隧道巖溶施工處置技術(shù)研究*

王青松,加武榮,任少強,謝江勝,王平安,常得勝,3

(1.中鐵二十局集團有限公司,陜西 西安 710016; 2.中國鐵建高原隧道施工技術(shù)及裝備研發(fā)中心,陜西 西安 710016; 3.中鐵二十局集團第六工程有限公司,陜西 西安 710032)

0 引言

我國巖溶地區(qū)分布廣闊,尤其是西南地區(qū),作為世界上巖溶發(fā)育最集中的區(qū)域,工程建設(shè)中遭遇的巖溶災害層出不窮[1-3]。隧道穿越巖溶區(qū)域時,由于地質(zhì)條件極其復雜,加之巖溶發(fā)育的隱蔽性、隨機性和不確定性,隧道施工中遭遇了大量坍塌、變形、突水涌泥等工程災害,其中突水對施工安全的威脅最大,所產(chǎn)生的后果也最嚴重,一旦發(fā)生極易造成人員傷亡,并對生態(tài)環(huán)境造成不同程度破壞[4-7]。因此,巖溶隧道的設(shè)計、施工及災害處置技術(shù)一直是工程界的重點及難點問題,眾多學者進行了相關(guān)研究。

何佩軍[8]論述了宜萬鐵路野三關(guān)隧道穿越大型高壓富水塊石充填型溶洞的施工技術(shù)方案,主要包括導洞迂回+釋能降壓+溶腔封堵+初支加強+襯砌緊跟。李同安[9]針對某高速公路隧道高壓富水段巖溶,提出了“地表截排水+洞內(nèi)帷幕注漿+超前支護+CRD工法+基地旋噴樁加固”處置方案。龍禹[10]綜合考慮玉京山隧道巨型復雜巖溶,提出了“暗河改道+溶洞滿填+穹頂支護+回填體暗挖及襯砌結(jié)構(gòu)防護+連續(xù)梁跨越”的處理方案。劉旭斌等[11]針對湖北宣鶴高速公路太平隧道,提出雙拱明洞+回填暗挖特大型溶洞處置方案。王秋[12]針對重慶—貴陽鐵路宗家山隧道的管道型巖溶,采用增設(shè)集水廊道與泄水洞、局部排水聯(lián)絡(luò)坑道和排水鉆孔、溶洞內(nèi)封堵疏排、局部襯砌及支護加強等綜合處治措施,確保了隧道結(jié)構(gòu)安全。李新明等[13]基于云南省文馬高速公路施工實踐,提出了“串珠式”巖溶“回填反壓+超前支護+初支、二襯加強+地表防水”的綜合處置施工工藝。王保軍[14]針對貴南高速鐵路永興1號隧道的充填型溶洞,采用超強帷幕注漿對隧道拱墻范圍溶洞充填物及圍巖進行加固。

本文結(jié)合某高速鐵路貴州段一些典型隧道巖溶,對不同巖溶設(shè)計及處置原則進行歸納總結(jié),以期為類似工程提供借鑒。

1 巖溶分類及處理原則

1.1 隧道揭示巖溶分類

本文結(jié)合某高速鐵路貴州區(qū)段,根據(jù)巖溶規(guī)模形態(tài)、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征,將隧道施工中揭示的溶洞進行分類。按溶洞發(fā)育的三維尺寸形態(tài)特征將溶洞分為線狀溶洞和體狀溶洞。

線狀溶洞形態(tài)上表現(xiàn)為線狀、管道狀、串珠狀及狹長寬大裂縫狀等,在長度方向上一般為垂直或接近垂直發(fā)育,其主要走向一般與水平面夾角較大。線狀溶洞截面的橫向尺寸一般<3m,空間發(fā)育規(guī)模一般<50m3。體狀溶洞是指溶洞截面2個方向的尺寸相差不大且>3m,體狀溶洞的規(guī)模較大,一般>50m3, 規(guī)模>500m3時則稱為洞廳型溶洞。

根據(jù)溶洞充填情況,一般分為充填型、半充填型、過水型及干溶洞,巖溶處理方式主要取決于溶腔規(guī)模、是否為過流通道(貧水型或富水型)、溶洞填充情況及溶洞與隧道的相對位置關(guān)系等。

1.2 隧道巖溶處理原則

1.2.1設(shè)計階段處理原則

在巖溶區(qū)修建高速鐵路隧道,在設(shè)計階段需具有較詳細的勘察資料,對勘察發(fā)現(xiàn)的風險較大泥水充填型巖溶進行針對性設(shè)計。

1)首先對按相關(guān)規(guī)范和規(guī)定對已揭示的巖溶或可能在施工中揭示的巖溶進行風險辨識與評估,確定風險等級,并系統(tǒng)制定與之匹配的風險控制和管理措施。

2)對于施工過程中揭示出來的巖溶應綜合考慮巖溶類型、規(guī)模、富水程度、充填性質(zhì)、與隧道的空間關(guān)系等因素,因地制宜進行動態(tài)設(shè)計[15-16]。在巖溶隧道設(shè)計中應明確提出施工中超前地質(zhì)預報、巖溶及巖溶水處理、注漿加固、支護結(jié)構(gòu)體系、施工方法、防排水監(jiān)測等的基本要求。

1.2.2施工階段巖溶處理原則

巖溶隧道治理會受到多方面影響,需考慮多方面因素如巖溶洞形態(tài)、規(guī)模、充填情況及管道型巖溶是否過水通道等,尤其是高水壓富水或泥水充填型溶腔揭露時對隧道施工危害性最大[8-9]。隧道施工揭露溶洞的處理措施主要取決于其填充類型及水壓大小。

1.2.2.1串珠型或管道型線狀溶洞

1)對于無充填、半充填或完全充填管道型溶洞,可直接采用隧道棄碴填塞溶洞,然后用水泥砂漿灌注片石間孔隙;或根據(jù)充填物特性采取注漿加固隧道影響范圍內(nèi)區(qū)域。

2)對于過流型溶洞,應綜合考慮水量、水壓、連通性及季節(jié)性變化特征。

3)對于富水管道型溶洞的處理,還要考慮地面有無落水洞及匯水面積大小,結(jié)合隧道埋深預測豐水期的溶洞流量及可能的最大水壓力。

4)對于富水巖溶裂隙,應首先對富水巖溶裂隙水壓、滲透性、整體穩(wěn)定性等特征進行綜合分析,預測最大涌水量及最大水壓力。對于可能存在高水壓的富水巖溶裂隙,宜采取排水減壓或超前帷幕及周邊注漿加固等措施。

1.2.2.2洞穴型溶洞

對于無充填的干溶洞,要結(jié)合巖溶大小及洞壁穩(wěn)定性進行綜合分析,采取回填或清除洞壁危巖、噴錨網(wǎng)、護拱等措施對巖溶洞壁進行防護。對于體積較大的溶洞,則需將隧道邊墻置于穩(wěn)固的基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)形式可采用拱跨、板、梁、樁、復合地基等。

對于泥土碎石等充填型溶洞,應對充填物的物理力學特性進行綜合分析,然后確定充填物加固范圍,比選隧道超前預加固和預支護措施,以及合理的基礎(chǔ)形式。

對于富水溶洞,應通過現(xiàn)場實測確定水壓和涌水量,并保證隧道與溶洞間巖墻厚3～5m。通過打設(shè)泄水孔將溶洞泄壓,以進一步明確溶腔的形態(tài)規(guī)模、巖壁穩(wěn)定性、地下水補給特征等。對于存在水源補給的富水溶洞,宜在距隧道一定安全距離之外開鑿泄水洞將溶洞水體順利排出,并對隧道支護和二次襯砌進行加強。

1.2.2.3洞廳型溶洞

1)無充填干溶洞 對于無充填無水的洞廳型溶洞,由于其形態(tài)復雜、規(guī)模龐大,宜在隧道無溶洞一側(cè)開挖繞洞到隧道前方繼續(xù)對隧道正洞施工,在施工過程中對溶洞形態(tài)、三維尺寸及與隧道的相互位置關(guān)系,以及溶洞底部有無堆積體、巖壁穩(wěn)定性等做出評價。對于存在潛在風險的巖壁采取掛網(wǎng)、噴錨支護等措施。如果隧道斷面全部位于溶洞內(nèi),且仰拱距溶洞底部較深,需采用洞中橋方式跨過溶洞,橋臺需落在完整基巖上,并在隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置≥1.5m厚的混凝土護拱。如果隧道仰拱底部與溶洞底部距離較小,可在清除溶洞底部松動巖石后采取拋石混凝土填筑,并在線路兩側(cè)采用片石混凝土砌筑。有必要時可在隧道兩側(cè)設(shè)置2排立柱以支頂溶洞頂板,隧道拱部上方設(shè)置護拱和緩沖層,以保證運營階段安全。

2)充填溶洞 對于高壓富水溶洞,要綜合分析水體儲量、水壓、連通性、地下水補給情況及充填物特性等特征,提高安全性評估的準確性。如果巖墻安全性不足,則需鉆孔排放溶洞積水,采取帷幕注漿加固溶洞內(nèi)填充體,后采用大管棚超前支護,開挖過程中若發(fā)現(xiàn)有注漿薄弱部位應及時注漿加固。隧道初期支護和二次襯砌結(jié)構(gòu)要考慮水壓力,永臨結(jié)合;溶腔要設(shè)置永久排泄通道,并采取措施保證其暢通[17-18]。

3)地下暗河 當隧道臨近暗河通過時,應綜合評價防突巖盤穩(wěn)定性,當安全厚度不足時,應對防突巖盤進行加固,以減少對隧道施工和運營影響。當隧道穿越暗河時,須采取疏導措施,盡量保持其原有過水通道,對河道有淤積或堆積物進行清理以保證河道順暢,必要時增設(shè)排水洞等,以保障地下暗河水通暢。隧道結(jié)構(gòu)應根據(jù)與暗河的空間關(guān)系,充分考慮暗河及堆積物等對隧道影響,基底宜采取樁、板、梁等工程措施,確保穩(wěn)固可靠。

2 隧道巖溶處治實例

巖溶隧道的處理措施要綜合考慮巖溶規(guī)模、是否充填、充填物性質(zhì)及地表溶蝕洼地、落水洞等情況,在此對一些典型巖溶處理案例進行介紹以期為類似工程提供參考。

2.1 大型無充填型溶洞群處理技術(shù)

丫口寨隧道位于貴州省安順市關(guān)嶺鎮(zhèn),全長4 475m, 最大埋深約355m。隧區(qū)屬侵蝕構(gòu)造中低山地貌,可溶巖分布廣泛,巖溶形態(tài)多樣,地表溶蝕洼地、落水洞普遍分布,巖溶水賦存于隧道穿越段的碳酸鹽巖類含水巖組中。隧道施工過程中,出口工區(qū)D2K848+940—D2K849+280段揭示大型溶洞群,主要為巖溶管道、小型溶洞和溶洞大廳,基本無充填。其中,D2K848+281處揭露一溶洞大廳,縱向長約20m,橫向長約70m,高10～30m。

如圖1所示,以D2K849+264斷面為例,對其處置措施進行詳述。清除溶洞內(nèi)危巖后,將鋼架間距調(diào)整為0.4m。對于侵入隧道斷面內(nèi)較大范圍的溶洞,在可能發(fā)生掉塊的溶洞段拱架頂部間隔2m預留5m長DN150 PVC泵送管。隧頂溶洞范圍采用拱架和噴射混凝土封閉,達到設(shè)計強度后,在隧道拱部泵送C20混凝土形成護拱,厚1.0～2.5m,墻腳和拱腳處打設(shè)φ42鎖腳錨管,長3.5m。護拱坐落于基巖的巖面上,在基巖中植入錨桿并將露出部分置于護拱中。

圖1 D2K849+264斷面處置措施

對于隧道拱部上方溶洞尚有較大空間的溶洞段,護拱達到設(shè)計強度后通過預留管吹砂回填,厚約2.0m。如果隧道底部小型溶腔的頂板厚度<5m,則采用C20混凝土填充溶腔;若頂板厚度>5m,則不予填充;對侵入隧道斷面內(nèi)的小型無充填溶洞,直接用C20混凝土回填(見圖2)。

圖2 D2K849+126斷面處置措施

2.2 暗河處理技術(shù)

丫口寨隧道出口DK848+948處,隧道左側(cè)拱腳處揭露一溶洞口,暗河發(fā)育,兩側(cè)洞壁有危巖巖塊。暗河水流量較小,但根據(jù)暗河兩側(cè)巖壁上粘掛有機質(zhì)和黃色泥土的跡象可知,暗河中的水可達到接近暗河洞頂,約2m高,且存在地表補給。為了保證隧道施工順利進行及施工工期,遂在隧道中線右側(cè)40m處設(shè)置一迂回導坑,繞到暗河前方。暗河及溶洞的隧底平面如圖3所示。暗河地勢平緩,且處于雨期施工,暗河內(nèi)涌水量明顯增大,排水緩慢,有時存在倒灌情況,給施工造成較大安全隱患。因此,首先結(jié)合地形、地質(zhì)條件,清理隧道左側(cè)消水洞口堆積物,然后將河道截彎取直,以便暗河水盡快由消水洞排出(見圖3)。

圖3 丫口寨隧道揭示暗河平面

考慮到今后隧道運營安全,結(jié)合其他地段溶洞水處理,在隧道左側(cè)修建一泄水洞,保證巖溶內(nèi)水流順利排出。暗河侵入或距隧道斷面較近段落,可采用護拱如圖4所示處理方案。

圖4 D1K848+900斷面處理方案

2.3 富水填充型巖溶處理

斗磨隧道掌子面D1K842+697處超前鉆孔時,泥漿從鉆孔中垂直噴射,射程約15m,累計噴出泥水約14 000m3。通過鉆孔取芯及物理探測(TSP法和TRT法)等方法大致確定了充填型富水溶腔大致情況,溶洞在隧道內(nèi)軌頂面高程處平面如圖5所示。

圖5 斗磨隧道出口溶洞平面

根據(jù)施工揭示情況并結(jié)合地質(zhì)補勘,確定充填區(qū)段長約23m,富水、富泥沙,巖體強度較低,直接開挖存在較高塌方、突水風險。對比后最終選擇富水溶腔采用帷幕注漿加固處理,開挖采用三臺階加臨時橫撐工法進行施工。

根據(jù)探測到充填溶腔的規(guī)模及形態(tài)、圍巖特征、隧道斷面特征及以往施工經(jīng)驗,確定帷幕縱向長度為30m,止?jié){墻厚2.5m,帷幕厚5.0m,初步確定單孔漿液擴散半徑1.5m,終孔間距2.0m。帷幕注漿孔及檢查孔在止?jié){墻上設(shè)計孔位如圖6a所示,帷幕注漿平面布置如圖6b所示。

圖6 帷幕注漿

2.4 過水通道型巖溶處理

2.4.1施工過程中溶洞揭示情況

斗磨隧道D1K842+880處施工中線路右側(cè)揭示為一較大的充水型溶腔,水深20～25m,目測水域面積80～90m2,寬6～8m,長8～12m,溶腔壁較穩(wěn)定,且與地表存在良好水力聯(lián)系。

由于該段溶洞為過水型,在大氣降雨后由地表大面積的匯水進入溶洞,需從該溶洞通過,成為輸水通道,且水量較大,為了保證隧道建成后運營安全,宜采用疏的方式排泄巖溶管道水,即需采用泄水洞方式對該段溶洞進行處理。泄水洞中線與左線線路距離為30m,泄水洞長328m,向洞外排水坡度為0.3%,其凈空斷面尺寸為3m(寬)×3.5m(高),如圖7所示。

圖7 斗磨隧道D1K842+880處充水溶腔

2.4.2黏土填充型隱伏巖溶處理

大獨山隧道出口D1K864+446—D1K864+563段,施工揭示隧底為充填型溶洞發(fā)育段(見圖8),充填物主要為硬塑狀黏土夾粉細砂夾塊石土,呈軟塑～硬塑狀,碎塊石含量25%～35%,石質(zhì)為白云巖質(zhì),主要分布在隧底0～41.9m,塊石間及溶洞壁部分為空腔,溶洞發(fā)育不規(guī)則,主要為沿層理發(fā)育,其次是沿節(jié)理、裂隙發(fā)育;溶洞充填物遇水浸泡后軟化較快,力學指標較低,基底軟硬不均。溶洞內(nèi)未見有暗河管道水,溶洞內(nèi)主要為裂隙水,水量小,受降雨控制,旱季無水,雨季有少量滴滲水及線狀、股狀水。

圖8 D1K864+495溶洞處置橫斷面

綜合分析后采取的處理措施包括:增強初支及超前支護參數(shù),將施工方法調(diào)整為臺階法加臨時仰拱,并將拱墻和仰拱分別由原來的50cm和60cm增強為55cm和65cm。其中,D1K864+446—D1K864+563段自現(xiàn)場已施工仰拱填充頂面(比道床底面低40cm)向下對隧底采用φ89鋼花管注漿加固,縱橫向間距0.6m,交錯布置。邊墻位置要求最外側(cè)3排斜樁加固深度按嵌入W2巖層深度≥1m,如圖8所示。隧底加固深度最大按現(xiàn)場已施工的仰拱填充面以下25m深度控制。

3 結(jié)語

本文結(jié)合某高速鐵路貴州區(qū)段施工狀況,將隧道巖溶分為串珠型或管道型的線狀溶洞、洞穴型溶洞及洞廳型溶洞,并根據(jù)其充填特征提出相應施工處置措施。

1)在巖溶隧道設(shè)計和施工中,要綜合考慮巖溶類型、規(guī)模、富水程度、充填性質(zhì)、與隧道的空間關(guān)系等因素,進行因地制宜動態(tài)設(shè)計、施工。

2)對于無填充型溶洞,隧洞頂部存在溶洞時可采用拱架和噴射混凝土封閉護拱,對于底部溶洞可選擇性采取回填措施。對于無充填無水的洞廳型溶洞,對于巖壁可采取掛網(wǎng)、噴錨支護等措施,根據(jù)實際情況選用洞中橋的方式跨過溶洞或在溶洞底部采取混凝土砌筑措施。

3)對于高壓富水溶洞、暗河及過水通道,要根據(jù)實際情況,選擇性采取帷幕注漿、施作施工繞洞與泄水洞及布置排水管道等措施保障施工安全。

4)對于泥土碎石充填型溶洞,要對充填物的物理力學性質(zhì)進行綜合分析,可對松散堆積體進行注漿加固,必要時可增設(shè)樁體進行加固處理。