隧道穿越大型半充填溶洞施工技術(shù)

【摘要】云桂鐵路富寧隧道D4K341+050～D4K341+176段揭示大型半充填溶洞，縱向長(zhǎng)度126m，推測(cè)溶洞橫向?qū)挾?0～54m、高度20～50m、隧底充填物厚度10～15m，最厚達(dá)32m，溶洞走向復(fù)雜多變，各段形態(tài)各異。因隧址位于地下水位線附近，充填物在地下水沖刷下容易流失，基底不穩(wěn)，通過多種方案比選，采用樁板結(jié)構(gòu)剛性過度，樁基置于完整基巖一定深度，確保隧道基底及右側(cè)邊墻穩(wěn)定。

【關(guān)鍵詞】富寧隧道；充填溶洞；處理技術(shù)

引言

云桂鐵路云南段富寧隧道全長(zhǎng)13625米，為全線I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道之一，該隧道采用“兩橫洞+兩平導(dǎo)+一斜井”的輔助坑道模式組織施工。隧道不良地質(zhì)有斷層破碎帶、危巖落石、堆積體、巖溶、巖體破碎、軟巖大變形、松軟土和膨脹巖土。其中在D4K341+050～D4K341+176段揭示一大型半充填溶洞，在堆積物中有未充填的空間及通道，充填物主要為碎塊石土夾砂土及黏性土夾碎塊石土等，為溶洞坍塌、溶蝕及流水?dāng)y帶來(lái)的堆積物為主，塊石成份為灰?guī)r，大小不一，無(wú)膠結(jié)，呈松散狀，穩(wěn)定性極差。因隧址位于地下水位線附近，受季節(jié)變化，充填物在地下水沖刷下容易流失，基底不穩(wěn)，通過多種方案比選，采用樁板結(jié)構(gòu)剛性過度，樁基置于完整基巖一定深度，確保隧道基底及右側(cè)邊墻穩(wěn)定。本文針對(duì)該溶洞的整治技術(shù)進(jìn)行了研究，為今后遇到類似情況，確保快速通過溶洞，且確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供參考。

1.富寧隧道工程概況

1.1 工程概況

云桂鐵路云南段I標(biāo)富寧隧道位于云南省富寧縣新華鎮(zhèn)那農(nóng)村境內(nèi)，設(shè)計(jì)為客貨共線雙線隧道（開行雙層集裝箱），隧道起止里程D4K339+026～D4K352+651，全長(zhǎng)13625m。隧道一般埋深100～400m，最大埋深455m，最小埋深為10m。

全隧揭示溶洞共10余處，其中大型溶洞兩處，分別為D4K340+760～D4K340+840段的大型全充填溶洞和D4K341+050～D4K341+176段的大型半充填溶洞，其整治方案均為樁板結(jié)構(gòu)剛性過度。本文結(jié)合D4K341+050～D4K341+176段大型半充填溶洞的初支防護(hù)、襯砌結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)以及基底處理的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.2 溶洞規(guī)模

通過施工開挖揭示、物探以及鉆探等綜合勘察分析，該溶洞縱向發(fā)育里程為D4K341+050～D4K341+176，主要發(fā)育于線路右側(cè)及右側(cè)基底，溶洞長(zhǎng)度126m，推測(cè)溶洞橫向?qū)挾?0～54m、高度20～50m、隧底充填物厚度10～15m，最厚達(dá)32m，溶洞走向復(fù)雜多變，各段形態(tài)各異。

D4K341+050～D4K341+150段巖溶發(fā)育于線路右側(cè)及右側(cè)基底，充填物為塊石土夾砂土、黏性土，充填物厚月20～30m；D4K341+150～D4K341+176段線路左側(cè)填充面至隧道拱頂以上亦有巖溶發(fā)育，充填物為塊石土、粉質(zhì)黏土，其中粉質(zhì)黏土占較大比例，該段充填物厚約25～50m。溶洞在縱向呈瓶狀，瓶口朝向小里程，瓶底朝向大里程，平面近似長(zhǎng)方向，主要發(fā)育于線路右側(cè)。推測(cè)溶洞平面范圍約5300m3，體積約149000m3。

1.3 工程地質(zhì)

溶洞發(fā)育于泥盆系下統(tǒng)芭蕉箐組（D1b）白云質(zhì)灰?guī)r地層中，為大型半充填溶洞，在堆積物中有未充填的空間及通道，充填物主要為碎塊石土夾砂土及黏性土夾碎塊石土等，為溶洞坍塌、溶蝕及流水?dāng)y帶來(lái)的堆積物為主，塊石成份為灰?guī)r，大小不一，無(wú)膠結(jié)，呈松散狀，局部可見砂土及黏性土充填，穩(wěn)定性極差。

1.4 水文地質(zhì)

巖溶區(qū)域處于巖溶水季節(jié)變動(dòng)帶，雨季地下水位可能會(huì)上升高于隧道洞身，旱季無(wú)地下水補(bǔ)給，地下水位下降后低于隧道洞身，因此，隧址位于地下水位線附近，受季節(jié)變化，充填物在地下水沖刷下容易流失，基底不穩(wěn)。該段隧道匯水面積較大，地下水發(fā)育，正常涌水量為4454m3/d，雨季最大涌水量8908m3/d。該溶洞是地下水的主要排泄通道，且水位上升后形成較高水壓，對(duì)隧道襯砌及防排水不利。

2.巖溶整治方案

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

富寧隧道主要采用物探結(jié)合鉆探的手段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，主要包括TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探、加深炮孔等。對(duì)多種預(yù)報(bào)手段收集的資料進(jìn)行綜合分析，相互印證，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭示地質(zhì)情況、變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，進(jìn)一步調(diào)整施工措施和方案。

（1）物探：每隔100米采用地震波探測(cè)儀對(duì)掌子面前方100米范圍內(nèi)的不良地質(zhì)位置、規(guī)模作較詳細(xì)的預(yù)報(bào)，粗略探測(cè)圍巖情況和地下水情況，每循環(huán)搭接10米；在地震波探測(cè)儀的基礎(chǔ)上采用紅外探水和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)前方30米范圍內(nèi)地下水和圍巖情況做較詳細(xì)判斷，每循環(huán)搭接5米。

（2）鉆探：在物探預(yù)報(bào)結(jié)論的基礎(chǔ)上采用鉆探手段進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證，更直觀反映前方地質(zhì)情況，超前鉆探每循環(huán)30米，與上一循環(huán)搭接5米，每次鉆探3孔；每循環(huán)施鉆炮眼時(shí)，利用部分周邊眼施作加深炮孔，準(zhǔn)確探測(cè)較近距離的危險(xiǎn)源，確保施工安全萬(wàn)無(wú)一失。

2.2 開挖支護(hù)

（1）開挖：因該溶洞主要發(fā)育于線路右側(cè)，左側(cè)為完整性較好的弱風(fēng)化灰?guī)r，隧道洞身結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)，為防止沉降變形超限及確保運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)安全，隧道開挖斷面較原設(shè)計(jì)放大100cm。

（2）加強(qiáng)支護(hù)：為防止巖溶在開挖過程中發(fā)生坍塌，該溶洞段由IV級(jí)B型復(fù)合襯砌變更為V級(jí)C型復(fù)合襯砌。采用全環(huán)I22b型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，間距0.6m/榀；

（3）超前支護(hù)：拱頂至線右邊墻部位采用φ108管棚超前支護(hù)，環(huán)向間距0.3m，每循環(huán)施作長(zhǎng)度根據(jù)鉆進(jìn)情況確定，管棚根數(shù)根據(jù)右側(cè)溶洞向下發(fā)育情況確定，每循環(huán)搭接長(zhǎng)度不得小于2m。同時(shí)拱頂至線右邊墻部位增設(shè)φ42大外插角（45°）小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，大外插角布置，每1.2m一環(huán)，每根長(zhǎng)4.5m，施作根數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定；拱頂偏線左至起拱線處采用φ42超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距0.4m，每環(huán)19根，每1.2m一環(huán)，每根長(zhǎng)4.5m。管棚及小導(dǎo)管內(nèi)注水泥、水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.5～1.0MPa，并根據(jù)注漿效果優(yōu)化調(diào)整注漿參數(shù)。取消拱部系統(tǒng)錨桿。

（4）系統(tǒng)支護(hù)：左側(cè)邊墻系統(tǒng)錨桿采用φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)4.0m，間距1.2m（環(huán)向）*1.0m（縱向）。取消右側(cè)邊墻系統(tǒng)錨桿，右側(cè)邊墻徑向采用φ60鋼花管注漿加固，鋼花管長(zhǎng)6.0m，間距1.2m（環(huán)向）*1.0m（縱向），注水泥砂漿。注漿壓力不小于0.5MPa，并根據(jù)開挖揭示情況、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及管棚揭示情況優(yōu)化調(diào)整支護(hù)參數(shù)，根據(jù)注漿效果優(yōu)化調(diào)整注漿參數(shù)。

（5）溶腔整治：對(duì)初支背后空腔采用C25砼回填密實(shí)。

2.3 基底整治方案

根據(jù)富寧隧道D4K341+076～+176段開挖揭示地質(zhì)、超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及補(bǔ)勘地質(zhì)情況，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，對(duì)隧底D4K341+076～+176段基底溶洞采用鉆孔樁-托梁-底板襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式見圖1。具體措施如下：

（1）樁采用直徑1.5m鉆孔樁，樁長(zhǎng)6～31m，樁橫向設(shè)置一排，縱向間距5m，共設(shè)置19根，樁采用C35鋼筋砼，樁底嵌入基巖不得小于3m，樁頂伸入橫梁1.5m，樁長(zhǎng)自橫梁底算起。

（2）樁頂設(shè)置橫向梁，梁長(zhǎng)9.0m，梁截面尺寸2.0m（寬）*2.0m（高），梁一端置于鉆孔樁上、一端置于穩(wěn)定基巖上，并對(duì)梁端設(shè)置1m（高）*1m（寬）*2m（長(zhǎng)）的楔子嵌入基巖，梁采用C40鋼筋砼。

（3）考慮8～21#樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，鉆孔樁長(zhǎng)細(xì)比較大，為提高樁-托梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體剛度，8～21#樁間設(shè)置縱向連系梁，梁截面尺寸1.0m（寬）*1.0m（高），梁長(zhǎng)65m，梁采用C40鋼筋砼。

（4）筏板與二襯結(jié)構(gòu)底板共用，厚度1.5m，寬14.02m，筏板采用C35鋼筋砼，雙向雙層配筋，筏板10m一單元，每隔10m設(shè)置橫向施工縫。

（5）D4K341+076～+176段分別于D4K341+076、D4K341+106、D4K341+126、D4K341+146、D4K341+166處共設(shè)5道變形縫。

2.4 襯砌及防排水

2.4.1襯砌防水

（1）D4K341+076～+176段段二次襯砌拱部、邊墻及仰拱混凝土抗?jié)B等級(jí)不低于P10。

（2）初期支護(hù)與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設(shè)防水板加無(wú)紡布防水。

（3）D4K341+076～+176段拱墻環(huán)向施工縫設(shè)中埋式橡膠止水帶加外貼式橡膠止水帶；底板環(huán)向施工縫設(shè)中埋式橡膠止水帶加遇水膨脹橡膠止水條；縱向施工縫設(shè)中埋式鋼邊橡膠止水帶加遇水膨脹橡膠止水條；施工縫環(huán)向數(shù)量按10m一道計(jì)列，縱向施工縫數(shù)量按2道計(jì)列。

（4）變形縫寬度2cm，變形縫填充聚苯板并加設(shè)鋼邊橡膠止水帶和外貼式橡膠止水帶，變形縫內(nèi)緣采用雙組分聚硫密封膏嵌縫。

2.4.2襯砌排水

（1）D4K341+076～+176段排水采用雙側(cè)溝加中心水溝的方式。側(cè)溝主要匯集地下水，同時(shí)起到沉淀和兼顧排水的作用，中心溝采用蓋板溝的形式，主要用于排水。側(cè)溝與中心溝之間每隔3m設(shè)置一道橫向100PVC排水管。

（2）D4K341+076～+176段二次襯砌背后設(shè)50環(huán)向盲溝，每3m一環(huán)；兩側(cè)邊墻腳設(shè)80縱向透水盲溝，并每隔3m將地下水引入洞內(nèi)側(cè)溝。環(huán)向盲管、縱向盲管直接彎入隧道側(cè)溝。

2.5 監(jiān)控量測(cè)

隧道開挖后，隨著應(yīng)力釋放和重新分布，圍巖呈現(xiàn)出不同程度的位移和性質(zhì)變化，在結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，地質(zhì)情況差的條件下，更應(yīng)該建立嚴(yán)密可靠的監(jiān)控量測(cè)體系，一是為施工安全提供準(zhǔn)確信息，二是為調(diào)整預(yù)留沉降量提供數(shù)據(jù)支撐，三是為二襯施工時(shí)間提供信息依據(jù)，進(jìn)而指導(dǎo)施工安全和質(zhì)量。

3.結(jié)束語(yǔ)

通過采用鉆孔樁-橫向托梁-筏板結(jié)構(gòu)剛性過度該溶洞，可有效提升隧道結(jié)構(gòu)安全性能，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）可以有效提高地基承載力，減少工后沉降時(shí)間和沉降量。

（2）為雨季地下水位上升后提供泄水通道，不會(huì)危及隧道結(jié)構(gòu)安全，減少因水壓上身后形成的滲漏水病害。

（3）通過對(duì)溶洞的安全防護(hù)，襯砌結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，確保施工期間及今后運(yùn)營(yíng)期間的安全。

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作者簡(jiǎn)介

葉建文（1972年4月），男，2015年7月畢業(yè)于武漢科技大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事項(xiàng)目管理工作。