隧道拱頂半填充大溶洞處治施工技術(shù)

鄭寰宇

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530001;2.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著廣西公路建設(shè)規(guī)模與數(shù)量的增長(zhǎng),在喀斯特地貌區(qū)建設(shè)隧道越來(lái)越多遇到大型溶洞,而大型溶洞極易在施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)期間引發(fā)安全與質(zhì)量問(wèn)題,因此采用何種處治方案對(duì)其進(jìn)行處治就尤其重要。廣西武宣至忻城高速公路(來(lái)賓至忻城段)巖溶區(qū)內(nèi)的來(lái)賓三號(hào)隧道采用護(hù)拱法穿越大溶洞,其具體處治方法為:先做護(hù)拱,在護(hù)拱外回填混凝土作為人造圍巖保護(hù)殼,并設(shè)置隧道外排水設(shè)施保留溶洞的原來(lái)過(guò)水通道。該方法適用性強(qiáng),施工簡(jiǎn)單、便捷、快速,既能最大限度地保證施工安全與質(zhì)量,且能隨時(shí)進(jìn)入溶洞內(nèi)對(duì)溶洞發(fā)展變化情況進(jìn)行觀察與進(jìn)一步處治,從而更好地保障隧道運(yùn)營(yíng)期的質(zhì)量安全。本文從襯砌結(jié)構(gòu)、溶洞內(nèi)排水、施工方法等方面對(duì)護(hù)拱法穿越隧道拱頂大溶洞的具體處治方案進(jìn)行闡述。

1 工程概況

來(lái)賓三號(hào)隧道設(shè)計(jì)為高速公路雙向四車道分離式隧道,從進(jìn)口端左洞開(kāi)挖至ZK56+330(隧道埋深約152 m)時(shí),在掌子面右上部位揭露出1個(gè)半填充大溶洞,溶洞與隧道走向呈斜交,溶腔長(zhǎng)度約為120 m、最寬處約為20 m、最高處約為15 m。溶洞頂部有石鐘乳,下部有約10 m充填物(充填物頂標(biāo)高至隧道拱頂距離約為0.9～1.6 m),以黏土為主,表部為角礫(厚度為0.2～2.0 m)。隧道溶洞段巖質(zhì)為中風(fēng)化灰?guī)r,溶洞內(nèi)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),產(chǎn)狀為276°∠36°,呈中厚層狀。溶洞離掌子面遠(yuǎn)端走向?yàn)?80°、近端走向?yàn)?5°(隧道走向?yàn)?5°)。溶洞頂近端石鐘乳古老,巖石干燥,已停止發(fā)育;遠(yuǎn)端石鐘乳新鮮,有滴水,正在發(fā)育。無(wú)暴雨時(shí)溶洞內(nèi)有小股狀洞周裂隙滲水,流量約為5 L/min,水清澈;降大雨后出現(xiàn)大量涌水,最大涌水量為27 592 m3/d。

2 處治設(shè)計(jì)參數(shù)

來(lái)賓三號(hào)隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段受溶洞影響,從最大限度保證隧道穿越溶洞施工過(guò)程安全和后期隧道運(yùn)行安全的角度綜合考慮,確定了襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù),采用Ⅰ20B工字鋼拱架間距為50 cm,C25噴涂混凝土厚度為26 cm,直徑8 mm鋼筋網(wǎng)間距為20 cm×20 cm,直徑為42 mm、壁厚為4 mm、長(zhǎng)度為6 m系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管間距為50 cm(縱向)×100 cm(環(huán)向)梅花布置作為初期支護(hù);C35防水鋼筋混凝土厚度為50 cm作為二次襯砌,預(yù)留變形量為15 cm。處治方法采用從ZK56+330處掌子面開(kāi)始往大樁號(hào)開(kāi)挖襯砌結(jié)構(gòu)頂部溶洞填充物形成的薄弱覆蓋層,每3 m為1個(gè)循環(huán),開(kāi)挖后立即施作護(hù)拱(護(hù)拱采用間距為100 cm Ⅰ20b工字鋼+50 cm厚C25噴射混凝土),再以護(hù)拱為底模,在護(hù)拱外泵送回填C20混凝土(護(hù)拱頂部回填混凝土厚度≥1 m)作為人造圍巖保護(hù)殼,再在護(hù)拱的保護(hù)下,采用兩臺(tái)階預(yù)留核心土法開(kāi)挖掘進(jìn)并施作初支及二襯結(jié)構(gòu)。同時(shí),在ZK56+335處右側(cè)與ZK56+360處左側(cè)分別設(shè)置集水槽,集水槽向上連通溶洞與隧道中央排水溝,確保原有排水通道順暢。溶洞處治斷面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 溶洞處治斷面設(shè)計(jì)圖

3 施工工藝流程

巖溶勘探→危巖排查與清除→溶洞臨時(shí)排水施工→逐段開(kāi)挖溶洞底部填充物施作護(hù)拱(3 m/段)→逐段護(hù)拱外溶洞泵送回填混凝土→逐段護(hù)拱范圍隧道洞身逐榀開(kāi)挖及初支(在設(shè)集水槽的地方,一并開(kāi)挖施作集水槽)→隧底承載力檢測(cè)(若不足進(jìn)行基底處理)→仰拱施工→隧道防排水施工→二襯施工。

4 施工關(guān)鍵及要點(diǎn)

4.1 巖溶勘探

溶洞揭露出來(lái)后,應(yīng)結(jié)合地勘資料,采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段,探清巖溶規(guī)模、溶洞分布、巖溶充填、地下水及其流向等情況,核實(shí)巖溶與隧道空間位置關(guān)系等[1]。

4.2 危巖清排

從ZK56+330處掌子面溶洞口開(kāi)始,對(duì)溶洞內(nèi)進(jìn)行排險(xiǎn)工作。溶洞處治采用逐段施工,每段施工前必須先排險(xiǎn),以安全第一為原則。排險(xiǎn)主要以清理松動(dòng)圍巖為主,不能過(guò)大擾動(dòng)溶洞內(nèi)圍巖,優(yōu)先采用挖機(jī)緩慢清理溶洞口的淤泥、黏土以及松動(dòng)的巖石,清理后立即采用C25噴射混凝土防護(hù),視溶洞口圍巖的穩(wěn)定性而決定是否增加錨桿或注漿小導(dǎo)管,防止塌方。溶洞口圍巖穩(wěn)定后,才可進(jìn)入溶洞內(nèi)進(jìn)行排險(xiǎn)。在溶洞內(nèi)人工使用鋼釬進(jìn)行排險(xiǎn),排除溶洞內(nèi)的浮石、險(xiǎn)石。

4.3 溶洞臨時(shí)排水

在隧道左側(cè)溶洞內(nèi)設(shè)置攔水壩,攔截雨天溶洞內(nèi)流水,減少溶洞內(nèi)流水對(duì)施工的影響,用水泵與排水管(帶)將攔截的水抽排到隧道洞外。攔水壩位置要結(jié)合溶洞內(nèi)地形及地基情況等綜合選取,修建在溶洞較窄處,與溶洞軸線正交,能縮短攔水壩的長(zhǎng)度。

4.4 溶洞底部填充物開(kāi)挖

從掌子面揭露的溶洞口往掌子面正前方采用放坡開(kāi)挖的方式沿隧道縱向逐段開(kāi)挖溶洞底部填充物,每段縱向開(kāi)挖長(zhǎng)度控制為≤3 m[2]。采用挖機(jī)開(kāi)挖溶洞內(nèi)的淤泥、松軟的黏土等巖溶填充物,控制臨時(shí)邊坡坡比為1∶0.5。在開(kāi)挖過(guò)程中,溶洞內(nèi)逐漸形成方便人員、機(jī)械通行的施工通道。填充物開(kāi)挖后立即進(jìn)行危石清排。

4.5 護(hù)拱施工

逐段的溶洞底部填充物開(kāi)挖及溶洞排險(xiǎn)后,進(jìn)行該段的護(hù)拱施工。護(hù)拱工字鋼拱架要穩(wěn)固架立在基巖上,根據(jù)測(cè)量放樣確定每榀拱架兩端在基巖上的架立位置,以測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)確定工字鋼拱架的加工弧長(zhǎng)。在護(hù)拱拱架兩端向圍巖內(nèi)打設(shè)各2根無(wú)縫鋼管,長(zhǎng)為5 m,直徑為42 mm,壁厚為4 mm,作為鎖腳。拱架用鎖腳鋼管焊接固定。每榀拱架之間通過(guò)直徑22 mm螺紋鋼筋焊接相連,拱架背后設(shè)置間距為20 cm×20 cm的直徑8 mm圓鋼鋼筋網(wǎng),增強(qiáng)護(hù)拱的整體性。

4.6 溶洞混凝土回填

護(hù)拱外的溶洞回填混凝土前應(yīng)清理干凈回填范圍內(nèi)溶洞壁的黏土、淤泥等,直至露出硬質(zhì)巖層。逐段護(hù)拱施作完成后立即對(duì)該段護(hù)拱外溶洞進(jìn)行C20混凝土回填,混凝土回填至護(hù)拱頂以上≥1 m的厚度。在端頭模處預(yù)埋螺紋鋼筋作為前后段回填混凝土的連接。最后一段回填混凝土施工時(shí),溶洞內(nèi)為密閉空間,護(hù)拱頂部要預(yù)留好排氣孔,排氣孔距離護(hù)拱頂?shù)母叨葢?yīng)等于回填混凝土的澆筑高度,當(dāng)回填混凝土澆筑到規(guī)定標(biāo)高后,混凝土?xí)呐艢饪琢鞒?以表示回填混凝土已澆筑到位。

4.7 隧道開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工

待溶洞混凝土回填完成后即可進(jìn)行隧道開(kāi)挖。采用三步七步開(kāi)挖法進(jìn)行開(kāi)挖,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行仰拱施作,及早封閉成環(huán)。仰拱至掌面距離控制在20 m內(nèi)。隧底開(kāi)挖后,要對(duì)隧底地基承載力進(jìn)行檢測(cè),如不滿足設(shè)計(jì)要求,根據(jù)具體情況可采用換填混凝土淺層或微型鋼管樁深層進(jìn)行處理,避免隧道結(jié)構(gòu)下沉。

4.8 監(jiān)控量測(cè)

針對(duì)該段落的溶洞處治,在施工期間制定了支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀察、初支周邊位移、初支拱頂下沉和拱腳下沉等4個(gè)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目,每3 m一個(gè)斷面,按照2次/d的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè),支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)開(kāi)裂,初支周邊位移的最大變形速率為2.3 mm/d、最大累計(jì)變形量為18.2 mm;初支拱頂下沉最大變形速率為4.2 mm/d、最大累計(jì)變形量為33.2 mm;初支拱腳下沉最大變形速率為1.4 mm/d、最大累計(jì)變形量為12.7 mm。隧道運(yùn)營(yíng)期,在溶洞內(nèi)設(shè)立永久監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)控?cái)z像頭對(duì)溶洞的洞內(nèi)情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用該方案對(duì)來(lái)賓三號(hào)隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段拱頂半填充大溶洞進(jìn)行處治,施工過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)正常,施工安全質(zhì)量符合要求,隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工完成后穩(wěn)定可靠。經(jīng)過(guò)連續(xù)5 d的大雨天,溶洞及隧道排水通暢。在施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注:施工過(guò)程中盡量避免或減少作業(yè)人員無(wú)防護(hù)暴露在溶洞施工;隧道左洞溶洞段施工過(guò)程中,須避免右洞爆破施工擾動(dòng);溶洞未封閉前,應(yīng)留有方便作業(yè)人員進(jìn)出溶洞的通道,以便緊急情況時(shí)人員可快速撤離;施工過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)溶洞、護(hù)拱、初支情況的巡查與監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)反饋設(shè)計(jì)及相關(guān)方,做到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),動(dòng)態(tài)施工;對(duì)可能出現(xiàn)的各類施工問(wèn)題提前做好應(yīng)急預(yù)案,防患于未然。施工前對(duì)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行研究、完善、細(xì)化、交底,確保預(yù)案能夠及時(shí)有效實(shí)施,最大限度保障人員安全。