貴南高速鐵路隧道巖溶處理技術(shù)研究

蔣 翊，張琴琴

(1.廣西路橋集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣西 南寧 530200；2.中鐵二院南寧勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530022)

0 引言

廣西是我國(guó)巖溶最為發(fā)育的地區(qū)之一，而對(duì)巖溶的處理效果也影響著隧道的安全。針對(duì)隧道巖溶，許勝等[1]研究了滬昆高鐵跨越朱砂堡隧道基底大型溶洞問(wèn)題，并采用迂回平導(dǎo)改移部分暗河的處理措施；王喚龍[2-3]研究了云桂鐵路-東風(fēng)隧道的基底巖溶問(wèn)題；劉敏捷等[4]研究了貴州某大跨隧道的巖溶管道問(wèn)題；王繼剛[5]研究了高鐵穿越半填充大型溶洞的問(wèn)題；張廣澤等[6]研究了高速鐵路隧道巖溶的防治技術(shù)；寇邦寧[7]對(duì)南玉鐵路的巖溶塌方進(jìn)行了研究處理。本文針對(duì)貴南高速鐵路的典型巖溶問(wèn)題，給出了具體的設(shè)計(jì)和施工處治案例，以供參考。

1 工程概況

貴南高速鐵路德興隧道屬于單洞雙線隧道，進(jìn)口樁號(hào)為DK309+255，出口樁號(hào)為DK314+459，全長(zhǎng)5 204 m，進(jìn)口接路基工程，出口接橋梁工程。隧道內(nèi)線路縱坡為人字形，進(jìn)口至出口依次為：2 045 m的3.5‰上坡，2 300 m的22‰上坡，859 m的10.5‰下坡，最大埋深約為300 m。隧道位于連片峰叢洼地地貌區(qū)，洼地底部巖溶管道錯(cuò)綜復(fù)雜。地質(zhì)勘探顯示洞身DK310+100～DK310+250段發(fā)育暗河及存在大型溶洞發(fā)育段，極有可能下穿Ⅴ類異常區(qū)，該段巖體極其破碎，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，不排除還存在其他未探明的巖溶管道、巖溶大廳。洞身穿越地層均為可溶巖地層，全隧共穿越1處斷層破碎帶。

2 巖溶處理一般原則及方法

2.1 隧道拱部/拱腰部位溶腔

溶腔經(jīng)過(guò)水文地質(zhì)判斷，將來(lái)不可能有較大過(guò)水時(shí)，宜采用混凝土回填。根據(jù)溶腔發(fā)育高度及范圍，為保證隧道結(jié)構(gòu)安全，拱頂設(shè)置混凝土護(hù)拱結(jié)構(gòu)(厚度≥2 m)；為防止溶腔局部掉塊、坍塌，在護(hù)拱外側(cè)設(shè)置緩沖墊層，緩沖墊層厚度根據(jù)溶腔高度確定，一般≥1 m。緩沖墊層為水泥+機(jī)制砂拌和料，水泥摻量為150 kg/m3。

2.2 隧道邊墻溶腔

對(duì)于隧道邊墻位置發(fā)育的溶腔，經(jīng)過(guò)水文地質(zhì)判斷，將來(lái)不可能有較大過(guò)水時(shí)，原則上對(duì)溶腔采用混凝土回填?；靥詈穸葹檫厜喞€外3～5 m，根據(jù)溶腔發(fā)育規(guī)模等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2.3 隧底溶腔

對(duì)于隧底無(wú)充填溶腔，當(dāng)發(fā)育深度及寬度較小時(shí)(一般按深度<5 m)，采用C20混凝土進(jìn)行回填；當(dāng)發(fā)育深度較大時(shí)，根據(jù)具體規(guī)模在溶腔底部?jī)?yōu)先采用洞渣回填，在結(jié)構(gòu)底部以下約5 m范圍內(nèi)采用混凝土回填，頂部采用梁板結(jié)構(gòu)或路基填筑跨越方案跨過(guò)。

3 工程實(shí)例

3.1 隧道拱頂/拱腰部位巖溶處理

該隧道暗洞DK311+713～DK311+722段拱頂及拱腰存在一無(wú)填充型溶腔，與隧道洞身斜交，溶腔縱向發(fā)育長(zhǎng)度約為9.3 m，溶腔發(fā)育高度約為12 m，其中7 m位于隧道洞身內(nèi)，5 m位于隧道拱頂上方；溶腔橫向發(fā)育寬度約為9 m，投影邊界均位于隧道內(nèi)部，巖溶水發(fā)育一般。擬對(duì)溶腔采用4 m厚的C25混凝土回填，兼作襯砌結(jié)構(gòu)保護(hù)層，并在護(hù)拱外側(cè)設(shè)置2 m厚緩沖墊層，防止溶腔局部掉塊、坍塌破壞隧道結(jié)構(gòu)，緩沖墊層為水泥漿+機(jī)制砂拌和料，水泥摻量150 kg/m3。為使巖溶排水通暢，進(jìn)行溶腔處理時(shí)在緩沖墊層內(nèi)部預(yù)埋市政波紋管作為排水通道。波紋管端口設(shè)置于緩沖墊層下0.5 m，另一端接入隧道側(cè)溝，波紋管管口及管身采用土工布包裹，波紋管直徑一般≥200 mm，間距≤3 m，如下頁(yè)圖1所示。

3.2 隧道邊墻巖溶處理

該隧道邊墻DK312+613～DK312+625位置的溶腔位于右線右側(cè)，溶腔橫向邊界距離線路右線約為19 m，溶腔豎向邊界位于拱頂上方約為17 m，縱向長(zhǎng)度約為12 m，巖溶水發(fā)育情況一般。擬對(duì)該溶腔采用3 m厚的C25混凝土擋墻+2 m厚C25混凝土回填+2 m厚緩沖墊層補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)溶腔發(fā)育規(guī)模對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。具體如圖2所示。

圖1 隧道拱頂及拱腰巖溶處理方案示意圖(cm)

圖2 隧道拱部及邊墻巖溶處理方案示意圖(cm)

3.3 大型無(wú)填充型溶腔處理

德興隧道DK310+130～DK310+210段下穿Ⅴ類異常區(qū)，巖體極其破碎，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，在施工圖設(shè)計(jì)階段對(duì)巖溶暗河段進(jìn)行補(bǔ)充勘察，發(fā)現(xiàn)該處確實(shí)存在大型無(wú)填充型溶洞。據(jù)物探結(jié)果顯示，線路DK310+170～DK310+195段下穿巖溶豎井，上跨暗河，線路標(biāo)高約230 m，巖溶豎井鉆探最深至標(biāo)高139 m處，推測(cè)暗河標(biāo)高約130～160 m，暗河管道斷面尺寸一般為2 m×5 m，豎井內(nèi)積水一般不會(huì)超過(guò)標(biāo)高185 m，連續(xù)強(qiáng)降雨暗河排水不暢時(shí)，豎井內(nèi)地下水上漲的可能性大。巖溶豎井上方有約75 m的漏空空間，豎井頂板厚0～20 m，有整體坍塌風(fēng)險(xiǎn)；隧頂上方有倒懸?guī)r體凸出，溶洞圍巖主要為中厚-厚層狀灰?guī)r，兩組陡傾角節(jié)理較發(fā)育，圍巖總體較完整且自然狀態(tài)下較穩(wěn)定，局部圍巖較破碎，頂板及側(cè)壁的石鐘乳和較破碎巖塊受震動(dòng)可能形成巨塊狀落石，危巖落石對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)影響較大，風(fēng)險(xiǎn)極高。

針對(duì)該大型溶腔，在不改移線路的情況下對(duì)暗河河道進(jìn)行改移，然后對(duì)洞壁、洞頂進(jìn)行局部加固，采用C25混凝土對(duì)溶洞大廳分層進(jìn)行回填，回填至拱部以上10 m(拱部以上10 m至倒懸體下方采用土石回填密實(shí))，最后采用礦山法開挖、控制爆破和暗挖法通過(guò)該段。由于溶洞豎井回填措施需要，于線路DK310+195處設(shè)置3個(gè)導(dǎo)洞，全部于線路右側(cè)溶洞側(cè)壁出洞，回填處理溶洞。

(1)考慮到豎井溶洞頂部及側(cè)壁存在掉塊風(fēng)險(xiǎn)，為確保施工、結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全，須對(duì)洞壁、洞頂進(jìn)行局部加固，對(duì)正線附近的洞壁、洞頂不穩(wěn)定區(qū)域須采取噴錨網(wǎng)加固，并有針對(duì)性地采取一定的施工防護(hù)措施。為避免回填物堵塞豎井底部暗河，在回填之前對(duì)地下暗河河段進(jìn)行改移處理，利用排水通道將暗河上游水引排至下游，排水通道與地下暗河呈大角度相交，在地下暗河枯水期期間施工排水通道，如圖3所示。排水通道于正線線路右側(cè)設(shè)置，連接至暗河上游，坡度為5‰，暗河改移通道與暗河貫通后，須對(duì)上游暗河進(jìn)行封堵，將暗河水截排引流至排水通道，防止下游暗河水倒灌至溶洞豎井。封堵的施工步驟為：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→修筑周邊引排水設(shè)施→修筑圍堰→基坑開挖→基坑處理→基底處理→封堵墻施作。

圖3 地下暗河改移示意圖

(2)1#導(dǎo)洞為主導(dǎo)洞，在溶洞側(cè)壁出洞處標(biāo)高為271.8 m，長(zhǎng)757 m，主要用于溶洞豎井3#導(dǎo)洞以上高程范圍內(nèi)的土石回填及溶洞內(nèi)危巖落石處理，以及洞頂上方混凝土及土石回填。2#導(dǎo)洞于線路下方溶洞側(cè)壁出洞，標(biāo)高為195 m，長(zhǎng)486.92 m。2#導(dǎo)洞于1#導(dǎo)洞右側(cè)進(jìn)行迂回設(shè)置，主要用于溶洞豎井井底至2#導(dǎo)洞底高程范圍內(nèi)的回填。該通道的主要功能為：預(yù)先進(jìn)入豎井溶洞，測(cè)量豎井溶洞回填范圍和推測(cè)排水通道與暗河接口位置，同時(shí)也便于對(duì)施工期間排水通道的暗河水位、水量及流速進(jìn)行觀察、監(jiān)測(cè)，確保施工安全。3#導(dǎo)洞于線路下方溶洞側(cè)壁出洞，標(biāo)高為220 m，長(zhǎng)308.81 m。3#導(dǎo)洞于1#導(dǎo)洞左側(cè)迂回設(shè)置，主要用于溶洞豎井1#、2#導(dǎo)洞之間高程范圍內(nèi)的回填。

溶腔回填時(shí)采用空心鋼管作為框架，既可以減少混凝土灌注量，也可以在鋼管中加注水以減少大體積混凝土水化熱，保證混凝土澆筑質(zhì)量，還可以增加混凝土的整體性及剛度，減少收縮。初步處理方案如后頁(yè)圖4所示。

圖4 德興隧道正線附近溶腔處理方案設(shè)計(jì)示意圖(m)

4 結(jié)語(yǔ)

巖溶是隧道常見疑難問(wèn)題之一，由于其發(fā)育的復(fù)雜性、不均勻性和不穩(wěn)定性，對(duì)其處理不當(dāng)很容易引發(fā)嚴(yán)重的事故，隧道作為主要承重的結(jié)構(gòu)，對(duì)巖溶處理的好壞顯得至關(guān)重要。綜上所述，可得出以下結(jié)論：

(1)重視物探和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)隧道巖溶情況進(jìn)行詳盡摸索與探查，設(shè)計(jì)前期盡可能避開大型溶腔，施工期間應(yīng)結(jié)合隧道周邊環(huán)境對(duì)巖溶段落處理完善，不留后患。

(2)對(duì)拱頂及拱腰位置的溶腔，采用護(hù)拱+緩沖墊層處理，對(duì)隧道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；對(duì)隧周溶腔，采用擋墻+護(hù)拱+墊層處理；對(duì)隧底大型溶腔，可采用導(dǎo)洞+改移暗河+回填或改移線位方法處理，有效跨越大型溶洞段。

(3)施工期間重視對(duì)巖溶水的處理，維持既有排泄通道，有暗河段要對(duì)其進(jìn)行局部改移，避免破壞原有的巖溶水排水路徑，竣工后加強(qiáng)對(duì)巖溶水防排水系統(tǒng)的巡查。