宜萬鐵路下村壩隧道大型半充填溶洞處理技術(shù)

趙玉龍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

宜萬鐵路東起湖北宜昌，西至重慶萬州，全長377 km，共分布 118座隧道，總長 226.7 km。全線70%地段位于碳酸鹽地區(qū)，巖溶發(fā)育，地下水豐富。下村壩隧道為宜萬鐵路26座二級風(fēng)險隧道之一，屬深埋巖溶隧道，施工中揭示大型溶洞2處，小型溶洞50余處，溶洞類型以空溶洞、充填及半充填溶洞為主，形態(tài)變化多樣。“+615”溶洞在大型半充填溶洞中很具有代表性，溶洞規(guī)模大、頂部大塊危巖鑲嵌、底部軟塑狀黏土充填，隧道在溶洞中部穿越，溶洞處理難度大。

1 隧道概況［1］

宜萬鐵路下村壩隧道位于恩施市白果壩鎮(zhèn)，全長1 975 m，隧道進口里程DK236+088，隧道出口里程DK238+063，雙線隧道，線路縱坡16.2‰，隧道最大埋深300 m。隧道區(qū)地表溶溝、溶槽較發(fā)育，局部發(fā)育溶蝕洼地、漏斗及落水洞。隧道穿越地層為奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組及寒武系上統(tǒng)耗子沱群白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r局部含灰質(zhì)白云巖等可溶巖地層，巖溶發(fā)育。隧道正常涌水量3 507 m3/d，最大涌水量21 857 m3/d。

2 溶洞規(guī)模及地質(zhì)特征［2］

2.1 溶洞規(guī)模

下村壩隧道大型半充填溶洞——“+615”溶洞沿線路縱向發(fā)育里程為 DK236+565～DK236+615，長50 m;垂直線路方向從左邊墻發(fā)育至右邊墻外18 m;豎向向上發(fā)育至軌面以上最大高度30 m，向下發(fā)育至軌面以下最大深度18 m。溶洞發(fā)育平面見圖1。

圖1 “+615”溶洞發(fā)育平面

2.2 地質(zhì)特征

溶洞段地層為寒武系上統(tǒng)耗子沱群白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r局部夾灰質(zhì)白云巖，灰白色、深灰色，節(jié)理裂隙較發(fā)育，中厚 ～厚層狀，巖層產(chǎn)狀:165°～178°∠ 8°～23°。主要存在兩組節(jié)理:(1)節(jié)理面產(chǎn)狀:305°∠87°，間距 0.3 條/m，裂隙寬 1 ～2 mm，縫內(nèi)無充填;(2)節(jié)理面產(chǎn)狀:55°∠61°，間距0.8條/m，裂隙寬5 ～10 mm，縫內(nèi)無充填。溶洞段隧道埋深200 m左右，地表溶溝、溶槽較發(fā)育。該段隧道圍巖層面較緩，拱頂易坍落、掉塊。

“+615”溶洞為大型塊石鑲嵌并伴有黏土、塊石土充填、半充填型的溶洞。該溶洞的發(fā)育受節(jié)理控制明顯。溶洞底部及右邊墻局部地段充填軟塑狀黏土以及松散～稍密的碎石土。溶洞局部有滲水，暴雨時右邊墻局部地段有巖溶裂隙水出現(xiàn)，水量15 m3/h;左邊墻附近也有少量巖溶裂隙水出現(xiàn)。溶洞內(nèi)的巖溶裂隙水清澈，水量季節(jié)性明顯，干旱時無水，暴雨時水量較大。溶洞揭露后右側(cè)邊墻外軟塑黏土局部滑坍，溶洞右側(cè)坍塌體旁發(fā)育1處消水洞，長約4 m，寬2～3 m，垂直向下發(fā)育。巖溶裂隙水可考慮引入該消水洞中排放。

2.3 拱頂巖體穩(wěn)定性評價

溶洞頂部巖體在未采取加固措施的情況下，處于暫時穩(wěn)定狀態(tài)，但存在掉塊5 m×4 m×2 m的可能性。

3 溶洞處理技術(shù)

為確保隧道施工及運營安全，根據(jù)溶洞發(fā)育規(guī)模及地質(zhì)條件，采取“拱部回填穩(wěn)定危巖、隧底樁基承臺結(jié)構(gòu)跨越溶洞、洞身加強型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)”的綜合處理技術(shù)［2］。溶洞處理縱斷面見圖2。

圖2 溶洞處理縱斷面(單位:m)

3.1 溶洞防護［8-10］

溶洞揭示后，為確保施工期作業(yè)人員及機械設(shè)備安全，需對溶洞進行必要的監(jiān)測及防護。溶洞監(jiān)測項目主要為頂板的穩(wěn)定性、洞壁危巖的松動情況以及局部溶洞充填物的滑坍發(fā)展情況。溶洞防護施工需要在各項監(jiān)測穩(wěn)定的前提下進行，主要包括清除溶洞頂部影響施工安全的危石，對溶洞頂部進行必要噴錨網(wǎng)防護，隧道右側(cè)滑坍體坡腳砂袋碼砌反壓。

噴錨網(wǎng)防護范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，必要時在危石處設(shè)鋼架支撐，鋼架需與圍巖密貼，并與錨桿有效焊接。噴錨網(wǎng)參數(shù)為:φ32 mm錨桿，長4～6 m，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置;C20網(wǎng)噴混凝土，厚15 cm;φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格為20 cm×20 cm?；履_采用砂袋碼砌，高3 m，厚1.5 ～2.0 m。

3.2 隧道結(jié)構(gòu)

3.2.1 隧道結(jié)構(gòu)計算［3，6］

溶洞段擬定二次襯砌采用60 cm厚C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用SAP84 V6.5軟件計算，二次襯砌采用彈性梁單元模擬，圍巖對墻背的抗力采用壓彈簧單元模擬，按荷載-結(jié)構(gòu)模式采用直接剛度法進行計算。

護拱產(chǎn)生的豎向荷載均按5×23=115 kN/m2考慮，根據(jù)溶洞發(fā)育特征及其與隧道的空間關(guān)系確定拱部圍巖(可能的松動危石)產(chǎn)生的豎向荷載，隧道左側(cè)按5×23=115 kN/m2考慮，隧道右側(cè)按10×23=230 kN/m2考慮;由于拱部回填后，危石不存在墜落沖擊的情況，故不考慮落石沖擊荷載;圍巖側(cè)壓力系數(shù)取0.15;拱墻彈性反力系數(shù)取800 MPa/m，承臺彈性反力系數(shù)292 MPa/m;結(jié)構(gòu)自重及列車荷載均按規(guī)范選取。計算模型共劃分38個單元，圍巖彈性抗力采用壓彈簧模擬。隧道二次襯砌計算軸力圖、彎矩圖分別見圖3、圖4。

圖3 二次襯砌計算軸力圖

圖4 二次襯砌計算彎矩圖

計算顯示，隧道的拱頂、拱腰以及墻腳是受力薄弱部位。二次襯砌彎矩主要發(fā)生在拱部與墻腳處，二次襯砌軸力分布相對比較均勻，最小的軸力出現(xiàn)在拱頂，最大軸力出現(xiàn)在邊墻拱腳處。二次襯砌內(nèi)力及配筋設(shè)計見表1。

表1 二次襯砌內(nèi)力及配筋

根據(jù)計算結(jié)果，溶洞段隧道二次襯砌主筋選用φ25 mm HRB335鋼筋，縱向間距125 mm，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)確定［3，4，6］

經(jīng)理論計算并借鑒類似工程處理經(jīng)驗，溶洞段(DK236+569.8～+605)隧道結(jié)構(gòu)采用曲墻平底形式。支護參數(shù)確定為:初期支護采用25 cm厚C20網(wǎng)噴混凝土，內(nèi)置I20型鋼架，鋼架間距根據(jù)溶洞發(fā)育情況危石段0.5 m/榀，空腔地段1 m/榀。為保證初期支護鋼架基礎(chǔ)穩(wěn)定，在隧底為溶洞地段(DK236+575～+590)的初期支護墻腳外設(shè)置兩道型鋼混凝土縱梁，縱梁截面為1 m×1 m，縱梁底部設(shè)置3榀I18型鋼，縱梁兩端支承于基巖的長度不小于1.5 m，縱梁下方溶腔充填物處采用鋼管樁注漿加固。鋼管樁采用φ108 mm，壁厚9 mm熱軋無縫鋼花管，下端嵌巖深度不小于50 cm，上端伸入縱梁50 cm，縱向0.5 m設(shè)1處，每處2根，橫向間距0.5 m。注漿材料采用1∶1水泥漿，注漿壓力1.0～1.5 MPa，注漿后，鋼管中填充 C20混凝土，增強抗彎能力。溶洞段拱墻二次襯砌采用60 cm厚C35鋼筋混凝土，底板采用60 cm厚C35鋼筋混凝土;隧道二次襯砌環(huán)向主鋼筋采用φ25@125 mm，縱向鋼筋適當(dāng)加強。溶洞段隧底結(jié)構(gòu)見圖5，隧底為基巖段隧道結(jié)構(gòu)見圖6。

圖5 溶洞段襯砌斷面(適用于隧底為溶洞段)(單位:cm)

3.3 隧底溶洞處理

3.3.1 樁基承臺設(shè)計［5］

(1)為保證隧道長期運營安全，DK236+569.8～+590.2段隧底采用樁基承臺結(jié)構(gòu)，共設(shè)置 24根φ1.25 m的C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長6.5～23 m，縱向間距 3.6 m，橫向間距 3.3 m，橫向每排 4根，縱向設(shè)置6排。溶洞段隧道結(jié)構(gòu)對下部樁基承臺的荷載為:N=3 758 kN/延米(軸力、豎直向下);M=490 kN·m/延米。經(jīng)計算，最大樁頭軸力為4 806.65 kN;最大控制彎矩為-183.62 kN·m，據(jù)此確定樁橫截面配筋參數(shù)為φ20 mm HRB335鋼筋，環(huán)向間距194 mm，每截面均布18根。

圖6 溶洞段襯砌斷面(適用于隧底為基巖段)(單位:cm)

(2)樁底弱風(fēng)化完整灰?guī)r頂板厚度要求不小于6 m。樁身施工時先將承臺底以下0.5 m范圍內(nèi)基巖及溶洞填充物予以清除，換填致密砂夾卵石碎石層以改善樁身受力。

(3)承臺采用 C25 混凝土，厚度2.5 m，寬12.3 m，長20.4 m。承臺頂面預(yù)留連接鋼筋與隧道結(jié)構(gòu)相連，φ25 mm HRB335鋼筋，橫、縱向間距25 cm，深入承臺及上部隧道結(jié)構(gòu)各50 cm。承臺開挖時利用既有隧道結(jié)構(gòu)下密排鋼管樁作為擋護結(jié)構(gòu)，開挖后及時噴混凝土封閉，確保施工安全。

3.3.2 溶洞處理

隧底為溶洞充填物段(DK236+575～+590)初期支護施作前先對隧底、右邊墻外溶洞填充物注漿加固［7］，注漿材料選用0.6 ∶1～1 ∶1水泥漿，注漿范圍至隧底以下5 m，φ50 mm注漿孔，間距3 m×3 m，注漿壓力0.5～1.0 MPa。隧底發(fā)育淺層溶洞段(DK236+590.2～+595)采用C20混凝土換填處理。

3.4 拱部溶洞處理

隧底、邊墻外溶洞充填物注漿達(dá)到預(yù)期效果，縱梁及初期支護施作完畢后，對隧道拱部危石及空腔部分泵送M10水泥砂漿(部分大的間隙采用C20混凝土)充填固結(jié)，使回填料與拱部危石固結(jié)為一體，達(dá)到整體穩(wěn)定的效果。為保證初期支護的穩(wěn)定，在初期支護拱腳、邊墻底部施作臨時橫向鋼支撐，隧道中線處設(shè)置臨時豎向鋼支撐，鋼支撐采用I18型鋼，間距0.5 m。泵送水泥砂漿(混凝土)分層進行，層厚1～2 m，最終在拱部形成5 m厚的加固圈(護拱)。回填水泥砂漿后利用回填時的預(yù)留孔，對隧道拱頂以上5～10 m范圍內(nèi)的圍巖裂隙、巖溶裂隙注漿固結(jié)，注漿壓力1.0～1.5 MPa，注漿材料采用1∶1水泥漿。溶洞處理典型橫斷面見圖7、圖8。

圖7 溶洞處理典型橫斷面一(單位:cm)

圖8 溶洞處理典型橫斷面二(單位:cm)

3.5 溶洞排水措施

DK236+580處邊墻外側(cè)發(fā)育1處消水洞，溶洞處理全過程不得堵塞該消水洞，以維系溶洞原有水路，保證排水通暢，避免巖溶水蓄積影響隧道結(jié)構(gòu)安全。

3.6 施工工序

(1)隧底、右邊墻外溶洞填充物注漿加固;

(2)墻腳縱梁及底部鋼管樁施工;

(3)施作初期支護(包括臨時橫向、豎向鋼支撐);

(4)隧道拱部分層泵送水泥砂漿(混凝土)及注漿加固;

(5)施作柱基礎(chǔ)及承臺結(jié)構(gòu);

(6)施作防水層及隧道二次襯砌。

4 結(jié)語

(1)下村壩隧道“+615”溶洞采用的拱部回填固結(jié)危巖、隧底樁基跨越溶洞、隧道結(jié)構(gòu)加強等綜合處治技術(shù)工程實踐效果較好，施工及運營期結(jié)構(gòu)安全可靠。

(2)此類溶洞拱部多存在危巖，傳統(tǒng)方法主要考慮全部清除，但“+615”溶洞拱部危巖塊體鑲嵌，全部清除難度大且施工風(fēng)險高，設(shè)計采取了回填及注漿固結(jié)方案，變“危巖”為“圍巖”，解決了拱部危巖落石對隧道結(jié)構(gòu)的危害，此種技術(shù)經(jīng)濟合理。

(3)溶洞發(fā)育復(fù)雜多變，設(shè)計根據(jù)“一次根治、不留后患”的處理原則，對“+615”溶洞隧底充填物發(fā)育深度大、承載力低的段落，采用了樁基承臺結(jié)構(gòu)，有效避免了工后沉降，確保了運營安全。

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