淺埋巖溶隧道大型巖溶漏斗穩(wěn)定性分析及處理措施

韓兆軍 劉春雨 于洋 李忠陽 李賀群 宋戰(zhàn)平

[內(nèi)容提要] 淺埋巖溶隧道巖溶發(fā)育以巖溶漏斗或充填型溶腔為主，受地表水和地下水作用，隧道開挖時，易發(fā)生充填物坍塌及突泥等地質(zhì)災(zāi)害，影響施工進(jìn)度，危機(jī)施工安全，本文通過典型漏斗式充填溶腔，對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，確定合理的施工方案，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供借鑒參考。

[關(guān) 鍵 詞]淺埋? ?填充容腔? 穩(wěn)定分析? 處理措施

1 工程概況

商合杭鐵路太湖山隧道位于安徽馬鞍山市含山縣境內(nèi)，隧道全長3618米，為雙線單洞高鐵隧道。其中進(jìn)口段DK468+662～DK469+440段為長距離淺埋段，且發(fā)育三條斷層破碎帶，F(xiàn)2斷層至F3 斷層之間為淺埋灰?guī)r段，埋深5～25米。DK468+920～DK468+960為Pq灰?guī)r與Sf粉細(xì)砂巖巖性接觸帶，圍巖級別為Ⅴ級，巖體破碎，巖溶發(fā)育，穩(wěn)定性差，地下水較發(fā)育。隧道開挖至DK468+930時，掌子面拱頂揭露一個充填型溶洞，揭露口直徑1.2米，充填物為粉質(zhì)黏土，棕紅色，軟塑狀、在爆破振動及重力作用下，充填物塌落形成3m×2m×2.5m塌腔，如圖1 。溶洞內(nèi)有地下水滲出，拱部繼續(xù)掉塊坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大，為了防止突泥發(fā)生，掌子面進(jìn)行反壓回填。

2 溶洞探測

探明溶洞發(fā)育情況是處理溶洞的關(guān)鍵。首先采用地質(zhì)雷達(dá)初步探測溶洞范圍，在掌子面在開挖輪廓周邊布設(shè)一條測線，在上臺階中部和底部各布設(shè)一條測線，通過圖像分析初步判斷溶洞發(fā)育形態(tài)。在雷達(dá)物探異常區(qū)域布設(shè)3個水平鉆孔，通過鉆孔取芯判斷溶洞邊界和充填物組成。通過地表地貌，結(jié)合物探和鉆探成果，綜合判斷，該溶腔為垂直發(fā)育漏斗，且與地表聯(lián)通，在隧道開挖范圍縱向發(fā)育長度12.2米，橫向?qū)挾蓉灤┱谱用娌⑾蜃笙陆前l(fā)育，巖溶發(fā)育如圖2a和圖1b。

3 溶洞穩(wěn)定性分析

隧道填充物為可塑狀粘土，爆破開挖后受自重發(fā)生塌落，充填粘土中摻雜著少量大小不等的砂礫石，隧道開挖后主要承受隧道土壓力作用。

現(xiàn)場取溶洞內(nèi)充填粘土，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999進(jìn)行土樣在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，通過粘聚力大小的變化來分析溶洞內(nèi)填充的粘土對隧道穩(wěn)定性的影響。經(jīng)過含水量實(shí)驗(yàn)得到原狀土天然含水率為33.5～37.8%。試樣的風(fēng)干含水率為3.3%，壓實(shí)后要求干密度為1.2g/cm3，含水率為15%，25%，35%，45%，55%，65%的土樣，每一種含水率的土樣制作四個環(huán)刀試樣，得到充填粘土的粘聚力與含水率之間的關(guān)系圖。

從圖3可見，隨著試樣含水率的增加，粘土的粘聚力急速上升，在35%達(dá)到峰值峰值18kpa，而后下降，所以當(dāng)?shù)乇硭疂B入溶腔時，一方面導(dǎo)致粘土自重增加，一一方面導(dǎo)致充填粘土黏聚力下降，自穩(wěn)能力下降。

采用MIDAS NX軟件對溶腔進(jìn)行模擬分析，該處埋深30.5米，隧道跨度14.6米，將溶洞簡化為位于隧道拱部橢圓，其長軸16米，短軸6米，短軸以下部分位于隧道拱頂斷面內(nèi)，為了保證隧道建模產(chǎn)生的誤差在允許范圍內(nèi)，左右邊界分別取至距離隧道軸線50米的位置。

圍巖按照Ⅴ級圍巖進(jìn)行取值，充填粘土參數(shù)參考直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行取值，圍巖以及充填粘土參數(shù)如表2所示，初支支護(hù)按照設(shè)計Ⅰ22工字鋼拱架，間距0.6米，噴射混凝土厚度25厘米，錨桿采用直徑25*7mm中空錨桿。

施工圖設(shè)計三臺階開挖法，由于溶洞位于上臺階拱部，故模擬計算時，著重分析上臺階開挖后各部位的位移以及初期支護(hù)的受力情況。

圖4a為上臺階開挖之后圍巖的位移圖，可以看到拱頂位移值達(dá)到3.8米，如開挖充填溶腔將全部塌方，甚至塌方至地表。 圖4b 為初期支護(hù)承受的彎矩圖，整個支撐承受較大彎矩，做大彎矩值達(dá)到108.9KN.m。

4? 施工方案確定

4.1塌方處理

掌子面采用洞碴回填至拱頂，回填之前預(yù)埋混凝土泵管3根，掌子面100mm厚網(wǎng)噴混凝土封閉，兼做超前預(yù)注漿止?jié){墻，拱頂塌腔采用C25混凝土分層回填密實(shí)。

4.2 超前注漿

上臺階拱部采用3m超前周邊預(yù)注漿加固，共布置注漿孔37個，如圖5a。采取一次全孔注漿，注漿漿液擴(kuò)散半徑按照1.5-2.0米計算，注漿材料采用普通水泥單液漿，漿液水灰比為0.6：1—0.8：1，注漿壓力不小于2.0MPa。采取鉆孔取芯驗(yàn)證充填物注漿情況，經(jīng)取芯檢查，粘土含水率23.1%，剪切強(qiáng)度提高35%，泥土中加水泥石脈，圍巖得到加強(qiáng)，如圖5b所示。

4.3 超前支護(hù)

隧道拱部120°范圍設(shè)置，采用φ89洞身管棚超前預(yù)支護(hù)，管棚間距40mm，管棚長度15m，外插角3°，在邊鉆孔邊安裝鋼管，邊注漿。

4.4 隧道開挖支護(hù)

采用三臺階核心土法施工，每次開挖進(jìn)尺0.5m，開挖后立即初噴混凝土封閉，安裝Ⅰ 22工字鋼拱架，間距0.5m，拱腳設(shè)置2根5m鎖腳錨管。中、下臺階每次開挖進(jìn)尺1.0m，安裝2榀鋼架，左右錯開施工，拱腳設(shè)置鎖腳錨管，并安裝臨時Ⅰ18工字鋼臨時仰拱。隧道仰拱封閉成環(huán)20米。

4.5 徑向注漿加固

DK468+920～DK468+947段調(diào)整為5米徑向注漿加固，孔間距縱向2.0m*環(huán)向1.2m，梅花型布置，孔深3.0米，注漿壓力0.5～1.5mpa。

4.6 隧道襯砌

淺埋巖溶段及時進(jìn)行二次襯砌，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌厚度60厘米。二次襯砌距掌子面控制在60米內(nèi)。

5 溶洞處理變形觀測及評價

為了評價溶洞段處置方案效果，分別從位移和拱架應(yīng)力兩個方面進(jìn)行評價，在溶洞段布置2的斷面觀測拱頂沉降和洞身收斂，如圖6，拱頂沉降隨時間的變化趨于穩(wěn)定，拱頂下沉在10天累計變形做大。通過鋼架內(nèi)力測設(shè)，鋼架內(nèi)力在開挖支護(hù)距掌子面6米時，拱部內(nèi)力最大450KPa， 其他部位壓力小于200KPa，故判斷受力較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較安全。

6? 結(jié)束語

太湖山隧道F2斷層接觸帶發(fā)育溶腔，在溶腔范圍進(jìn)行局部超前經(jīng)濟(jì)合理，輔以超前管棚加強(qiáng)有效控制隧道變形，保證隧道施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，方案科學(xué)經(jīng)濟(jì)合理，對類似工程具有一定借鑒意義。

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