宜萬(wàn)鐵路云霧山隧道“+852”溶洞發(fā)育特征及技術(shù)對(duì)策

苗德海

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

云霧山隧道地處湖北省鄂西南中低山區(qū)，海拔高程750～1 750 m，最大埋深800 m，隧道區(qū)高山深切，地勢(shì)陡峻，相對(duì)高差大，山體自然坡度20°～40°。隧道進(jìn)口段為車(chē)站隧道，后過(guò)渡為兩條單線隧道，進(jìn)口里程DK242+084，Ⅰ線出口里程DK248+724，Ⅱ線出口里程ⅡDK248+766，Ⅰ線全長(zhǎng)6 640 m，Ⅱ線全長(zhǎng)6 682 m。全隧道為單面上坡，坡度分別為1‰、6‰、14.9‰。云霧山隧道縱斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地層巖性

云霧山隧道穿越地層主要有寒武系、奧陶系，寒武系地層呈NE向展布于白果壩背斜核部及兩翼，奧陶系地層呈NE—SW向展布于白果壩背斜北西翼，“+852”溶洞位于寒武系地層。

圖1 云霧山隧道縱斷面

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道位于新華夏系第三隆起帶(川鄂褶皺帶)內(nèi)，主要構(gòu)造形跡以NE—NNE向褶皺為主。隧道斜穿白果壩背斜，該背斜長(zhǎng)約40 km，寬約10 km，軸向約N45°E。背斜核部附近發(fā)育北東向的二次縱張斷裂——白果壩斷裂。白果壩斷層先期為縱張，后期為壓扭性，在隧道區(qū)表現(xiàn)為逆斷層。

隧道區(qū)節(jié)理、裂隙較發(fā)育，規(guī)模較大的節(jié)理、裂隙主要發(fā)育在白果壩背斜南東翼和背斜傾伏端，“+852”溶洞位于白果壩背斜南東翼。

1.3 巖溶發(fā)育的控制因素

隧道區(qū)巖溶發(fā)育程度受巖性、地貌、構(gòu)造等主要因素控制。

從地層巖性控制巖溶發(fā)育程度分析，寒武系地層中巖溶發(fā)育程度明顯高于奧陶系地層。從地形地貌控制巖溶發(fā)育程度分析，山頂、山脊平臺(tái)和巖溶槽谷部位巖溶發(fā)育程度明顯高于斜坡地帶，總數(shù)267個(gè)巖溶點(diǎn)中僅有13處分布在斜坡地帶，占巖溶總點(diǎn)數(shù)的4.87%，而分布在山頂平臺(tái)和巖溶槽谷中的巖溶點(diǎn)254處，占總點(diǎn)數(shù)的95.13%。

從構(gòu)造控制巖溶發(fā)育程度分析，一是自白果壩背斜軸部向兩翼，巖溶發(fā)育程度由強(qiáng)到弱，各巖溶洞穴發(fā)育數(shù)量是軸部部位多于產(chǎn)狀陡立部位，產(chǎn)狀陡立部位多于產(chǎn)狀緩傾部位。

“+852”溶洞位于隧道進(jìn)口端斜坡地帶。

1.4 區(qū)域水文地質(zhì)

云霧山隧道區(qū)域水文地質(zhì)如圖2所示，區(qū)內(nèi)巖溶地下水主要來(lái)自大氣降雨補(bǔ)給，巖溶臺(tái)地大氣降雨大部分滲入地下，斜坡地帶大氣降雨大部分形成地表徑流匯入沖溝、河谷。

在背斜核部巖溶臺(tái)地的大氣降雨進(jìn)入地下轉(zhuǎn)化為地下水后，主要以溶隙管道流形式沿構(gòu)造線方向由高向低處徑流，少量在橫張節(jié)理或裂隙發(fā)育處向背斜兩翼分流。

圖2 云霧山隧道區(qū)域水文地質(zhì)

兩翼斜坡地段的大氣降雨，通過(guò)各種巖溶通道進(jìn)入地下以后主要沿巖層走向運(yùn)移，匯合山頂巖溶臺(tái)地分流的巖溶水后，形成巖溶管道徑流。背斜ES翼巖溶水大部分順層面向高橋河徑流、排泄，受地層巖性、構(gòu)造及巖溶發(fā)育分層特性控制，部分地下水在白果壩北約2 km、高程1 150 m左右向岸云一帶低洼沖溝排泄，匯入岸云水庫(kù)之中。背斜NW翼巖溶水向渡口河徑流、排泄，受相對(duì)阻水層的阻隔，部分巖溶水在寒武系上統(tǒng)底部沿縱向運(yùn)移，在渡口河邊的小魚(yú)泉以暗河形式排出地表，部分巖溶水切穿相對(duì)阻水層，進(jìn)入下奧陶統(tǒng)地層，在渡口河邊的大魚(yú)泉以暗河形式排出。

區(qū)內(nèi)地下河系統(tǒng)主要為白果壩暗河、大魚(yú)泉、小魚(yú)泉等系統(tǒng)?！?852”溶洞隸屬于白果壩暗河支管道系統(tǒng)，該暗河系統(tǒng)發(fā)育于白果壩背斜南東翼，主通道位于隧道進(jìn)口附近的白果壩大型槽谷，埋深約50 m，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)度達(dá)12 km。該暗河系統(tǒng)規(guī)模大，區(qū)內(nèi)匯水面積約20 km2。白果壩背斜南東翼地下水均匯入該暗河系統(tǒng)，大氣降雨匯集后均沿白果壩槽谷分布的落水洞直接入滲地下。該暗河出口位于測(cè)區(qū)東部的龍麟宮，出口高程450 m，且該暗河為隧道進(jìn)口處區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面，控制著區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的下限［1-2］。

2 溶洞發(fā)育特征

2.1 溶洞發(fā)育規(guī)模

如圖3所示，溶洞縱向發(fā)育長(zhǎng)度約33 m，在Ⅰ、Ⅱ線隧道及橫洞相互連通，可探寬度大于60 m，Ⅰ線DK242+852～+869段溶腔發(fā)育在隧道以下，溶腔底距隧底最深處約32 m，DK242+869～+885段溶腔逐漸向上部發(fā)育，高出隧頂約10 m;Ⅱ線隧道ⅡDK242+858～+870段溶腔發(fā)育在隧底以下，ⅡDK242+870后溶腔向隧道左上側(cè)發(fā)育。

圖3 云霧山隧道“+852”溶洞平面

2.2 溶洞段工程水文地質(zhì)條件

地層為寒武系之厚層微—細(xì)晶灰?guī)r等，節(jié)理較發(fā)育，溶腔頂板巖體破碎，偶見(jiàn)掉塊發(fā)生，洞底堆積較大面積的黏土、塊石等。受本區(qū)最低排泄基準(zhǔn)面白果壩暗河支管道系統(tǒng)影響，“+852”溶洞高出排泄基準(zhǔn)面約60 m，位于地下水垂直滲流帶內(nèi)，該溶腔影響范圍匯水面積約2.6 km2，根據(jù)降水入滲法推算，溶腔雨季最大流量約為0.4 m3/s。

“+852”溶洞屬于典型的處于地下水垂直滲流帶內(nèi)大型半充填溶洞［1－2］。

3 技術(shù)對(duì)策

3.1 整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

將影響大型溶洞整體穩(wěn)定性的因素歸納為5個(gè)控制要素和23個(gè)因子，采用專(zhuān)家調(diào)查法設(shè)定了各因素的權(quán)值，見(jiàn)表1。結(jié)合宜萬(wàn)鐵路近50處大型溶洞工程實(shí)踐，建立了大型溶洞整體穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)體系，當(dāng)綜合分值≥80時(shí)為整體穩(wěn)定，當(dāng)60≤分值＜80時(shí)為局部可能發(fā)生坍塌，當(dāng)分值≤60時(shí)為不穩(wěn)定，需要加固。

根據(jù)“+852”溶洞形狀、頂板巖層狀況、埋置深度、地下水發(fā)育情況、隧區(qū)所處地震區(qū)域情況，對(duì)該溶洞進(jìn)行了整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，綜合得分為71分，溶洞處于整體穩(wěn)定，局部可能發(fā)生坍塌狀態(tài)，需要局部加固［3-5］。

3.2 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)“+852”溶洞形態(tài)、規(guī)模、工程水文地質(zhì)特征及溶洞整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論，提出了“樁基承臺(tái)+隧道結(jié)構(gòu)”、“鋼管樁+隧道結(jié)構(gòu)”、“橋梁+隧道結(jié)構(gòu)”3種溶洞處理方案，綜合考慮隧道基礎(chǔ)及整體結(jié)構(gòu)安全可靠、施工難度、地下水等因素，推薦采用了“樁基承臺(tái)+隧道結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)方案。各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表2［6-8］。

表1 大型溶洞整體性穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值

3.3 工程對(duì)策

橫洞繞行:為了減少溶洞處理對(duì)隧道施工工期的影響，調(diào)整橫洞線路走向，采用左側(cè)繞行至DK242+948里程處進(jìn)入正洞施工。

表2 設(shè)計(jì)方案比較

溶洞防護(hù):根據(jù)溶洞整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論，對(duì)溶洞內(nèi)不穩(wěn)定巖體體進(jìn)行清除，并對(duì)對(duì)溶洞頂板采用錨噴加固［5，9］。

隧道結(jié)構(gòu):溶洞段隧道位于隧道小間距地段，Ⅰ線隧道與Ⅱ線隧道中間空腔處采用C20混凝土回填;隧道拱墻周邊為基巖段，采用初期支護(hù)10 cm厚C20網(wǎng)噴混凝土，二次襯砌35 cm厚C35鋼筋混凝土的隧道結(jié)構(gòu);隧道周邊發(fā)育空腔段，隧道拱部及邊墻外施做厚度不小于1 m的C20混凝土護(hù)拱，護(hù)拱外空腔吹砂注漿回填，回填厚度3～5 m，初期支護(hù)10 cm厚C20網(wǎng)噴混凝土，二次襯砌45 cm厚C35鋼筋混凝土的隧道結(jié)構(gòu)［10］。

隧底基礎(chǔ):線隧底溶洞發(fā)育較淺處采用C20片石混凝土換填，發(fā)育較深段采用樁基承臺(tái)跨越，共設(shè)置14根φ1.5 m的C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)10.5～29 m，梅花形布置，橫向間距5 m，縱向間距2.7 m，其上為承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

Ⅱ線隧底DK242+854～+870溶洞段左側(cè)采用樁基托梁跨越，托梁截面尺寸為1.5 m×1.5 m，采用C35鋼筋混凝土，托梁兩端端承基巖長(zhǎng)度不小于2.0 m;樁基采用φ1.5 m鉆孔灌注樁，間距為4.0 m，樁長(zhǎng)10 m，樁底嵌入完整基巖長(zhǎng)度不小于3.0 m，側(cè)壁完整基巖厚度不小于3.0 m。

排水:為減少隧道兩側(cè)地下水滲流對(duì)隧道及其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，Ⅰ線隧道承臺(tái)底1 m范圍內(nèi)采用碎石濾水層回填，碎石層中預(yù)埋雙層φ100 mm透水盲管，盲管縱、橫向交叉布置，間距1 m×1 m，再通過(guò)Ⅱ線左側(cè)溶洞邊壁向Ⅰ線隧底鉆6個(gè)φ210 mm鉆孔，孔內(nèi)安裝透水盲管，與Ⅰ線隧道承臺(tái)底排水系統(tǒng)連通，形成排水系統(tǒng)。

溶洞段處理典型橫斷面和縱斷面見(jiàn)圖4和圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)

宜萬(wàn)線通車(chē)運(yùn)營(yíng)已近兩年，云霧山隧道“+852”溶洞段竣工已6年，經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)雨季洪峰的考驗(yàn)，隧道結(jié)構(gòu)安全可靠。回顧對(duì)“+852”溶洞工程水文地質(zhì)條件的分析判斷，特別是采取的一系列工程措施，對(duì)隧道穿越大型溶洞有如下認(rèn)識(shí)、體會(huì)。

(1)區(qū)域地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及暗河系統(tǒng)分布是分析溶洞工程水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)，溶洞的空間展布、充填性質(zhì)、富水程度及補(bǔ)給條件是設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵。

(2)對(duì)于類(lèi)似“+852”溶洞大型半充填溶洞，應(yīng)根據(jù)其規(guī)模形態(tài)、巖性產(chǎn)狀、地下水等控制因素評(píng)價(jià)其整體穩(wěn)定性，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論采取相應(yīng)的防護(hù)加固措施，以保障施工的安全。

(3)大型溶洞的勘察、方案研究和實(shí)施往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，施工應(yīng)結(jié)合隧道施工組織設(shè)計(jì)的具體情況，增設(shè)迂回導(dǎo)坑等，為溶洞段隧道施工多開(kāi)辟作業(yè)面，縮短溶洞處理的時(shí)間，同時(shí)減少溶洞處理與隧道施工的相互影響，以滿(mǎn)足隧道整體工期的需要。

(4)隧道結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)根據(jù)溶洞整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)論及防護(hù)加固措施綜合確定，必要時(shí)應(yīng)考慮偏載的影響。隧底基礎(chǔ)方案應(yīng)充分考慮溶洞的地下水環(huán)境，優(yōu)先考慮樁基基礎(chǔ)，以最大限度地維系既有地下水的滲流狀態(tài)，有效控制沉降，保障隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的安全。

圖4 溶洞典型橫斷面(單位:m)

圖5 Ⅰ線溶洞處理縱斷面

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