宜萬鐵路龍麟宮隧道2號溶腔處理施工技術(shù)

薛俊峰,王永鋒

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司,江蘇蘇州 215000)

宜萬鐵路龍麟宮隧道2號溶腔處理施工技術(shù)

薛俊峰,王永鋒

(中鐵二十局集團(tuán)第一工程有限公司,江蘇蘇州 215000)

宜萬鐵路龍麟宮隧道2號溶腔大跨巖溶頂板處理難度大,施工風(fēng)險高,創(chuàng)新地采用了立柱支頂與錨噴網(wǎng)結(jié)合防護(hù)進(jìn)行頂板加固,采取復(fù)合地基+整體結(jié)構(gòu)、單壓式結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)等特殊隧道結(jié)構(gòu)通過溶腔,換填、鋼管樁注漿加固及深孔注漿加固的措施,提高了基底承載力,減小了工后沉降,可為類似工程提供經(jīng)驗。

宜萬鐵路;巖溶隧道;大型溶腔;立柱支頂;特殊結(jié)構(gòu);施工

1 工程概況

宜萬鐵路龍麟宮隧道位于恩施市白果壩,起訖里程為DK229+094～DK232+514,隧道全長3420m,設(shè)計縱坡為15.9‰單面上坡的雙線鐵路隧道,復(fù)合式襯砌,隧道最大埋深328m。

隧道穿越地層為寒武系上統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,工程區(qū)域內(nèi)最低排水通道為龍麟宮出水洞,該出水洞下穿隧道,流水面低于隧道約140m,隧道位于垂直滲流帶內(nèi),主要地質(zhì)災(zāi)害為巖溶。

隧道施工中共揭示溶洞、溶槽50余處,其中容積大于100m3的溶洞10處,容積大于1.0×104m3的大型溶洞2處,大部分溶洞位于前期勘探的物探異常區(qū)。受地下水排泄基準(zhǔn)面影響,揭示溶洞以貧水空洞、半充填溶洞為主,不聚集水壓。DK231+700～DK231+ 800段揭示大型半充填溶洞,揭示過程中溶洞頂板出現(xiàn)大面積剝落,處理過程十分困難。

2 龍麟宮隧道2號溶腔概況(圖1)

龍麟宮隧道2號溶腔位于DK231+700～DK231+ 796段,屬特大型溶腔。溶腔縱向發(fā)展約100m,橫向發(fā)展約150m,溶腔頂板在軌面以上10～20m,溶腔底在軌面以下12～20m。

2號溶腔地層為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r局部夾薄層泥質(zhì)白云巖,中厚-厚層狀,節(jié)理發(fā)育。開挖揭露的灰?guī)r厚層為50～80cm,,泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r軟弱層厚度為10～20cm,由于溶腔頂部巖層傾角較小,發(fā)育軟弱夾層,受節(jié)理裂隙發(fā)育及施工振動等原因影響,溶腔頂部不穩(wěn)定,有大塊巖石沿軟弱層而剝落,掉塊嚴(yán)重。DK231+700～DK231+735溶腔底部有6～15m坍塌堆積物,溶腔底部為灰?guī)r,DK231+735～DK231+755段隧道半邊需開挖通過,需開挖部分有斜向巨大裂隙,且圍巖極不穩(wěn)定,DK231+755～DK231+800段隧底以下3～8m為溶腔充填物,充填黏土夾碎石、塊石土,黏土呈軟塑狀,其下還有隱伏的填充性溶腔。

圖1 龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段溶洞平面(單位:cm)

溶洞拱頂局部有滴、滲水現(xiàn)象,分析認(rèn)為該溶洞為古暗河通道,雨季時承接部分過路水,估算過路水最大流量在6000m3/d左右,向溶洞小里程方向排泄。

3 2號溶腔處理的特點、難點

(1)溶腔頂部巖層傾角較小,幾乎呈水平,發(fā)育軟弱夾層且節(jié)理發(fā)育,極不穩(wěn)定,易坍塌,對溶腔勘測安全、施工安全及運營安全帶來極大威脅。如何創(chuàng)造一個安全的勘測及施工環(huán)境是該溶腔處理的一大難點。

(2)溶腔形態(tài)復(fù)雜,頂部圍巖不穩(wěn)定,基底承載力分段變化大,DK231+735～DK231+755段隧道結(jié)構(gòu)要承受偏壓,所以結(jié)構(gòu)設(shè)計困難,安全隱患較大。

(3)隧道基底底層復(fù)雜,有軟塑狀充填物,有隱伏充填性溶腔,有坍塌堆積物,承載力的不同,沉降的差異對保證隧道結(jié)構(gòu)的安全提出了較高的要求。

(4)2號溶腔規(guī)模大、形態(tài)復(fù)雜,地質(zhì)復(fù)雜,處理措施復(fù)雜,所以施工困難,安全風(fēng)險高,施工時間長。

4 溶腔處理技術(shù)

4.1 迂回導(dǎo)坑繞行

因溶腔處理時間長,為解決DK231+796掌子面施工受阻,采用迂回導(dǎo)坑繞行,迂回導(dǎo)坑設(shè)于隧道右側(cè),長206m。

4.2 溶腔防護(hù)

(1)采用人工配合機(jī)械清除溶腔頂部可能坍塌的危巖。

(2)隧道兩側(cè)8m范圍以內(nèi)搭設(shè)滿堂支架頂至溶腔頂板,進(jìn)行臨時支護(hù)。

(3)立柱支頂,根據(jù)“永臨結(jié)合”的原則,在溶腔內(nèi)采用φ1.4m的鋼筋混凝土立柱支頂溶腔頂。隧道每側(cè)設(shè)置2排,內(nèi)側(cè)2排距離隧道中線9m,兩側(cè)排距5m,縱向間距5～6m,另外根據(jù)溶腔頂板穩(wěn)定情況適當(dāng)設(shè)置。立柱采用獨立基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸3m×3m×2m (長×寬×高),采用C20混凝土澆筑。立柱與溶腔頂板之間確保頂緊。洞內(nèi)立柱施工見圖2、圖3。

圖2 洞內(nèi)立柱施工

4.3 隧底處理

(1)DK231+700～DK231+735段采用硬質(zhì)巖渣填筑,再用挖孔樁+鋼筋混凝土板梁的形式通過,減少結(jié)構(gòu)沉降。

(2)DK232+735～DK232+755段右側(cè)擋墻底采用C15片石混凝土換填,隧道底板采用鋼筋混凝土底板。

圖3 施工完畢后的立柱

(3)DK231+755～DK231+796段隧底充填物挖除用C15片石混凝土換填,其下隱伏填充性溶腔采用注漿加固,并用鋼管樁提高承載力。隧道底板采用鋼筋混凝土板梁,增加隧道承載力,減少結(jié)構(gòu)沉降,以保證隧道整體穩(wěn)定。

4.4 隧道結(jié)構(gòu)

(1)DK231+700～DK231+735段在隧道底鋼筋混凝土板梁上設(shè)加強(qiáng)的鋼筋混凝土明洞,明洞的兩側(cè)設(shè)護(hù)墻支撐到溶腔頂,明洞上空腔用混凝土回填至溶腔頂。處理方案見圖4。

圖4 DK231+700～DK231+735段隧道結(jié)構(gòu)(單位:cm)

(2)DK231+735～DK231+755段右側(cè)設(shè)重力式擋土墻,支撐到溶腔頂減少洞身偏壓,洞身采用加強(qiáng)型偏壓式鋼筋混凝土洞身,洞頂空腔用混凝土回填至溶腔頂(圖5)。

圖5 DK231+735～DK231+755段隧道結(jié)構(gòu)

(3)DK231+755～DK231+796段在鋼筋混凝土底板上采用加強(qiáng)型明洞,緊挨洞身兩側(cè)設(shè)鋼筋混凝土承重墻支撐到溶腔頂。洞頂上2m范圍內(nèi)采用輕質(zhì)磚回填,其上施作50cm厚高分子聚合物保護(hù)層,起防水和緩沖作用?；靥钗锊捎幂p質(zhì)磚及輕質(zhì)的高分子聚合物可以減少隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量,從而減少對基底的壓力(圖6)。

圖6 DK231+755～DK231+796段隧道結(jié)構(gòu)(單位:cm)

(4)隧底排水,由于該溶腔為古暗河通道,雨季承接部分過路水,所以在隧底設(shè)φ1m的圓管涵作為排水通道。

(5)在 DK231+700、DK231+735、DK231+755、DK231+796處分別設(shè)沉降縫1道,避免不均勻沉降引起結(jié)構(gòu)物破壞。

5 施工方案

5.1 施工順序

清除危石→搭設(shè)滿堂腳手架→溶腔頂加固→隧底處理→防偏壓擋墻施工→DK231+700～DK231+ 735結(jié)構(gòu)施工→DK231+755～DK231+796結(jié)構(gòu)施工→DK231+735～DK231+755段開挖→DK231+735～DK231+755結(jié)構(gòu)施工。

5.2 主要施工方法及注意事項

5.2.1 滿堂支架搭設(shè)及溶腔加固

滿堂支架采用碗扣式支架,頂端調(diào)整高度用上托支撐到頂。橫桿采用90cm的橫桿,步距1.2m。搭設(shè)時從掌子面開始向溶腔縱深處前進(jìn),分段搭設(shè),每次全寬范圍內(nèi)一次完成,縱向每次搭設(shè)長度為3.6m,在支架上部設(shè)工作平臺,施工人員在平臺上完成溶腔加固(錨桿及噴護(hù))。完成一循環(huán)后拆除支架前移3.6m施工下一循環(huán),直至全部完成。

施工時需注意支架必須頂緊溶腔頂,同時專職安全人員必須跟班作業(yè),隨時觀察溶腔穩(wěn)定情況,發(fā)現(xiàn)問題及時通知作業(yè)人員迅速撤離,以保證作業(yè)人員安全。

5.2.2 立柱支頂

在溶腔頂加固完成后,進(jìn)行立柱施工,先施工基礎(chǔ)再施工立柱。基礎(chǔ)必須位于基巖上,以保證承載力,減少沉降。立柱鋼筋籠在鋼筋場加工好后運至洞內(nèi)就位,模板采用兩個半圓的可組合式鋼模板,在作業(yè)面拼裝組合,加固和定位。因受洞內(nèi)空間的影響,鋼筋及模板的就位可采用挖掘機(jī)吊裝。

立柱第一次施工高度距離溶腔約50cm處,剩余部分首先用型鋼加鋼楔頂緊溶腔頂,然后采用噴射混凝土填滿空隙,以保證立柱支撐緊密。

5.2.3 擋墻施工

DK231+735～DK231+755段右側(cè)重力式擋墻,起支撐及防止隧道偏壓的作用,其基底采用C15片石混凝土換填,換填時把虛渣及填充物挖除露出基巖,然后把基巖鑿成臺階狀,分段必須平整,再換填。墻身采用組合鋼模,分段施工高度1.5m,頂部施工至距離溶腔30～50cm左右,然后采用合適的片石支頂緊密,再用噴射混凝土回填密實。

5.2.4 基底處理

(1)DK231+700～DK231+735段

施工時先采用小粒徑的硬質(zhì)巖砟分層碾壓密實,然后開挖孔樁。挖孔樁施工時要防止塌孔,采用鋼筋混凝土護(hù)壁,同時采用跳孔開挖,開挖完成一孔及時灌注,防止因施工振動引起塌孔,造成安全事故。

挖孔樁基底打5m釬探孔探明地質(zhì),如有不良地質(zhì)需采取措施妥善處理,以保證樁基承載力。樁基的開挖采用人工開挖,個別塊石及嵌巖部分用小藥量的爆破輔助人工開挖,盡量減少爆破振動對相鄰樁基及溶腔的穩(wěn)定造成不良影響。

(2)DK231+755～DK231+796段

挖除表層充填物后,首先對隱伏充填性溶腔注漿加固。注漿時先施工周邊孔,逐次向中間施工,以減少漿液損失,漿液采用0.6∶1～1∶1的水泥漿,注漿孔間距為2×2m,注漿壓力1.5～3MPa。單孔注漿結(jié)束條件為:①注漿壓力逐步升高至設(shè)計終壓,并繼續(xù)注漿10min以上,注漿結(jié)束時進(jìn)漿量小于5L/min。②全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為:所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件,無漏注現(xiàn)象,漿液有效注入范圍大于設(shè)計值,注漿后地基承載力不小于400kPa。

注漿結(jié)束效果評估合格后,用片石混凝土換填至設(shè)計高程。

5.2.5 DK231+755～DK231+796段

右側(cè)擋墻以及前后支頂結(jié)構(gòu)施工完成后再開挖本段。先施作長管棚,然后開挖。開挖每循環(huán)進(jìn)尺1m,多打眼,少裝藥。兩端圍巖穩(wěn)定性較差的部分,每循環(huán)可分為2～3次開挖,盡量減少振動的影響。開挖一循環(huán)初支及時緊跟掌子面,以保證圍巖穩(wěn)定。

5.2.6 洞身結(jié)構(gòu)施工

洞身結(jié)構(gòu)主要為明洞結(jié)構(gòu)。施工時內(nèi)模采用襯砌臺車,外模采用組合鋼模板。

施工分為兩部分完成:第一部分洞身及相連部分耳墻同時施工,一次澆筑完成。第二部分洞身以上耳墻分段施工直至距溶腔頂30～50cm,剩余空隙先用粒徑合適的片石支頂緊密,再用噴射混凝土回填密實。

6 結(jié)語

龍麟宮隧道2號溶腔為典型的大型干溶腔,處理完成后,經(jīng)過2年多的連續(xù)監(jiān)測,溶洞頂板、隧道結(jié)構(gòu)均處于正常工作狀態(tài),說明處理方案是安全、可靠的, 2號溶腔的成功處理為此類溶腔的處理積累了寶貴經(jīng)驗。經(jīng)以上工程實踐,有如下認(rèn)識。

(1)以超前水平鉆孔為主的地質(zhì)預(yù)報手段,操作簡便,效果可靠,可有效避免施工中地質(zhì)災(zāi)害帶來的安全問題。

(2)在遭遇大型(特大型)溶腔時,結(jié)合工期目標(biāo),必要時采取迂回導(dǎo)坑繞行避開工作面,確保工期目標(biāo)的實現(xiàn)。

(3)對大跨度溶洞大廳頂板的加固,立柱支頂與錨噴網(wǎng)結(jié)合的方案是可行、有效的,可防止溶洞頂板大面積剝落、垮塌,為下部安全施工提供有利條件,可結(jié)合揭示溶腔的具體情況進(jìn)行推廣。

(4)根據(jù)溶洞與隧道的不同空間關(guān)系,分別采用復(fù)合地基+整體結(jié)構(gòu)、單壓式結(jié)構(gòu)及框架結(jié)構(gòu)等特殊隧道結(jié)構(gòu),可有效保證鐵路施工、運營的安全。

(5)針對隧底溶洞充填物承載力偏低的問題,分別采用了換填、鋼管樁注漿加固及深孔注漿加固的措施,提高了承載力,減小了工后沉降,達(dá)到了設(shè)計要求。

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[2] 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段溶腔處理類變更設(shè)計施工圖[Z].武漢:2008.

[3] 苗德海.宜萬鐵路巖溶隧道災(zāi)害及防治對策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2007(7).

[4] 宋長甫.龍麟宮隧道大型溶洞支頂加固技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2007(9).

U455

A

1004 -2954(2010)08 -0150 -03

2010 05 26

薛俊峰(1968—),男,高級工程師。