巖溶溶腔侵入高鐵隧道先通過后治理施工技術(shù)研究

陳文尹

(中國中鐵四局集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 232000)

0 引 言

中國幾乎各省區(qū)都有不同面積的石灰?guī)r的分布，廣西地區(qū)出露的面積最大，達(dá)12萬km2，約占廣西全區(qū)總面積的60%。新建南崇(南寧-崇左)鐵路是中國與東盟半島的交通大動脈的重要組成部分，具有巨大的戰(zhàn)略、社會和經(jīng)濟(jì)價值。南崇鐵路途經(jīng)我國巖溶最為發(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、分布無規(guī)律、施工難度大，給施工進(jìn)度帶來巨大的影響[1,2]。

圖1 廣西巖溶發(fā)育山峰圖

由于溶洞的不可預(yù)見性，巖溶對洞室穩(wěn)定性的影響是多方面的，巖溶的大小、位置及填充狀況對隧道位移場、應(yīng)力場和隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的影響及對隧道施工都會產(chǎn)生影響。國內(nèi)外不少學(xué)者對地下溶洞的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。一般都將溶洞看做是已經(jīng)存在的天然洞室，隧道的施工可認(rèn)為是近接施工，通過位移、塑性區(qū)、能量突變等穩(wěn)定性判據(jù)得到相應(yīng)的安全距離或研究隱伏溶洞與隧道間巖層厚度的承載力，由此判定溶洞與隧道的穩(wěn)定狀態(tài)。然而對于施工過程中揭示的溶洞，大多采用“先治理后通過”的方式，即先對溶洞進(jìn)行處治，使其穩(wěn)定后再開挖掘進(jìn)，此施工方法在溶洞處治過程中停滯了隧道的開挖，嚴(yán)重制約了隧道的向前掘進(jìn)速度，施工效益較差。

基于以上的背景，如何通過快速處治或有效快速臨時加固溶洞，保證施工掘進(jìn)不間斷，然后再對溶洞進(jìn)行處治，加快施工速度，是施工單位面臨巖溶溶腔施工時面臨的重要問題。

1 依托工程及溶洞分布形態(tài)

南崇鐵路渠那隧道位于廣西自治區(qū)扶綏線境內(nèi)，全長1 345 m，隧址區(qū)地表可見洼地、溶洞、巖溶漏斗發(fā)育，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。施工過程中深埋段已經(jīng)揭露或者探明的溶洞多達(dá)121個，雖然每個溶洞大小、位置、形態(tài)各異，但仍然存在著一定的規(guī)律，分析如下。

1.1 巖溶溶腔所處位置及發(fā)育走向

通過對渠那隧道深埋段已經(jīng)揭露或探明的121處隱伏巖溶的相對位置和發(fā)育走向進(jìn)行統(tǒng)計結(jié)果見表1和2。

表1 溶腔相對位置統(tǒng)計表

表2 溶腔發(fā)育走向統(tǒng)計表

通過巖溶溶腔相對位置與發(fā)育走向的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)：溶腔主要集中在隧道的拱頂(37.2%)、拱腰(32.3%)和拱肩(11.5%)處，拱腳和仰拱處相對較少；同時溶腔的發(fā)育主要沿隧道縱向(85.1%)，即大部分隱伏溶洞平行于隧道中心線或者溶腔主發(fā)育線與隧道中心線所形成的的夾角小于10°。

1.2 巖溶腔形態(tài)、大小及填充情況

溶腔的形態(tài)和大小進(jìn)行統(tǒng)計結(jié)果如表3和表4所示。

表3 溶腔形態(tài)統(tǒng)計表

表4 溶腔大小統(tǒng)計表

溶腔形態(tài)主要表現(xiàn)為圓柱形(79.3%)；同時并不發(fā)育，主要集中在0-10 m(98.3%)，即大部分溶腔是小于0.8倍隧道跨度(跨度D為14.3 m)。

在匯總統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)占比90%以上的溶腔是干溶洞，且無填充，少于10%的溶腔會存在一些松散性填充物質(zhì)，但均未發(fā)現(xiàn)該區(qū)段有富水承壓型巖溶存在，溶腔整體的穩(wěn)定性較好。

2 施工工藝原理

通過對于渠那隧道巖溶溶腔的調(diào)查分析，表明溶腔的整體穩(wěn)定性較好，通過一定的快速處治，以拱蓋的方式進(jìn)行跨越，具備“先通過后治理”的前提條件，基于此提出了相應(yīng)的施工工藝原理。

(1)對于頂部溶洞判別后的干溶洞利用其自身穩(wěn)定較好，采用噴射混凝土進(jìn)行臨時封閉，確保其穩(wěn)定性。

(2)在頂部空溶腔處，通過上一榀拱架作支承點(diǎn)，通過剛拱架+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，先對溶腔進(jìn)行跨越。

(3)通過對揭示溶洞的判別分析，在巖溶溶槽中周邊選擇較穩(wěn)定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。

(4)隧道開挖初支完成后對初支背后的溶洞進(jìn)行回填混凝土和回填緩沖層砂層處理，同時做好隧道防排水系統(tǒng)。

(5)通過對隧道底部溶洞的洞渣回填處理，采用樁板結(jié)構(gòu)跨越隧底溶洞并進(jìn)行加固。

3 施工流程及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工流程

巖溶溶腔侵入隧道先通過后治理的施工流程詳如圖2所示。

圖2 施工流程圖

3.2 技術(shù)要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

通過地質(zhì)調(diào)查分析和地質(zhì)雷達(dá)掃描推測開挖工作面前方可能揭示地質(zhì)情況，地質(zhì)鉆孔法對掌子面前方及周邊的圍巖地質(zhì)情況探測，綜合檢測確定溶洞的范圍、大小及有無填充物等情況。

3.2.2 超前支護(hù)

上臺階開挖前，采用單排Φ42×3.5 mm@500 mm小導(dǎo)管對拱腰以上進(jìn)行超前支護(hù)。首先采用風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔長度為4.5 m，外插角一般為10°～15°，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整。將超前小導(dǎo)管在加工廠制作完畢后，運(yùn)至掌子面并插入鉆孔，安裝完畢后采用1:1水泥漿進(jìn)行注漿，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿完畢后采用錨固劑進(jìn)行封堵，至此上臺階注漿預(yù)加固處理完畢。

3.2.3 溶洞類別判定

通過開挖洞身后揭示溶洞位置情況(隧頂或隧底)，對溶洞類別進(jìn)行判斷，制定快速處理措施。

3.2.4 溶洞臨時處理

(1)拱部溶洞。先揭示溶洞周邊破碎圍巖應(yīng)采用機(jī)械排除，并對填充物進(jìn)行清除。對溶洞內(nèi)壁噴射10 cm厚的混凝土封閉溶洞，然后在溶洞內(nèi)打設(shè)砂漿錨桿固定巖體，掛鋼筋網(wǎng)片錨噴加固。采用多功能作業(yè)臺架在隧道掌子面溶洞處施工超前支護(hù)鋼管孔、安裝錨桿，在溶洞處架立型鋼拱架支撐及鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片。預(yù)埋回填3 m長的混凝土管和5 m長的中粗砂泵管，并在初支背后預(yù)埋直徑100 mm的PVC管，管口接入集中出水點(diǎn)，末端直接彎入中心水溝，縱向間距1 m。最后采用濕噴機(jī)濕噴混凝土形成拱蓋支護(hù)。

(2)底部溶洞。初期支護(hù)加強(qiáng)：對其鋼架的C型接頭附近位置增設(shè)6m長鎖腳錨管(Ф42)，錨管與型鋼骨架采用Ф22U型鋼筋焊接，每榀鋼架4根，左右各2根。鎖腳全部施工完畢后，在縱向每排樁基的中間位置(樁間距中心大小里程側(cè)各3 m)增加臨時仰拱，并完成初噴作業(yè)。在隧底位置的溶洞回填洞渣處理，回填至標(biāo)高后采用壓路碾壓平整。

2.2.5 開挖支護(hù)

采用光面爆破方式對上下臺階掌子面進(jìn)行鉆孔爆破開挖。

開挖完成后對洞身進(jìn)行初噴，施作拱頂Φ22砂漿錨桿、Φ8鋼筋網(wǎng)片、工字鋼、縱向連接鋼筋，對拱架拱腳處施作3.5 mΦ22鎖腳錨桿，最后進(jìn)行噴射混凝土封閉施工。

3.2.6 溶洞后處理

拱部溶洞：采用高壓泵送回填混凝土，對于溶洞高度大于5 m的，回填C20素混凝土+中粗砂。如圖3所示。

圖3 預(yù)埋混凝土管和砂管示意圖

①采用地質(zhì)雷達(dá)掃描儀對已處理完成的初支面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，驗(yàn)證混凝土和中粗砂回填的質(zhì)量。

②通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、分析，掌握和預(yù)測施工中圍巖、支護(hù)的力學(xué)狀態(tài)及穩(wěn)定程度，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)施做效果，確認(rèn)支護(hù)參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性。

底部溶洞：根據(jù)底部承載力情況進(jìn)行樁基加固施工，保證基底的承載力。

4 施工安全數(shù)值分析

4.1 數(shù)值計算模型

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，模擬計算采用FLAC 3D有限差分元通用程序。為充分模擬隧道的空間效應(yīng)，計算模型所取范圍是：根據(jù)實(shí)際工程情況沿橫向取120 m，深度取隧道仰拱下方25 m，拱部以上40 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。三維數(shù)值計算模型見圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分圖

分別選取了先治理后通過和先通過后治理兩種工況開挖模擬分析。

4.2 計算參數(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)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和地勘結(jié)果選取，所確定的計算參數(shù)見表5和表6。

表5 圍巖計算參數(shù)表

表6 混凝土材料物理力學(xué)參數(shù)表

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 圍巖位移分析

變形的數(shù)據(jù)主要采集了拱頂和邊墻初期支護(hù)的變形量。分別如圖5和圖6所示。

圖5 拱頂沉降對比圖

圖6 右邊墻變形對比圖

4.3.2 圍巖應(yīng)力分析

邊墻部位的豎向應(yīng)力的數(shù)值對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有重要表征作用，左右邊墻的豎向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律如圖7所示。

圖7 左右邊墻的圍巖豎向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律

從圖7中可以得到如下的規(guī)律：

(1)由于拱腰部位存在溶洞，受溶洞的影響，整體隧道及圍巖承受明顯的偏壓影響，右側(cè)的應(yīng)力要明顯高于左側(cè)應(yīng)力的情況；

(2)豎向應(yīng)力明顯大于水平向應(yīng)力，邊墻的豎向應(yīng)力最大，拱部水平應(yīng)力較大；

(3)先通過后治理的圍巖應(yīng)力要小于先治理后通過的情況，但是二者數(shù)值差別并不大。

4.3.3 初期支護(hù)變形及應(yīng)力數(shù)據(jù)分析

初期支護(hù)在施工中將承擔(dān)主要的荷載，因此其變形和受力情況對于隧道結(jié)構(gòu)的整體安全有著至關(guān)重要的影響。分別取豎向變形數(shù)據(jù)和豎向應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖8～圖11所示。

圖8 先治理后通過的初期支護(hù)豎向變形圖

圖9 先通過后治理的初期支護(hù)豎向變形圖

圖10 先治理后通過的初期支護(hù)豎向應(yīng)力圖

圖11 先通過后治理的初期支護(hù)豎向應(yīng)力圖

從圖8～圖11中可以得到如下規(guī)律：

(1)初期支護(hù)的變形中，拱部的豎向變形是最大的，右側(cè)的水平向變形是最大的；

(2)先治理后通過的情況下，變形及應(yīng)力均小于先通過后治理的情況，但是二者差別不大；

(3)初期支護(hù)的應(yīng)力最大值為3.2 MPa，遠(yuǎn)小于材料的容許應(yīng)力，表明結(jié)構(gòu)有較大的安全冗余。

5 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

在南崇鐵路隧道開挖完成到DK58+395斷面時，由于隧道的擴(kuò)挖，發(fā)現(xiàn)拱肩處存在一個大溶洞，溶洞大小為洞徑7 m(約0.5D)，位置相互關(guān)系如圖12所示，距離隧道輪廓線1 m，沿隧道縱向發(fā)育10 m無水無填充的溶洞，如圖13所示現(xiàn)場情況。

圖12 隧道與溶洞相對位置圖

圖13 隧道現(xiàn)場圖

埋設(shè)壓力盒和應(yīng)變計，其埋設(shè)位置和編號如圖14所示。

圖14 監(jiān)測元件埋設(shè)示意圖

測得的圍巖壓力最大值的分布規(guī)律如圖15所示，鋼架的彎矩和軸力如圖16和圖17所示。

圖15 測點(diǎn)圍巖壓力分布圖

圖16 鋼架彎矩圖

圖17 鋼架軸力圖

基于現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：溶洞位于隧道拱部時，圍巖壓力、初期支護(hù)的彎矩和軸力在靠近溶洞一側(cè)都比另外一側(cè)大，通過初步處治快速通過后，結(jié)構(gòu)的安全仍然是滿足要求的，表明先通過后處治的施工方法是安全且適用的。

6 結(jié) 論

本文以南崇鐵路渠那隧道實(shí)際工程為依托，對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)渠那隧道巖溶溶腔數(shù)量多，規(guī)模大，以縱向分布為主，多圓柱形，不發(fā)育，以干溶洞為主，整體穩(wěn)定性較好；(2)提出了先通過后處理的工藝原理和技術(shù)要點(diǎn)，數(shù)值計算及現(xiàn)場實(shí)測表明，在溶洞半徑為5 m以下時，先通過后處理的方案安全性是滿足要求的；

(3)先通過后處理施工技術(shù)有效減少了溶洞處理對隧洞掘進(jìn)的影響，具有施工速度快，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。