巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道拱蓋填充進(jìn)洞技術(shù)研究

劉 光

(中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司, 安徽合肥 232000)

國(guó)內(nèi)各省區(qū)都有不同面積的石灰?guī)r分布，廣西地區(qū)出露的面積最大，達(dá)12×104km2，約占廣西全區(qū)總面積的60 %。新建南崇(南寧-崇左)鐵路是中國(guó)與東盟半島的交通大動(dòng)脈的重要組成部分，具有巨大的戰(zhàn)略、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。南崇鐵路途經(jīng)我國(guó)巖溶最為發(fā)育的廣西中西部地區(qū)，分布著連綿成片、形態(tài)各異、挺拔峻峭的石灰?guī)r山峰，如圖1所示，隧道施工過程中隱伏溶洞數(shù)量多、規(guī)模大、分布無(wú)規(guī)律、施工難度大，特別是洞口段存在隱伏溶洞的情況下，施工難度將進(jìn)一步增加[1-2]。

圖1 廣西巖溶發(fā)育山峰

由于溶洞的不可預(yù)見性，對(duì)于溶洞的探測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，從傳統(tǒng)的鉆探逐漸向鉆探與物探相結(jié)合[3-4]的方式，以提高溶洞探測(cè)的精確性。對(duì)于不同溶洞的施工方法也有一定的差異，溶洞的類型，特別是填充物的形態(tài)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性將產(chǎn)生極其重要的影響[5]。施工與溶洞處治的相互關(guān)系對(duì)于施工的安全性及施工進(jìn)度有直接關(guān)系[7]。

本文針對(duì)洞口存在溶洞的情況，進(jìn)行溶洞與施工正洞先后順序的利弊分析，提出拱蓋填充進(jìn)洞施工技術(shù)，有效解決了該工程難題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1 依托工程背景

南崇鐵路渠那隧道位于廣西自治區(qū)扶綏線境內(nèi)，全長(zhǎng)1 345 m，隧道進(jìn)口外側(cè)1條斷層，與線路斜交夾角約38 °，該斷層影響下隧道進(jìn)口巖體破碎，基巖大面積出露，地表分布有黏土，下伏基巖為灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，溶溝、溶槽發(fā)育，充填黏土，縱斷面如圖2所示，隧道進(jìn)洞里程邊仰坡開挖后出現(xiàn)巖溶溶槽揭露，并根據(jù)洞口超前大管棚的鉆孔及物探探明，巖溶侵入了隧道拱腰一側(cè)，如圖3所示，斷面情況如圖4所示。

圖2 渠那隧道進(jìn)口縱斷面

圖3 洞口溶腔侵入隧道現(xiàn)場(chǎng)

圖4 溶腔與開挖輪廓立面

通過分析，該工程存在如下的難點(diǎn)：

(1)隧道斷面屬于超大斷面，未見巖溶侵入隧道洞口的類似工程案例，無(wú)施工經(jīng)驗(yàn)可遵循參考。

(2)洞口段巖溶溶腔發(fā)育侵入拱腰，填充物極破碎，若施工不當(dāng)，易造成拱頂坍塌，安全隱患大。

(3)超大斷面隧道在拱腰處出現(xiàn)大溶洞將會(huì)出現(xiàn)超挖嚴(yán)重，后期處理費(fèi)用大，同時(shí)也要做好后期運(yùn)營(yíng)期間滲漏水預(yù)防。

(4)關(guān)鍵部位支護(hù)參數(shù)如何設(shè)計(jì)直接影響到施工方案的成敗，需要對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行深入研究。

(5)隧道支護(hù)與溶洞填充的先后順序，直接關(guān)系到施工安全與否，也關(guān)系到施工工期，因此需要分析最佳的施工時(shí)機(jī)。

針對(duì)以上的施工重難點(diǎn)問題，為安全、快速地在洞口揭露溶洞溶隙的情況下完成渠那隧道進(jìn)口進(jìn)洞，通過認(rèn)真研究和成功的施工實(shí)踐，形成了本文所述的巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道拱蓋填充進(jìn)洞技術(shù)。

2 進(jìn)洞方案比選

2.1 方案介紹

綜合以往隧道施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本隧道的圍巖情況、溶洞情況，形成以下2套施工方案進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.1 先處治溶腔再進(jìn)洞掘進(jìn)方案

根據(jù)已經(jīng)揭露的圍巖情況，地表進(jìn)行注漿后，一榀一榀開挖隧道洞口段，噴射混凝土支護(hù)后，形成初期支護(hù)，同時(shí)將空溶洞注漿填滿，再進(jìn)行隧道主體的開挖和施工。

2.1.2 拱蓋+填充方案

(1)隧道正洞遇到空溶腔處，利用上一榀拱架作支承點(diǎn)，通過超前錨桿(管)+網(wǎng)片組合以小角度向外側(cè)懸挑出去，通過噴射混凝土支護(hù)后，提前形成拱蓋的方式，先對(duì)侵入了隧道拱腰的溶腔進(jìn)行跨越。

(2)在巖溶溶槽中選擇較大的巖體采用砂漿錨桿進(jìn)行固定，利用砂漿錨桿的黏結(jié)作用將圍巖與穩(wěn)定巖體結(jié)合在一起而產(chǎn)生懸吊效果、組合梁效果、補(bǔ)強(qiáng)效果，在已插打的錨桿上掛設(shè)鋼筋網(wǎng)進(jìn)行錨噴加固。

(3)洞口邊仰坡揭露巖溶溶槽巖石破碎、裂隙發(fā)育，采用超前小導(dǎo)管前進(jìn)式注漿，即鉆孔一段注漿一段,清孔鉆進(jìn)后再注漿,這樣循環(huán)往復(fù)至注漿孔終深，以達(dá)到填充裂隙，提高巖體整體穩(wěn)定性的目的。

2.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

從技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、工期等方面分析如表1所示。

表1 巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道洞口段施工方案對(duì)比

從表1的分析可知，拱蓋+填充方案在技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及工期上都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，故在施工中選擇該方案。

3 施工流程及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

基于依托工程的實(shí)際情況，采用拱蓋填充方案時(shí)，整體施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

3.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在進(jìn)洞前，針對(duì)洞口揭露溶洞，采用地質(zhì)雷達(dá)及超前鉆孔的方式進(jìn)行探查，探明巖溶裂隙的走向，結(jié)合隧道地質(zhì)鉆孔資料及地質(zhì)雷達(dá)掃描資料對(duì)圍巖狀況進(jìn)行預(yù)判，從而為下一步確定整治方案做好指導(dǎo)工作。

3.2.2 邊仰坡加固注漿

根據(jù)洞口邊仰坡巖溶揭露及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，20 m縱深范圍內(nèi)洞身位于巖溶破碎帶中，為確保進(jìn)洞安全，對(duì)線路右側(cè)13 m范圍采用φ42 mm小導(dǎo)管注漿加固，洞門段斷面圖及小導(dǎo)管構(gòu)造圖如圖6和圖7所示。

圖6 洞門段斷面(單位：cm)

圖7 小導(dǎo)管構(gòu)造(單位：cm)

3.2.2.1 小導(dǎo)管插打

在設(shè)計(jì)孔位上做好標(biāo)記，用管棚鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，孔徑較設(shè)計(jì)導(dǎo)管管徑大 20 mm 以上成孔后，將小導(dǎo)管按設(shè)計(jì)要求插入孔中，或用鑿巖機(jī)直接將小導(dǎo)管從型鋼鋼架上部、中部打入，外露20 cm支撐于開挖面后方的鋼架上，與鋼架共同組成預(yù)支護(hù)體系。

3.2.2.2 小導(dǎo)管注漿

前進(jìn)式分段注漿工藝是針對(duì)成孔困難的特殊地質(zhì)條件下的一種可行性較高的注漿技術(shù)，遇水即注漿，再掃空，再注漿，直至設(shè)計(jì)孔深。先注外圈、后注內(nèi)圈，同一圈由下而上間隔施作。當(dāng)鉆孔涌水量不小于50 L/min時(shí)，注入速度80～150 L/min；當(dāng)涌水量不大于50 L/min時(shí)，注入速度35～80 L/min。注漿壓力：一般為 0.5～1.0 MPa。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)注漿壓力和注漿量來(lái)控制。一般采用定壓注漿。當(dāng)注漿壓力逐步升高，達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，進(jìn)漿量小于初始進(jìn)漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結(jié)束本孔注漿；全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件，注漿后隧道預(yù)測(cè)涌水量小于1 m3/(d·m),可結(jié)束本循環(huán)段注漿；全部注漿孔注漿結(jié)束后，于斷面上下左、右及中部各設(shè)一檢查孔，每孔長(zhǎng)約20 m,孔徑與注漿孔相同，測(cè)孔內(nèi)涌水量或進(jìn)行壓水試驗(yàn)，若滿足設(shè)計(jì)要求，則可以開挖，否則進(jìn)行補(bǔ)注漿。

3.2.3 隧道管棚施工

3.2.3.1 套拱施工

套拱采用先墻后拱方法施工，先做基礎(chǔ)底部邊墻，待邊墻強(qiáng)度滿足要求后施工拱圈部分。套拱基礎(chǔ)開挖分三步開挖，挖至基礎(chǔ)底部時(shí)立即對(duì)基坑進(jìn)行封閉。

洞口端用1 m 長(zhǎng)套拱(C20混凝土) 作為管棚導(dǎo)向墻。套拱施工采用先墻后拱法，在1 m套拱內(nèi)架立2榀I18型鋼拱架(縱向間距0.5 m)。在鋼支撐上安裝φ140×5 mm,長(zhǎng)1 m的孔口管，導(dǎo)向管(即孔口管)沿拱圈環(huán)向布設(shè)，間距中對(duì)中40 cm，部分根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的判斷對(duì)隱伏溶洞范圍內(nèi)的管棚進(jìn)行加密，間距20～40 cm，見圖8和圖9所示。

圖8 管棚施工正面示意

圖9 管棚施工側(cè)面示意

3.2.3.2 管棚鉆孔頂管施工

長(zhǎng)管棚施工主要工序有：搭鉆孔平臺(tái)、安裝鉆機(jī)、鉆孔、清孔、驗(yàn)孔、安裝管棚鋼管、注漿、清孔、充填M10水泥砂漿。

通過管棚的施工技術(shù)參數(shù)的反饋，判斷隱伏溶洞的大小和范圍，通過鉆出的芯樣判斷填充物的情況，本隧道拱部右上部分20 m范圍為少量黏土為填充物的溶洞。

3.2.3.3 管棚注漿

注漿采用單液注漿，并采取分段注漿方式保證注漿能充分填充至圍巖內(nèi)；注漿壓力達(dá)到2 MPa，并持壓5 min以上，注漿漿液達(dá)到設(shè)計(jì)80 %以上時(shí)，可停止注漿，并及時(shí)封堵注漿口，防止空氣進(jìn)入管內(nèi)；注漿結(jié)束后，對(duì)鋼管口進(jìn)行清孔，清孔完畢后立即用M10砂漿進(jìn)行充填，增加鋼管強(qiáng)度，并注意注漿管口埋入砂漿深度不得少于30 cm。

3.2.4 隧道洞身開挖

3.2.4.1 開挖方法

隧道進(jìn)洞采用三臺(tái)階法進(jìn)行開挖，開挖進(jìn)尺調(diào)整為1榀鋼架縱向間距，開挖方式采用弱爆破，爆破時(shí)嚴(yán)格控制炮眼深度及裝藥量，嚴(yán)格控制超、欠挖，加強(qiáng)鋼架之間的縱向連接。

3.2.4.2 溶腔的初步處治

揭示溶洞后，對(duì)溶洞的形態(tài)、位置、填充物類型進(jìn)行分析，針對(duì)此處洞內(nèi)為右側(cè)拱頂位置、封閉溶洞、填充物為黏土的情況，及時(shí)采用挖機(jī)配合人工對(duì)填充物進(jìn)行清理，清理完成后對(duì)封閉溶洞的完整溶腔壁部采用噴射混凝土封閉溶洞表面，防止掉塊的發(fā)生。

3.2.4.3 初期支護(hù)

在溶洞范圍內(nèi)利用上一榀鋼架作為支撐點(diǎn)，通過超前錨桿(管)+網(wǎng)片組合形成縱向連接，并采用徑向錨桿(管)對(duì)鋼架徑向進(jìn)行固定，徑向錨桿(管)的另一端深入溶洞壁面以內(nèi)0.5 m；架設(shè)鋼架及鋼筋網(wǎng)，進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，將徑向錨桿(管)、超前錨桿(管)、鋼架、鋼筋網(wǎng)共同形成拱蓋先行通過溶洞空腔，并預(yù)留注漿管，如圖10和圖11所示，現(xiàn)場(chǎng)施作如圖12所示。

圖10 洞身溶洞處治及支護(hù)立面

圖11 洞身支護(hù)側(cè)面示意

圖12 “拱蓋”結(jié)構(gòu)

3.2.4.4 正洞掘進(jìn)及溶洞處治

待正洞穿過溶腔處，開始正面向溶腔內(nèi)灌入砂漿，避免了因先處理溶腔而耽誤正洞施工進(jìn)度。

4 施工安全數(shù)值分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際情況模擬隧道所處的地形、隧道埋深及隧道開挖的開挖過程，模擬計(jì)算采用FLAC3D有限差分元通用程序。為充分模擬隧道的三維空間效應(yīng)，計(jì)算模型所取范圍是：根據(jù)實(shí)際工程情況沿縱向取50 m，沿橫向取50 m，深度取隧道仰拱下方15 m，隧道縱深10 m，埋深15 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計(jì)算中地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)采用彈性實(shí)體單元模擬。模型的地層采用IV級(jí)圍巖地層。整體模型圖如圖13和圖14所示。

圖13 隧道及地層整體模型

圖14 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖及襯砌材料的物理力學(xué)指標(biāo)和混凝土材料物理參數(shù)根據(jù)TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和地勘結(jié)果選取，所確定的計(jì)算參數(shù)如表2～表4所示。

表2 圍巖計(jì)算參數(shù)表

表3 超前大管棚的材料參數(shù)

表4 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 圍巖位移分析

施工中的位移變形將直接影響隧道結(jié)構(gòu)整體的安全性，整體的地形圍巖位移如圖15所示。

圖15 豎向位移

從圖15中可以看出，整體的變形量是非常小的，拱頂最大的沉降為1.29 mm，而仰拱隆起的位移為0.91 mm。

4.3.2 圍巖應(yīng)力

圍巖的應(yīng)力主要針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)周邊的應(yīng)力情況，采用第一主應(yīng)力的情況進(jìn)行分析，如圖16所示。

圖16 第一主應(yīng)力

從圖16中可以看出，圍巖的應(yīng)力集中情況較小，且最大應(yīng)力值也較小。

4.3.3 初期支護(hù)的位移及應(yīng)力

位移及應(yīng)力分別如圖17和圖18所示。

圖17 初期支護(hù)的豎向位移

圖18 初期支護(hù)的應(yīng)力

從圖17和圖18中可以看出，在灰?guī)r地區(qū)，整體穩(wěn)定性較好，即使有溶洞的影響，初期支護(hù)整體的位移及應(yīng)力都是較小的，滿足安全性的要求。

5 結(jié)論

本文以南崇鐵路渠那隧道進(jìn)口出現(xiàn)的溶洞侵入拱腰的實(shí)際工程為依托，對(duì)該工程采取的施工方法進(jìn)行分析，得到了如下的研究結(jié)論。

(1)洞口段隱伏溶洞侵入隧道口拱腰的工程案例較少，缺少可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，施工風(fēng)險(xiǎn)高施工難度大。

(2)對(duì)比先治理溶洞后進(jìn)洞方案和拱蓋+填充方案后認(rèn)為后者在技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及工期上都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

(3)詳細(xì)介紹了拱蓋+填充方案的施工過程并進(jìn)行了施工安全數(shù)值分析后認(rèn)為，該方案安全可行，可供類似工程借鑒。