架；有的施工段分布有完整灰?guī)r，可在局部每隔1米設(shè)一鋼架；有的施工段富含流沙和粘性土，應(yīng)該加固初期支護(hù)?？赏ㄟ^(guò)6米超前小導(dǎo)管進(jìn)行預(yù)支護(hù)，工字鋼架之間的距離應(yīng)該適當(dāng)縮短，鋼筋網(wǎng)片層數(shù)須適當(dāng)增加，將1m的鋼架縱向連接鋼筋調(diào)整為30cm；將無(wú)縫鋼管（Φ108mm）和小導(dǎo)管（Φ42mm）布設(shè)于鋼架外層作棚管。另外，空腔部位須留設(shè)混凝土泵送管，拱部空洞回填C25混凝土超拱頂3～5m，邊墻外空洞回填C25混凝土在進(jìn)行下循環(huán)得施工。有的施工段溶腔發(fā)育至隧底，可按照“換填+鋼管樁注漿加固+空腔回填”的方法進(jìn)行處理，繼而對(duì)仰拱、填充、底板進(jìn)行施作。在處理過(guò)程中，用C25混凝土換填，用Φ108，間距50×50cm的鋼花管作鋼管樁。用C35鋼筋混凝土施作仰拱和地板，用C25混凝土填充。對(duì)溶腔未發(fā)育到隧底的地段，隧道底部采用正常仰拱、填充通過(guò)。

4 結(jié)論

①在隧道施工中，須通過(guò)先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備探測(cè)溶腔發(fā)育狀態(tài)、填充物和儲(chǔ)水量，綜合分析溶腔危害，隧道通過(guò)溶腔所用的施工方案因溶腔構(gòu)造而異，切忌一味的套用既定的施工模式。

②采用爆破放水處理溶腔時(shí)須提前設(shè)計(jì)施工方案，現(xiàn)場(chǎng)必須有安全措施，嚴(yán)密監(jiān)控各個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。高壓富水溶腔爆破放水成功的經(jīng)驗(yàn)，可為同類型溶腔處理提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒，也是溶腔處理最直接、最有效的方法，較其他方法節(jié)省大量投資。

③由于溶腔發(fā)育極不規(guī)則，對(duì)溶腔的認(rèn)識(shí)仍然有限，對(duì)富水充填性溶腔處理的手段和方法，仍待今后在實(shí)踐中進(jìn)一步總結(jié)和提高。

[1]汶文釗.宜萬(wàn)鐵路云霧山隧道溶洞施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010:87-90,128.

[2]薛斌,張民慶.云霧山隧道巖溶發(fā)育特征及治理[J].中國(guó)工程科學(xué),2009,11(12):61-68.

[3]陳保立.淺析云霧山隧道巖溶水文地質(zhì)條件[J].資源環(huán)境與工程,2005,19(1):41-44.

[4]李穎,鄒麗萍,解振師.云霧山隧道主要地質(zhì)問(wèn)題及施工地質(zhì)實(shí)施方案[J].廣東公路交通,2006,增:81-97.

[5]劉汝臣.宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].隧道建設(shè),2007,27(2):1-3,35.

[6]楊勃,陳艷茹,樊濤.云霧山巖溶隧道帷幕預(yù)注漿加固施工技術(shù)[J].公路隧道,2011,2:44-47.