復(fù)雜巖溶地質(zhì)隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)

蒲建國(guó)

(滬昆鐵路客運(yùn)專線貴州有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

對(duì)于復(fù)雜巖溶地質(zhì)中的高鐵隧道而言，防排水仍是影響其運(yùn)營(yíng)安全的薄弱環(huán)節(jié)。目前，在已開通的貴廣鐵路、滬昆鐵路貴州段運(yùn)營(yíng)過程中，部分隧道在雨季短時(shí)強(qiáng)降雨天氣下出現(xiàn)排水能力不足、排水不暢產(chǎn)生局部水壓、施工縫滲漏水、掉塊等影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的情況。出現(xiàn)此類防排水病害的原因主要為：①在隧道設(shè)計(jì)階段，由于勘察手段的限制，對(duì)巖溶地區(qū)的巖溶裂隙水、巖溶管道水等地下水特性了解不足，不能進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)；②在隧道施工階段，隧道二次襯砌和基底處理等施工未嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)的技術(shù)要求。本文以貴南鐵路為工程背景，介紹了復(fù)雜巖溶地質(zhì)隧道建設(shè)階段采取的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

1 加強(qiáng)型隧道防排水設(shè)計(jì)

1.1 襯砌背后排水系統(tǒng)

為有效提高襯砌背后排水能力，降低襯砌背后水壓致裂、滲漏水等病害風(fēng)險(xiǎn)和排水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本增加。襯砌背后排水系統(tǒng)采取如下設(shè)計(jì)：

(1)對(duì)環(huán)向盲管進(jìn)行縱向加密，一般地段環(huán)向盲管間距取為5 m，巖溶及地下水發(fā)育地段縱向間距取為2 m。

(2)在矮邊墻增設(shè)孔徑不小于110 mm的泄水孔(管)，孔(管)間距不大于2 m，并與盲管錯(cuò)開布置。在側(cè)溝(槽)立模澆筑前，疏通孔內(nèi)結(jié)晶物并鉆孔深入圍巖0.5 m。

(3)隧底布設(shè)環(huán)向盲管，管徑不小于50 mm，縱向間距不大于5 m；同時(shí)采用無紡布進(jìn)行包裹用以收集仰拱底部地下水，波紋管兩頭彎入邊墻側(cè)溝。

(4)拱墻環(huán)向施工縫1.5 m范圍布設(shè)“凸”殼型排水板[1]，發(fā)揮“凸”殼型排水板的“面排水”功能。

1.2 隧道內(nèi)排水系統(tǒng)

首先在左右邊墻側(cè)溝槽壁與道床之間各縱向拉通增設(shè)尺寸為寬0.3 m×深0.2 m的道床側(cè)溝。然后在道床側(cè)溝與中心溝之間增設(shè)橫向排水溝，溝頂板低于道床板0.15 m，排水坡度2%。橫向排水溝寬0.4 m、深0.17～0.23 m，沿縱向每隔30 m設(shè)置一道，使得道床與側(cè)溝之間的積水匯入道床側(cè)溝，再經(jīng)橫向排水溝連接中心水溝排出洞外[2]。最后在邊墻側(cè)溝與橫向排水溝之間埋設(shè)?110 mm的PVC彎頭進(jìn)行連接，從而分流邊墻側(cè)溝的水，使得排水系統(tǒng)更加通暢、科學(xué)、合理。

1.3 隧底地下水泄壓系統(tǒng)

在巖溶及地下水發(fā)育段，布設(shè)隧底環(huán)向盲管，間距5 m，兩端彎入邊墻側(cè)溝，在中心水溝兩側(cè)壁位置打設(shè)豎向管(左右交錯(cuò))彎入中心水溝，必要時(shí)，在道床側(cè)溝底部打設(shè)泄壓管。為隧底有壓水提供排水通道，防止有壓水破壞道床，保證施工質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)維護(hù)安全。隧道排水路徑、排水系統(tǒng)斷面以及排水系統(tǒng)布置見圖1～圖3。

1.4 圍巖集中出水點(diǎn)和裂隙股狀水處置

對(duì)于開挖面揭示的集中出水點(diǎn)和裂隙股狀水，可于初期支護(hù)背后單獨(dú)設(shè)置管徑不小于110 mm的PVC管作為專項(xiàng)排水管路直接接入中心水溝，從而提高隧道施工階段的排水能力，降低出現(xiàn)襯砌開裂、滲漏水等病害的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 排水路徑

圖3 排水系統(tǒng)布置平面

圖2 排水系統(tǒng)布置斷面(單位：cm)

1.5 二襯施工縫、變形縫防水

基于質(zhì)量與投資控制的雙重考慮，根據(jù)隧道工點(diǎn)地質(zhì)條件和地下水發(fā)育情況，二襯施工縫、變形縫防水在水量大的地段采用自粘式止水帶、其他地段采用材料性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的普通止水帶，該措施既可滿足排水質(zhì)量要求又可有效降低投資。

1.6 施工期間集水廊道

在隧道施工過程中，當(dāng)原設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)不能滿足排水需求時(shí)，需增設(shè)集水廊道對(duì)其進(jìn)行匯集，然后引排至泄水洞、平導(dǎo)、橫洞等輔助坑道排水設(shè)施中。

貴南鐵路貴州段朝陽(yáng)隧道掌子面開挖至DK163+786處，揭示巖性主要為灰?guī)r，掌子面左側(cè)邊墻有一裂隙，裂隙內(nèi)富水，水量約為150 m3/h，裂隙張口尺寸約為0.3 m，向隧道外輪廓斜上方發(fā)育，拱頂向上發(fā)育一黏土充填溶腔，溶腔內(nèi)富水，出水位置為一豎向發(fā)育溶槽，溶槽尺寸約為1.0 m(長(zhǎng))×0.25 m(寬)，向上發(fā)育高度不明。隧區(qū)巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，地下水屬于巖溶裂隙～管道水，局部可能存在大的溶隙或隱伏巖溶管道[3]，可能導(dǎo)致突泥涌水。在建設(shè)過程中，為將隧底及拱頂巖溶水引排至洞身平導(dǎo)，達(dá)到泄水降壓的效果，分別于線路左側(cè)和拱頂處各增設(shè)了一集水廊道，集水廊道與溶腔和平導(dǎo)聯(lián)通，將該處出水引排至平導(dǎo)內(nèi)，使巖溶、裂隙水排水暢通，降低了突泥涌水的風(fēng)險(xiǎn)，減小二襯結(jié)構(gòu)的水頭壓力，保證隧道施工質(zhì)量安全的同時(shí)，也為運(yùn)營(yíng)安全提供保障。

2 二次襯砌設(shè)計(jì)和施工技術(shù)

2.1 常見質(zhì)量問題

2.1.1 施工間隙冷縫

在貴廣鐵路、滬昆客專貴州段Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖及Ⅳ級(jí)硬質(zhì)圍巖深埋地段隧道施工過程中，二次襯砌采用素混凝土進(jìn)行澆筑，由于混凝土施工中存在運(yùn)輸中斷、混凝土輸送管道堵塞等問題導(dǎo)致出現(xiàn)施工間隙冷縫。

2.1.2 運(yùn)營(yíng)期襯砌開裂、掉塊

襯砌混凝土中的非結(jié)構(gòu)裂紋在隧道內(nèi)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)正負(fù)壓差反復(fù)作用下會(huì)逐漸增大，從而產(chǎn)生開裂、掉塊等影響高鐵運(yùn)營(yíng)安全的隱患。

2.2 二次襯砌設(shè)計(jì)

為降低隧道襯砌混凝土掉塊風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)巖溶隧道二襯結(jié)構(gòu)安全、降低運(yùn)營(yíng)期正負(fù)壓反復(fù)作用導(dǎo)致隧道二次襯砌出現(xiàn)開裂、掉塊風(fēng)險(xiǎn)，確保開通以后的運(yùn)營(yíng)安全。在《鐵路巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(Q/CR 9251-2020)頒布前，為降低隧道襯砌混凝土掉塊風(fēng)險(xiǎn)，在貴南鐵路貴州段隧道可溶巖Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖素混凝土地段隧道施工過程中，在隧道拱部142°39′24″范圍內(nèi)設(shè)置?8 mm鋼筋網(wǎng)作為護(hù)面鋼筋，拱墻內(nèi)設(shè)置間距2 m的鋼筋格柵支撐和固定護(hù)面鋼筋網(wǎng)片；在《鐵路巖溶隧道勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布后，可溶巖地段隧道采用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

2.3 二次襯砌施工技術(shù)

2.3.1 二次襯砌臺(tái)車工藝工法

借鑒京張鐵路、鄭萬鐵路湖北段先進(jìn)合理的工藝工裝配置經(jīng)驗(yàn)，對(duì)二次襯砌臺(tái)車加裝料斗與滑槽以實(shí)現(xiàn)混凝土分層分窗對(duì)稱入模灌注、分層搗固混凝土[4]；同時(shí)在二襯端模帶中設(shè)置環(huán)向中埋式止水帶固定夾具，并加設(shè)環(huán)向止水條以防止模板臺(tái)車對(duì)已完成襯砌壓力過大從而導(dǎo)致襯砌開裂；拱頂預(yù)埋帶模注漿管并配置注制漿一體機(jī)具[4]。在此基礎(chǔ)上，貴南鐵路隧道施工過程中還對(duì)二次襯砌臺(tái)車進(jìn)行了以下改進(jìn)：

(1)對(duì)二襯模板臺(tái)車進(jìn)行改裝，使二襯環(huán)向施工縫形成“弧形倒角”，釋放二襯施工縫處產(chǎn)生的應(yīng)力，大大降低二襯施工縫病害。

(2)拱墻與矮邊墻已澆筑的襯砌混凝土的剛性搭接技術(shù)優(yōu)化為柔性搭接技術(shù)，簡(jiǎn)稱“軟搭接”，以防止施工縫處漏漿、錯(cuò)臺(tái)、沙化及蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷。“軟搭接”技術(shù)也適用于環(huán)向施工縫。

2.3.2 隧道拱頂灌注控制及襯砌背后充填注漿

為避免隧道拱頂混凝土產(chǎn)生厚度不足、不密實(shí)、空洞的缺陷，在灌注拱頂混凝土?xí)r，從下至上逐層進(jìn)行，直至拱頂，采用可視化的監(jiān)控系統(tǒng)和壓力傳感系統(tǒng)，使拱頂混凝土灌注達(dá)到可視化和定量控制，保證拱頂灌注質(zhì)量。

在本循環(huán)二襯混凝土灌注完成后，在拱頂防水板表面沿縱向布置注漿管和排氣管進(jìn)行拱頂充填注漿。注漿管采用?30 mmPVC管，外漏部分20 cm，注漿管上鉆孔作為溢漿孔(排氣管不布孔)，溢漿孔梅花型布置，孔徑不小于6 mm，孔間距不大于20 cm。設(shè)置注漿管與排氣管時(shí)注意保護(hù)防水板不被破壞，影響排水效果。注漿采用微膨脹早強(qiáng)水泥砂漿，滿足和易性、耐久性并滿足配合比要求，注漿壓力應(yīng)小于0.2 MPa，當(dāng)注漿壓力超過0.2 MPa或漿液從排氣管排出時(shí)即可停止注漿，將注漿孔封填密實(shí)，并對(duì)注漿效果和襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢查、驗(yàn)證。

3 隧底處理技術(shù)

3.1 隧底上浮控制技術(shù)

3.1.1 隧道上浮問題

隧底仰拱是二襯結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是病害發(fā)生后最嚴(yán)重、最難處理以及威脅最大的部位。近年來，西南地區(qū)多座軟質(zhì)巖緩傾巖層鐵路隧道在運(yùn)營(yíng)前或經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)營(yíng)之后，隧底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的上浮，造成軌道上拱、不平順等病害，尤其是采用無砟道床的隧道，由于其軌道的可調(diào)空間極為有限，隧底上浮病害直接危及行車安全。貴廣鐵路、滬昆客專貴州段個(gè)別隧道也因巖溶水、緩傾水平巖層等引起隧道軌道結(jié)構(gòu)上浮病害。

在隧道運(yùn)營(yíng)期內(nèi)若出現(xiàn)隧底上浮，可通過增設(shè)泄水洞、重構(gòu)仰拱等措施進(jìn)行整治，但運(yùn)營(yíng)、施工協(xié)調(diào)問題突出，安全壓力巨大、勞動(dòng)效率極低、投資增加極大。

3.1.2隧底抗浮措施

貴南鐵路貴州段朝陽(yáng)隧道DK164+440-DK168+710段為水平巖層，在施工過程中，該段采取調(diào)整仰拱曲率至1/8、厚度加厚至70 cm的隧底結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。通過對(duì)該段整體的仰拱沉降量監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析，累計(jì)總沉降值均控制在±3 mm以內(nèi)，沒有出現(xiàn)沉降過大的情況，典型斷面的沉降變化也隨時(shí)間的增長(zhǎng)趨近于穩(wěn)定，并收斂于一個(gè)較小的范圍，均未出現(xiàn)不可控的較大沉降，說明該段的沉降控制效果較好，結(jié)構(gòu)總體安全穩(wěn)定。

該措施在貴南鐵路貴州段進(jìn)行推廣，減小了運(yùn)營(yíng)期隧底上浮病害的發(fā)生概率，降低維修成本，確保運(yùn)營(yíng)安全。

3.2 隧道基底隱伏巖溶探查和處理

3.2.1 隧道基底隱伏巖溶探查

隧道基底在巖溶水、裂隙水等地下水以及地表水補(bǔ)給作用下將產(chǎn)生隱伏巖溶，直接影響到隧道自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，威脅鐵路運(yùn)營(yíng)安全。為了提高工程實(shí)體質(zhì)量，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，在施工過程中對(duì)隧道基底一定深度范圍內(nèi)，分仰拱澆筑前后兩個(gè)階段進(jìn)行隱伏巖溶探查，為巖溶整治提供基礎(chǔ)資料。

3.2.2 隧道基底隱伏巖溶處理措施

針對(duì)貴南鐵路貴州段斗篷山一號(hào)隧道(DK40+100-DK42+130段)隱伏巖溶探測(cè)出現(xiàn)的溶蝕破碎帶、溶洞等異常段落進(jìn)行處理。

(1)隧底溶蝕破碎帶處理：隧底溶蝕破碎帶可采用打孔泄壓的方式進(jìn)行處理。打孔泄壓可加強(qiáng)隧底地下水的引排，降低地下水對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)的水頭壓力，確保結(jié)構(gòu)安全，有效的預(yù)防隧底病害的發(fā)生，保證運(yùn)輸安全。其流程為：在隧底增設(shè)排水降壓孔，并首先施作兼做取芯孔的排水降壓孔，每一段溶蝕破碎帶取芯孔單側(cè)間距20 m且至少有1個(gè)。取芯后，若取芯孔無異常，可正常施作排水降壓孔；取芯后，若芯樣采取率不高、芯樣破碎，應(yīng)在該取芯孔孔內(nèi)做電視成像，以探明鉆孔孔周地質(zhì)情況，待電視成像完成后在孔內(nèi)設(shè)?100 mmPVC管，并鑿槽埋設(shè)?100 mmPVC彎管將排水降壓孔內(nèi)涌水直接引入中心溝，然后將開槽回填至原設(shè)計(jì)仰拱填充頂面；溶蝕破碎帶內(nèi)同時(shí)有溶洞需進(jìn)行注漿處理時(shí)，先行施作溶洞注漿處理措施，待注漿完成3 d以后，方可施作溶蝕破碎帶內(nèi)的排水降壓孔。

(2)隧底溶洞處理：隧底溶洞底板厚度大于10 m時(shí)可不做處理，當(dāng)隧底溶洞底板厚度不大于10 m時(shí)可采用鉆孔注漿的方式進(jìn)行處理。鉆孔間距5 m，每處異常區(qū)取鉆孔的10%兼做取芯孔且不小于2孔。先施作取芯孔，并根據(jù)取芯鉆孔資料綜合判識(shí)，確定是否調(diào)整其余注漿孔設(shè)置參數(shù)；注漿鉆孔深度超過異常區(qū)下邊界0.5 m。鉆孔采用?89 mm鉆孔，內(nèi)置?75 mm鋼花管作為注漿管，漿液采用C20水泥漿(取芯孔揭示有較大空溶洞時(shí)，可調(diào)整為灌注水泥砂漿或細(xì)石混凝土)。注漿終止由注漿壓力進(jìn)行控制，當(dāng)注漿壓力達(dá)到注漿終壓0.3 MPa、連續(xù)10 min不進(jìn)漿可結(jié)束單孔注漿，并記錄注漿過程中的注漿壓力、注漿時(shí)間及注漿量等數(shù)據(jù)，為以后注漿提供參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

貴南鐵路貴州段隧道通過對(duì)隧道防排水設(shè)計(jì)、二次襯砌開裂與掉塊防治、隧底抗浮等方面不斷優(yōu)化，使得隧道設(shè)計(jì)和施工更加的科學(xué)、合理，從而使隧道質(zhì)量控制得到了很大的提升，減小了病害發(fā)生的概率。為西南地區(qū)巖溶、復(fù)雜地質(zhì)條件隧道質(zhì)量控制積累了豐富的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)今后類似地質(zhì)條件隧道質(zhì)量控制起到了借鑒和推動(dòng)作用。