馮 升,李國豪
(1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,湖北 武漢 430051;2.湖北省恩施土家族苗族自治州交通運輸局,湖北 恩施 445000)
在巖溶發(fā)育區(qū)的隧道建設(shè)過程中, 經(jīng)常遇到規(guī)模迥異、充填情況不一的溶洞,給施工造成極大困擾。曾永軍結(jié)合黔中水利工程總干渠C1 標隧洞遇到的不同類型溶洞,給出了小斷面隧洞的溶洞處治措施[1]。謝素潔以貴州省某鐵路隧道為例,對填充型溶洞處理原則、處理方案進行了介紹,并對溶洞處理關(guān)鍵施工技術(shù)進行了總結(jié)[2]。王章瓊等人運用數(shù)值模擬方法, 對湖北恩施太坪隧道特大干溶洞圍巖穩(wěn)定性進行了分析,結(jié)合溶洞演化趨勢提出初步處治建議[3]。利萬高速公路所在區(qū)域?qū)儆趲r溶強發(fā)育地區(qū),其控制性工程齊岳山隧道為典型的巖溶隧道,本文針對隧道施工過程中遇到的大型溶洞,對其處治技術(shù)進行介紹和總結(jié)。
鄂西南齊岳山地區(qū)為碳酸鹽巖分布區(qū),巖溶和巖溶地貌十分發(fā)育,巖溶地下水也極為豐富。齊岳山隧道橫穿齊岳山山脈,是利萬高速公路謀道連接線上的一條長隧道,設(shè)計為單洞雙向兩車道隧道,設(shè)計速度60 km/h,隧道全長2 960 m,最大埋深347 m。隧道進口位于右偏圓曲線上,半徑R=350 m,洞身和出口位于直線段,縱面線型為1.5%單向上坡。
隧道區(qū)屬構(gòu)造溶蝕- 剝蝕中山地貌。隧道橫穿山脊,地表高程1 260~1 660 m,地形整體呈波狀起伏。隧道進洞口所在斜坡坡角為40°,坡向為116°;隧道進洞口所在斜坡坡角為25°,坡向為290°。隧道區(qū)自然斜坡坡角一般20°~40°,溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等巖溶地貌發(fā)育。
隧址區(qū)屬于川鄂湘黔隆褶帶之北西緣和四川沉降褶帶之川東褶帶的部分,構(gòu)造形式以褶皺變形為主,本隧道穿越齊岳山背斜。齊岳山背斜具兩翼不對稱,巖性以灰?guī)r為主,間夾有頁巖及煤層,背斜南東翼產(chǎn)狀為115°∠70°、北西翼產(chǎn)狀約32°∠60°。背斜核部出露地層為長興組中厚層狀灰?guī)r,且兩翼在背斜核部以斷層接觸,系巖溶極發(fā)育地段。
根據(jù)地面調(diào)繪及物探、鉆探等勘察手段,隧址區(qū)表層局部覆蓋有第四系殘坡積粉質(zhì)黏土(Qhdl+el),下伏基巖為二疊系灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r(夾煤層及頁巖)和三疊系灰?guī)r(局部夾薄層頁巖)。
隧址區(qū)地表水不發(fā)育,地下水極發(fā)育,以巖溶水為主,多儲存于巖溶管道內(nèi)。地下水主要靠大氣降雨補給,通過地表巖溶洼地和落水洞進入到巖溶含水層中,通過溶蝕裂隙和管道徑流,最終以巖溶泉(暗河)形式排泄。
根據(jù)隧道圍巖賦水性的強弱可將含水巖組劃分為極強巖溶含水層、強巖溶含水層、中等巖溶含水層、弱巖溶含水層和相對隔水層。其中三疊系嘉陵江組為極強巖溶含水層,三疊系大冶組為強巖溶含水層,二疊系長興組為中等巖溶含水層,二疊系茅口組為弱巖溶含水層,二疊系吳家坪組和三疊系大冶組第一段頁巖為相對隔水層。
通過對收集地下水樣品進行分析,灰?guī)r中巖溶水化學類型為HCO3-Ca 型,對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。
隧道出口施工掘進至K3+255 時,線路右側(cè)距路面設(shè)計高5 m 處揭露特大溶洞入口,溶洞起點位于K3+267.5 處,大致走向由線路左側(cè)斜向小里程右下方延伸。洞底為平臺、斜坡交錯,總體呈臺階狀,洞底平臺段表觀為黃泥含鈣質(zhì),具一定承載力,其底部為土夾石松散體,采用鑿巖機向下鉆探5 m 未見巖石。洞底斜坡段表觀為泥夾石含鈣質(zhì),具一定承載力,孔洞較多,洞內(nèi)滲水,地表無明顯積水,下雨時水量較大,會對隧道形成影響。洞壁表觀為強風化灰?guī)r,破碎或極破碎,巖層分層為10~30 cm,頂部小型溶腔較多。主溶洞現(xiàn)場勘察約500 m 未見盡頭,最寬處達21 m,最窄處3.3 m,最高處約26 m,對隧道形成直接影響長度達65 mm(K3+210—K3+275)。
表1 溶洞實測數(shù)據(jù)表[4] m
齊岳山大型溶洞呈半充填狀態(tài),溶洞底部堆積大量巖土松散物。 松散物潮濕,多為粉質(zhì)黏土,夾含大量風化巖塊,充填物可塑狀,局部軟塑狀,含水量25%~32%,經(jīng)動力觸探試驗,基礎(chǔ)承載力為114~159 kPa。
為探明溶洞下部是否發(fā)育有隱伏溶洞,掌握溶洞底部堆積物準確厚度,對溶洞底部進行了布孔鉆探,鉆探結(jié)果表明溶洞底部堆積物厚度3.4~12.5 m不等,下伏基巖,無隱伏溶洞,滿足隧道底板最小厚度要求[5]。
表2 溶洞內(nèi)鉆孔記錄表
根據(jù)溶洞實際情況、測量成果和地質(zhì)鉆探資料,齊岳山隧道出口端大型溶洞和隧道的空間關(guān)系主要表現(xiàn)為3 種形式。
圖1 溶洞和隧道空間關(guān)系示意圖
a)K3+272—K3+255 第一段 溶洞位于隧道左側(cè),隧道呈半埋半露狀態(tài)。溶洞頂部為空腔,通過塌陷洞和地表聯(lián)通;溶洞底部為洞頂塌落物形成的松散堆積體,堆積體厚度3~10 m 不等,表層覆蓋黃土,有過水痕跡。隧道左側(cè)拱腳落于堆積體上,須進行加固處理。
b)K3+255—K3+235 第二段 此段為溶洞和隧道斜交段落,溶洞主要影響隧道左側(cè)和頂部,隧道左側(cè)完全裸露,底部落于堆積體上。溶洞左側(cè)頂部為空腔,右側(cè)為強風化灰?guī)r,巖體破碎,節(jié)理發(fā)育;溶洞底部為松散堆積體,鉆探7.4 m 至12.5 m 見基巖,表層覆蓋黃土,有季節(jié)性水流從左至右的過水通道。此段隧道左側(cè)襯砌裸露,左側(cè)拱腳落于堆積體上,頂部及右側(cè)開挖時極易造成嚴重塌方。
c)K3+235—K3+210 第三段 共揭露兩處溶洞,分別位于隧道頂部和右下側(cè),外露巖體為強風化灰?guī)r,巖體破碎,溶洞底部為松散堆積體,厚度8~12 m 不等,局部為黏土夾石,承載力不足。隧道左側(cè)頂部和右下側(cè)為溶洞空腔,導致小部分襯砌外露,右側(cè)拱腳懸空。
齊岳山隧道分布于地下水的補給區(qū),溶洞內(nèi)無承壓水體存在,附近沒有大型水庫、河流等地表水體,溶洞在常水季節(jié)基本上為干溶洞,僅見溶洞壁滴水,局部裂隙中有小股水流滲出。溶洞底部充填物厚度較大,含有孔隙潛水,但富水性差,其中K3+235—K3+210 段溶洞底部可見由左至右的過水通道,雨季水量大。
為保證施工期溶洞內(nèi)作業(yè)人員機具安全和運營期隧道結(jié)構(gòu)安全,需對溶洞的穩(wěn)定性進行評價,便于采取對應的工程措施。
a)上方洞壁穩(wěn)定性 溶洞洞頂呈穹窿狀,沿裂隙發(fā)育少量鐘乳石,高出溶洞底板7~20 m,溶洞頂板與山體表面垂直距離較小,最薄處約30 m。圍巖為強風化灰?guī)r,薄層狀,層厚10~30 cm,分層明顯且層間夾泥,完整性較差。整體而言,溶洞上方洞壁在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài),受施工擾動宜發(fā)生掉塊、小型崩塌,特別是隧道拱頂正上方,擴挖時極易造成嚴重塌方。
b)側(cè)方洞壁穩(wěn)定性 溶洞側(cè)壁光滑,表面覆蓋鈣質(zhì)結(jié)晶體,巖石裂隙和層間有水滲出,側(cè)壁距隧道距離約0~20 m。圍巖為強風化灰?guī)r,薄層狀,層厚10~30 cm,分層明顯且層間夾泥,完整性較差。綜合判斷溶洞側(cè)方洞壁在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài),受施工擾動宜發(fā)生掉塊、小型崩塌,但由于距離隧道較遠,對隧道影響有限。
圖2 溶洞現(xiàn)場實拍照片
c)底板穩(wěn)定性 齊岳山大型溶洞底部堆積大量巖土松散物,表層覆蓋黃色黏土,松散堆積體潮濕,多為粉質(zhì)黏土夾風化灰?guī)r,充填物可塑狀,局部軟塑狀,含水量25%~32%,經(jīng)動力觸探試驗,基礎(chǔ)承載力為114~159 kPa。經(jīng)過對溶洞底部鉆探表明,溶洞底部堆積物厚度3.4~12.5 m 不等,下伏為基巖,無隱伏溶洞。規(guī)范要求隧底持力層厚度不小于8 m,據(jù)此可判斷溶洞底板處于穩(wěn)定狀態(tài),但承載力不足,需進行基礎(chǔ)加固[5-6]。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況和溶洞揭露后補充勘測資料,因地制宜采取工程技術(shù)措施分段對齊岳山大型溶洞進行處治。
此段需要解決的主要是隧道兩側(cè)墻圍巖抗力不對稱,隧道左側(cè)拱腳承載力不足,溶洞左側(cè)洞壁加固和塌陷洞處理等問題,采用如下處治方案。
a)對隧道洞身左側(cè)外溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導管注漿加固,漿液采用P.O42.5 水泥單液漿,通過注漿使松散堆積體形成類混凝土混合物,給隧道左側(cè)墻提供抗力。
b)左側(cè)拱腳增設(shè)鋼管樁與鋼筋混凝土梁作為鋼支撐及二襯基礎(chǔ),鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管,管內(nèi)灌注C25 混凝土,鋼管嵌入基巖不小于1 m,端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。
c)對溶洞左側(cè)洞壁進行掛網(wǎng)噴射混凝土防護,防止施工期間落石,采用φ8 鋼筋網(wǎng),間距20×20 cm,噴射混凝土厚10 cm。
d)利用洞渣對坍塌洞地表區(qū)域進行回填,四周設(shè)截水溝,坍塌洞底部采用C20 混凝土封堵。
e)二襯采用鋼筋混凝土,并將環(huán)向排水管加密。
圖3 K3+272—K3+255 段溶洞處治典型斷面圖
和第一段相比,此段新增溶洞頂部不穩(wěn)定圍巖處理,隧道外露襯砌防護和過水通道處理等問題,對應采用如下處治方案。
a)對隧道洞身左側(cè)溶洞底部松散堆積體采用φ42 注漿小導管注漿加固,漿液采用P.O42.5 水泥單液漿,松散體和襯砌間空缺回填C20 混凝土,給隧道左側(cè)墻提供抗力。
b)增設(shè)長管棚,每循環(huán)長8 m,縱向間距5 m,鋼管采用φ108×6 mm 熱軋無縫鋼管,環(huán)向間距40 cm,鋼管內(nèi)通長增設(shè)3 根φ25 鋼筋籠。
c)對隧道洞頂溶腔壁破碎圍巖進行注漿加固,采用φ25 中空注漿錨桿,掛φ8 鋼筋網(wǎng),噴射10 cm厚混凝土。
d)襯砌外露區(qū)施做C25 鋼筋混凝土護拱,護拱厚度為1.5 m,護拱外層施做I18 鋼拱架兼做外模。
e)溶洞與隧道洞身相交區(qū)域過水通道設(shè)置雙道φ500 鋼筋混凝土管涵,長度40 m。
圖4 K3+255—K3+235 段溶洞處治典型斷面圖
圖5 K3+235—K3+210 段溶洞處治典型斷面圖
此段在前兩段的基礎(chǔ)上新增拱頂溶洞處理,隧道右側(cè)小溶洞處理和隧道底板全面加固等問題,對應采用如下處治方案。
a)拱頂溶洞采用C20 混凝土進行回填,回填厚度2 m。
b)隧道右側(cè)小型溶腔采用C20 混凝土填充密實。
c)隧道兩側(cè)拱腳增設(shè)鋼管樁與混凝土梁,鋼管樁采用φ108×6 mm 鋼管,管內(nèi)灌注C25 混凝土,鋼管嵌入基巖不小于1 m,端部埋入鋼筋混凝土梁90 cm。
d)加強監(jiān)控量測,拱頂下沉數(shù)據(jù)完全收斂后再施做二襯。
齊岳山隧道在建設(shè)期間安全完成大型溶洞段隧道施工,各項工程驗收合格,運營3 年來未發(fā)生水患、結(jié)構(gòu)破壞等不良影響,實踐證明采取的處治技術(shù)合理可行,現(xiàn)對技術(shù)要點總結(jié)如下:
a)溶洞發(fā)育規(guī)模、充填性質(zhì)、與隧道空間關(guān)系、地下水特征和穩(wěn)定性評價可作為大型溶洞處治的主要依據(jù)。
b)溶洞穩(wěn)定性分析不局限于上方和側(cè)壁,底板穩(wěn)定性分析同樣重要,特別是下伏溶洞的探測,建議以鉆探為主。
c)受溶洞影響形成的隧道偏壓,臨空側(cè)宜采用大體積混凝土回填或注漿加固溶洞充填物,以期盡量提供對稱抗力。
d)修建在溶洞堆積體上的隧道,宜按明洞結(jié)構(gòu)充分考慮堆積體基礎(chǔ)承載力,采取適用的基底處治措施,避免不均勻沉降發(fā)生。
e)有過水需要的大型溶洞處治,宜按橋涵水文計算方法確定過水構(gòu)造物斷面大小,保證原過水通道的暢通。