對門寨隧道DK34+164處隧底大型溶洞處理技術(shù)研究

曾 誠 范圣明 周關(guān)學(xué)

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

1 概述

對門寨隧道位于安六鐵路黃桶北～六枝南區(qū)間，設(shè)計(jì)速度250 km/h，雙線隧道，有砟軌道，全長1 756 m，最大埋深64 m。DK34+164處隧底大型溶洞段穿越地層巖性為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁巖。本隧左側(cè)400～500 m為地表沖溝，沖溝常年流水，該沖溝為本隧區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準(zhǔn)面，隧道位于地下水季節(jié)變動帶[1-2]。

近年來，我國先后在巖溶地區(qū)建成了渝懷鐵路、宜萬鐵路、滬昆客專等鐵路工程，克服了諸多的巖溶區(qū)復(fù)雜工程地質(zhì)問題，積累了豐富的巖溶隧道修建的經(jīng)驗(yàn)[3]，但對于高速鐵路隧道隧底跨越特大型溶洞處理方案的研究案例較少，本文通過對安六鐵路對門寨隧道大型溶洞處理的研究，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，為處理巖溶地區(qū)類似工程提供了非常重要的指導(dǎo)。

2 溶洞工程地質(zhì)情況

DK34+164處隧底溶洞深約44 m，寬約5～38 m，縱向長度約189 m（線路右側(cè)長122 m，左側(cè)長67 m），容量超過30.0×104m3，溶洞規(guī)模宏大，整體呈條帶狀分布，該溶洞沿一組區(qū)域性張節(jié)理方向延伸，溶洞走向與巖層傾向基本一致。該溶洞為半充填型溶洞，在隧底以下約22 m范圍為空溶洞，溶洞底部為洞頂坍塌的大塊石、碎石及石灰華堆積，堆積物表層有沖積的黃色黏土層，堆積物總厚度約5～20 m，溶洞坍塌物松散，塊石大小不均，最大塊石直徑5 m×5 m×3 m。本隧通過該溶洞段，頂板厚度2～6 m，極有可能進(jìn)一步坍塌。DK34+164處隧底溶洞照片及隧底巖溶平面如圖1、圖2所示。

圖1 DK34+164 處隧底溶洞仰視照片

圖2 DK34+164處隧底溶洞平面圖

該溶洞地下水總體流向?yàn)橛杀毕蚰狭鲃?，地下水流?jīng)DK34+164隧底下方溶洞及暗河后匯入黑曬河，地下水徑流平緩，該溶洞大廳在線路DK34+120.9左50 m的溶洞底部見地下出水點(diǎn)，呈現(xiàn)一水潭，出水量約3 000 m3/d，水質(zhì)清澤，該溶洞大廳溶壁可見水流痕跡線，地下水沿溶洞堆積大塊石縫隙消入下層溶洞，由于本溶洞底部消水洞消水能力有限，地下水在雨季暴雨時(shí)節(jié)在此呈現(xiàn)一水塘，水塘淹埋高度3～5 m，淹水?dāng)嗝鎸捈s2～6 m[4]。

3 溶洞處理方案比選

溶洞揭示后，根據(jù)溶洞規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件，進(jìn)行了“棄渣+C20砼”分層回填方案、混凝土圬工回填方案及橋梁跨越方案3種方案研究。

3.1 “棄渣+C20砼”分層回填方案

由于該溶洞屬于相對封閉的體系，僅需在遠(yuǎn)離線路側(cè)設(shè)置擋墻收坡，具備高填方之后控制沉降的自然條件，由于完全采用硬質(zhì)巖棄渣回填可能存在沉降過大的情況，采用C20砼與硬質(zhì)巖棄渣分層回填的方案可有效控制沉降?？紤]本段地下水較發(fā)育，可利用硬質(zhì)巖棄渣層透水性較好的特性，將地下水通過該透水層順利引排至下游消水洞排泄。

3.2 混凝土圬工回填方案

采用C20砼對巖溶空腔進(jìn)行回填，在回填體上施作隧道結(jié)構(gòu)，該方案砼施工難度低，但造價(jià)相對較高。

3.3 橋梁跨越方案

結(jié)合縱向溶洞空腔的跨度及深度采用拱橋方案，但施工難度極大且開挖、防護(hù)量很大，造價(jià)最高。

3.4 方案確定

3種處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

經(jīng)綜合比選，方案一在采用分層回填C20砼與棄渣層，并對棄渣層碾壓密實(shí)，可有效控制沉降，施工難度小、投資較省，沉降風(fēng)險(xiǎn)可控，故選用“棄渣+C20砼”分層回填方案。

4 溶洞處理方案

4.1 施工期間安全保障措施

（1）考慮本段隧底巖溶處理周期長且溶腔壁易掉塊，為確保本段施工安全，首先于隧底溶腔內(nèi)搭設(shè)鋼管腳手架作為施工作業(yè)平臺，隨后對溶腔壁采用錨網(wǎng)噴防護(hù)[5-8]，噴C25砼，厚15 cm；φ8鋼筋網(wǎng)，間距25 cm×25 cm；φ22砂漿錨桿，長3 m，間距1.0 m×1.0 m。DK34+164處隧底溶洞搭設(shè)鋼管腳手架照片見圖3。

（2）為確保作業(yè)人員安全，本段隧底溶洞整治期間應(yīng)完善溶洞內(nèi)應(yīng)急照明和應(yīng)急逃生通道等防災(zāi)應(yīng)急措施，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)溶洞內(nèi)的通風(fēng)。

圖3 DK34+164處隧底溶洞搭設(shè)鋼管腳手架照片

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.2 隧底巖溶處理

（1）結(jié)合隧底巖溶發(fā)育情況，DK34+120～DK34+195段隧底巖溶底部采用“棄渣+C20砼”分層間隔回填，回填層厚度按3 m控制，其中棄渣層回填應(yīng)分層進(jìn)行，分層厚度不大于1 m，并碾壓密實(shí)，壓實(shí)度K≥0.95。

（2）DK34+120～DK34+195段巖溶空腔大，且隧底回填體厚約15 m，為避免回填完成后基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，在回填施工前，對擋墻及回填體基礎(chǔ)采用φ76鋼管樁加固[10]，鋼管樁間距1 m×1 m（縱向×橫向），加固深度按嵌入完整基巖不小于1 m控制。

（3）對于溶洞中裂隙部分，在溶洞底部回填至襯砌底部后、二次襯砌施工前，于DK34+140～DK34+170段每5 m鉆設(shè)φ160鉆孔，泵送C20細(xì)石混凝土回填，為保證回填密實(shí)，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

（4）回填體兩側(cè)設(shè)置C25砼擋墻，擋墻頂寬1.5 m，胸坡1∶0.3。擋墻內(nèi)設(shè)置鋼管腳手架，用以外掛模板澆筑混凝土。隧底溶洞縱斷面、典型橫斷面如圖4～圖6所示。

圖4 隧底巖溶整治縱斷面圖

4.3 巖溶水引排

（1）溶洞內(nèi)地下水總體流向?yàn)橛杀毕蚰狭鲃?，在DK34+140～DK34+190底層（C20砼回填層）底部及頂部、第二層C20砼回填層頂部，分別埋設(shè)3排鋼筋砼管，每排3根，間距1.5～2 m，其中第一排、第三排管直徑為100 cm，第二排管直徑150 cm，排水縱坡不小于2%。

圖5 隧底巖溶整治典型橫斷面圖1

圖6 隧底巖溶整治典型橫斷面圖2

（2）為保證兩擋墻間棄渣回填層積水能順利排出，擋墻墻身于每層棄渣回填體范圍設(shè)置兩排泄水孔。泄水孔采用φ100 PVC管，泄水孔間距1.5 m交錯設(shè)置。為防止泄水孔堵塞，應(yīng)在泄水孔進(jìn)口處設(shè)置反濾層。

4.4 隧道底板結(jié)構(gòu)

為控制隧底工后不均勻沉降，DK34+120～DK34+195段采用Ⅲ級加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌，錨網(wǎng)噴厚29 cm C25砼，二襯厚55 cm鋼筋混凝土襯砌，底板厚150 cm鋼筋混凝土筏板，筏板主筋為單側(cè)每延米5根φ22鋼筋，內(nèi)外側(cè)對稱配筋。本隧底巖溶處理段隧道底板結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Ⅲ級加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌斷面圖

4.5 施工工序

本隧DK34+164處隧底大型溶洞處理主要施工工序如下:（1）施工準(zhǔn)備（含施工隊(duì)伍、機(jī)具設(shè)備等的準(zhǔn)備工作）；（2）搭設(shè)鋼管腳手架作為溶腔壁防護(hù)及掛設(shè)擋墻外模的作業(yè)平臺；（3）溶腔壁錨網(wǎng)噴防護(hù)；（4）溶洞底部鋼管樁注漿加固；（5）施作C25砼擋墻；（6）分層回填“棄渣+C20砼”；（7）待回填完畢后對本段隧底經(jīng)歷10個月放置期后進(jìn)行變形觀測；（8）變形觀測基本穩(wěn)定后施作隧道底板結(jié)構(gòu)及二襯。

5 工后沉降監(jiān)測

5.1 工后沉降監(jiān)測設(shè)計(jì)

本隧DK34+164處隧底巖溶處理于2017年9月完成，經(jīng)歷了10個月的放置期，于2018年7月開始進(jìn)行工后沉降監(jiān)測，具體設(shè)計(jì)如下:

（1）監(jiān)測斷面布置。

本次沉降觀測共選取了5個斷面，分別為DK34+145、DK34+150、DK34+155、DK34+160、DK34+170。

（2）測點(diǎn)分別于隧道中線位置、隧道中線左側(cè)5 m及隧道中線右側(cè)5 m位置進(jìn)行布置。

（3）觀測時(shí)間不得少于3個月[11]。當(dāng)觀測數(shù)據(jù)不足或工后沉降評估不能滿足要求時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長觀測期。沉降觀測頻率不低于表2。

表2 沉降觀測頻率

5.2 工后沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本隧DK34+164處隧底巖溶處理段共布置5個斷面，15個測點(diǎn)，監(jiān)測時(shí)間3個月2天。其中本段沉降變形最大的點(diǎn)位于DK34+170隧道中線左側(cè)5 m處，累計(jì)變形量3.15 mm，變形速率曲線見圖8。

圖8 DK34+170隧道中線左側(cè)5 m處變形速率曲線

參考《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》有砟軌道正線路基橋臺臺尾過渡段工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[12]，根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，本段變形均已趨于收斂且本段變形最大沉降量遠(yuǎn)小于5 cm，沉降速率遠(yuǎn)低于3 cm/年。

6 結(jié)束語

對門寨隧道DK34+164處隧底大型溶洞處理完成經(jīng)歷了10個月放置期后開始工后沉降監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧底沉降量及速率均滿足相關(guān)規(guī)范要求，隧道結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài)，說明處理方案是安全可靠的，經(jīng)過上述工程實(shí)踐，有如下認(rèn)識:

（1）DK34+164處隧底溶洞處理設(shè)計(jì)采用“棄渣+C20砼”分層間隔回填方案，既滿足了沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)通過棄渣透水層及埋設(shè)排水管能較好地排泄地下水，方案安全可靠，造價(jià)較低。

（2）設(shè)計(jì)采用“棄渣+C20砼”分層回填，能較好地解決大體積混凝土因水化熱導(dǎo)致有害裂縫的問題。

（3）隧底溶洞處理完成在放置10個月后進(jìn)行了工后沉降觀測，觀測數(shù)據(jù)顯示沉降變形已基本趨于穩(wěn)定，可滿足施作二襯及鋪設(shè)道砟條件。