隧道穿越溶洞及地下暗河施工技術(shù)

薛 琳

(中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

近年來隨著國家西部開發(fā)及“一帶一路”國家戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國西南部山區(qū)交通基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模逐年增加。大規(guī)?？λ固氐孛埠褪?guī)r地層形成的溶洞、暗河給隧道建設(shè)帶來了較大難度。由于溶洞、暗河的發(fā)育受區(qū)域地質(zhì)、地形地貌、地質(zhì)水文、自然環(huán)境等因素影響，其發(fā)展規(guī)模和賦存形式因環(huán)境改變而會(huì)發(fā)生變化，山體內(nèi)部隧道穿越溶洞、暗河的技術(shù)處理措施適用性是保障交通線路的運(yùn)營安全和長久耐用的關(guān)鍵。本文結(jié)合西成鐵路客運(yùn)專線寶成鐵路改線連蒙村隧道工程溶洞、暗河發(fā)育規(guī)律，提出了“封堵”、“疏導(dǎo)”、“加固”的技術(shù)方案，取得了較好的鐵路穿越溶洞、暗河的技術(shù)處理效果。

1 工程概況

西成鐵路客運(yùn)專線是連接四川盆地與華北平原的第一條客運(yùn)高速鐵路，是國家鐵路網(wǎng)“八縱八橫”重要通道之一，也是中國首條通過秦嶺的高速鐵路。受《鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范》制約，新建西成鐵路客運(yùn)專線于四川省廣元市利川區(qū)工農(nóng)鎮(zhèn)取線既有寶成鐵路線路，既有寶成鐵路通過改線新建連蒙村隧道。寶成鐵路改線連蒙村隧道施工里程為BCDK338+840-BCDK340+145,隧道全長1 305 m，隧道最大埋深113 m，大部分段落屬于淺埋地段。隧道BCDK338+840-BCDK338+859.239位于R=400 m的曲線上，BCDK339+265.183-BCDK339+639.925位于R=800 m的曲線上，其余位于直線段。設(shè)計(jì)時(shí)速120 km，為有砟軌道結(jié)構(gòu)。隧道主要不良地質(zhì)為堆積體、采空區(qū)及煤層瓦斯、人工棄土、松軟土等。隧道工程距嘉陵江較近，為順河隧道。

2 地質(zhì)和水文情況

地表水主要為嘉陵江江水，雨季流量大，旱季相對較小。地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水，水質(zhì)具有硫酸鹽侵蝕。基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，砂巖、礫巖具有良好儲(chǔ)水條件，由于地面切割劇烈，地勢陡峻，巖層深部可能有巖溶水發(fā)育。

3 溶洞及地下暗河段地質(zhì)分析

3.1 地形地貌分析

隧址區(qū)域臨近嘉陵江流域，屬于構(gòu)造侵蝕中低山、河谷地貌，受嘉陵江影響，地表切割劇烈，地形起伏變化較大，橫坡陡峭，隱性次生斷層較多。地表有砂巖、礫巖出露，增加了地表水的入滲和儲(chǔ)存條件。

3.2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果分析

隧道施工至掌子面里程BCDK339+760時(shí)(施工自大里程向小里程方向)采用TSP進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測，探明前方不良地質(zhì)發(fā)育情況，探測范圍為: BCDK339+760-BCDK339+660，接收器位置里程為BCDK339+810，探測成果如圖1所示。

圖1 TSP超前預(yù)報(bào)成果

從探測成果圖中可以看出，隧道掌子面前方40～60 m范圍內(nèi)地震波波速反射異常。綜合分析P波、SH波、SV波及巖性參數(shù)，結(jié)合掌子面揭露情況判定BCDK339+720-BCDK339+700段為斷層破碎帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶較發(fā)育，可能存在較大溶腔，存在涌水可能。

3.3 地下河流及溶洞揭露情況

當(dāng)本隧道施工至BCDK339+721位置時(shí)，在掌子面右側(cè)斜下方出現(xiàn)溶洞，無水，潮濕滴水，為充填型溶腔，充填物為塊石、泥沙等。經(jīng)過探測，溶腔呈垂直隧道軸線方向發(fā)育，仰拱以下深度約2.0 m，寬度約20 m。經(jīng)過現(xiàn)場論證，建議在保證安全的情況下進(jìn)一步打開溶腔。經(jīng)過兩循環(huán)施工后在BC DK339+718處溶洞進(jìn)一步擴(kuò)大。溶洞上部擴(kuò)展至隧道邊墻中部，下方擴(kuò)展至仰拱以下及隧道兩側(cè)；并在隧道左側(cè)邊墻處出現(xiàn)一條暗河，河寬約1.2 m、水流量約500 m3/h，河水從右向左斜向流動(dòng)，線路中心線約呈120°。

3.4 溶洞、暗河發(fā)育分析

經(jīng)過進(jìn)一步施工揭露，溶腔展布空間分布于BCDK339+721-BCDK339+710范圍內(nèi)，呈橢圓狀，腔體與隧道軸線近似垂直，左、右均超出隧道設(shè)計(jì)界限，在BCDK339+712處以暗河形式穿越隧道橫斷面，河寬約1.2 m，走向與隧道中心線呈120°，如圖2所示。

圖2 溶洞及地下河流走向平面位置(單位：cm)

經(jīng)過地表踏勘并結(jié)合地質(zhì)資料分析，此暗河處為一斷層破碎帶，主要受地表大氣降雨入滲影響，沿?cái)鄬悠扑閹纬蓭r溶發(fā)育區(qū)。特別是在隧道穿越范圍內(nèi)溶洞極為發(fā)育，巖溶自左向右及隧道兩側(cè)逐漸發(fā)展，個(gè)別小溶洞向上發(fā)展至邊墻位置。暗河上游與砂巖、礫巖層相接，暗河水以地表降雨入滲為主，水流量受季節(jié)影響，雨季流量大，旱季流量小，暗河流向?yàn)樾毕蛳峦ㄍ瘟杲拥婪较颍ㄟ^暗流通道匯入嘉陵江。

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 處理方案

采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行地質(zhì)鉆探，探明溶洞的走向、規(guī)模、形狀、深度、地下水位、地質(zhì)情況等，為處理方案掌握第一手施工資料。監(jiān)測地下水流的流量及雨季最大流量，為確定排水方案提供依據(jù)，并考慮最不利流量的過水面積。

根據(jù)溶洞及地下暗河揭露情況及發(fā)育規(guī)律，結(jié)合地質(zhì)預(yù)報(bào)資料及區(qū)域地質(zhì)情況，綜合分析地下水來源、規(guī)模及發(fā)展對隧道工程的近期及長期安全影響[1]，經(jīng)過現(xiàn)場專家論證，提出了對邊墻兩側(cè)小溶洞進(jìn)行封堵、暗河主河道流向進(jìn)行疏導(dǎo)、邊墻兩側(cè)及靠近隧道主體結(jié)構(gòu)范圍進(jìn)行注漿加固的綜合治理技術(shù)方案。具體處理措施如下：

(1)設(shè)計(jì)圖紙中BCDK339+721-BCDK339+706段為Ⅳ級圍巖，開挖后初期支護(hù)采用?22 mm鋼筋格柵+鋼架+3.5 m錨桿掛網(wǎng)進(jìn)行噴射混凝土，二次襯砌采用加強(qiáng)復(fù)合式襯砌支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場溶洞、暗河揭露情況并綜合考慮到巖溶段全風(fēng)化圍巖與弱風(fēng)化圍巖段的圍巖壓力協(xié)調(diào)性，須設(shè)置5 m的搭接過渡長度。因此將BCDK339+726-BC DK339+701段Ⅳ級圍巖加強(qiáng)復(fù)合式襯砌的原有設(shè)計(jì)調(diào)整為Ⅴ級圍巖加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用I25工字鋼鋼架+錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土。

(2)隧道結(jié)構(gòu)下方主河道位置設(shè)置?1.5 m的鋼筋混凝土圓管涵通道，保證地下暗河水的順利通過。

(3)在隧道襯砌邊墻的下方溶洞及暗河范圍內(nèi)，設(shè)置邊墻底托梁，提高襯砌邊墻基礎(chǔ)的承載能力，保證隧道襯砌的整體穩(wěn)定性。

(4)隧道地面溶洞采取清淤處理，邊墻兩側(cè)溶洞洞穴內(nèi)注C20混凝土，并采取封堵墻加固，減少巖溶水對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊圍巖的進(jìn)一步侵蝕。

4.2 地下河流段處理

由于地下河流穿越隧道橫斷面，重點(diǎn)處理方法是將水向隧道外圍疏導(dǎo)，防止地下暗河水對隧道結(jié)構(gòu)沖刷及破壞，造成隧道運(yùn)營期出現(xiàn)路面涌水，影響正常通車運(yùn)營[2]。據(jù)探測，此暗河河道斜向下流向嘉陵江河道方向，通過暗流通道匯入嘉陵江。根據(jù)暗河的流向及豐水期暗河河水水位的實(shí)際情況，在隧道仰拱下設(shè)置?1.5 m的圓管涵通道排水，處置斷面如圖3所示。

圖3 地下河流處理措施橫斷面(單位：cm)

4.2.1 圓管涵基底處理

將隧道線路下方暗河河道及兩側(cè)進(jìn)行清淤、清障處理并清至穩(wěn)定的基巖，使暗河順暢，保證河水順利通過隧道線路，采用C20混凝土進(jìn)行回填并作為管涵涵底基礎(chǔ)，涵底基礎(chǔ)厚度不小于80 cm。

4.2.2 圓管涵施工

根據(jù)暗河河道走向及對隧道結(jié)構(gòu)、隧道周圍巖體影響，設(shè)置圓管涵方向與隧道軸線方向夾角為120°，入水口凈深1.5 m，涵底縱坡3%，入水口前應(yīng)清淤順坡，出水口處與右側(cè)暗流既有通道貫通。

4.2.3 集水井設(shè)置

為避免豐水期地下暗河泥沙及塊石對圓管涵堵塞和沖擊，避免河水過大對隧道結(jié)構(gòu)造成沖刷，在管涵進(jìn)水處設(shè)置一長×寬×深=1.5 m×3.0 m×1.5 m的集水井，起到沉底泥沙和塊石作用。

4.3 襯砌邊墻底托梁處理

由于暗流河道斜跨隧道斷面，造成隧道襯砌的邊墻底承載力下降，因此在隧道邊墻底設(shè)置托梁縱跨暗流通道，作為襯砌混凝土的基礎(chǔ)加強(qiáng)，同時(shí)在施工過程中確保托梁底與圓管涵之間回填密實(shí)。

4.3.1 底托梁設(shè)計(jì)

襯砌邊墻托梁及截面設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 邊墻底托梁(單位：cm)

4.3.2 托梁施工

(1)隧道邊墻底處溶洞進(jìn)行清淤，清至穩(wěn)定的基巖，采用C20混凝土回填至托梁底標(biāo)高。

(2)每側(cè)邊墻底托梁布置兩榀，托梁鋪設(shè)前采用M10砂漿找平，托梁跨越圓管上方1.5 m后向前后各延伸不少于1 m，每榀托梁的尺寸為400 cm×50 cm×55 cm。

(3)托梁采用C35混凝土預(yù)制，配筋情況如圖5所示。

圖5 托梁鋼筋布置(單位：cm)

4.4 布設(shè)檢修設(shè)施

為了保障隧道運(yùn)營期間及時(shí)檢查管涵堵塞及巖溶發(fā)展情況，在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，調(diào)整隧道相鄰的大避車洞位置，在BCDK339+710大避車洞處預(yù)留一處檢查通道，可到達(dá)溶洞空腔內(nèi)及圓管涵內(nèi)，并設(shè)置鋼筋爬梯可下到集水井和涵管入口處進(jìn)行清理和疏通工作[3]。

4.5 臨近隧道周圍溶洞處理

自BCDK339+721開始，地面出現(xiàn)溶洞，多為泥夾石充填，在BCDK339+718處溶洞擴(kuò)充至地面以下及隧道兩側(cè)，個(gè)別位置還出現(xiàn)空腔，而兩側(cè)向上發(fā)展的溶腔只到邊墻的位置。根據(jù)實(shí)際情況，地下部分采取清淤并采用C20混凝土回填方案，邊墻兩側(cè)的溶洞采取初期支護(hù)預(yù)留注漿口泵送C20混凝土回填方案。臨近隧道周圍溶腔處理范圍如圖6所示。

圖6 溶洞走向縱斷面(單位：cm)

(1)由于DK339+716處左側(cè)為溶洞空腔，設(shè)置1 m厚C20混凝土封堵墻，縱向延伸至DK339+710。

(2)線路兩側(cè)(尤其是左側(cè))溶腔或暗河通道可能因施工掉塊等已充填堵塞，施工中需對充填物清除干凈，以保證排水及泄洪暢通。

(3)將地面以下溶洞范圍進(jìn)行清淤，清至穩(wěn)定的基巖，用C20混凝土回填密實(shí)。

(4)邊墻兩側(cè)位置的溶腔在施工初期支護(hù)時(shí)預(yù)留泵送混凝土灌注孔，當(dāng)噴射混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)采用C20混凝土泵送回填，混凝土厚度不小于2 m。

5 結(jié)束語

連蒙村隧道工程中，根據(jù)隧道溶洞的形態(tài)和發(fā)育情況及地下河流實(shí)際工程特征，制定出合理有效的施工處理方案。在施工中需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，對隧道溶洞及地下暗河處理進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場合理調(diào)整施工，以達(dá)到滿意的施工效果。