李鳴沖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術研究

李鳴沖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

宜萬鐵路龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段大型半充填溶洞縱向長100m,橫向寬100m,溶洞規(guī)模宏大、各段形態(tài)各異,隧道整個洞身均位于溶洞內(nèi)。設計采用立柱支頂與錨噴網(wǎng)結合的溶洞防護方案,防止了溶洞頂板大面積剝落、垮塌,為下部安全施工提供必要條件;根據(jù)溶洞與隧道的不同空間關系,采用了復合地基+整體結構、單壓式結構及框架結構等特殊隧道結構;針對隧底溶洞充填物承載力偏低的問題,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。經(jīng)過2年多的連續(xù)監(jiān)測,溶洞頂板、隧道結構均處于正常工作狀態(tài),說明處理方案安全、可靠。

宜萬鐵路;巖溶隧道;溶洞;處理技術;特殊結構

1 工程概況

宜萬鐵路龍麟宮隧道(圖1)位于恩施市白果鎮(zhèn),為雙線隧道,全長3421m,最大埋深328m,洞身位于白果壩背斜南東翼,洞身穿越寒武系上統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r地層,高程位于垂直滲流帶內(nèi),位于隧道下部100m深的龍麟宮風景區(qū)出水洞為區(qū)域最低排泄基準面。

圖1 龍麟宮隧道縱斷面

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。

目前我國學者進行的巖溶對隧道工程的影響研究多集中在溶洞對隧道圍巖應力場、變形場的影響,即溶洞引起的隧道圍巖及支護結構的變形、開裂和失穩(wěn)[1～7],而較少涉及大型溶洞內(nèi)隧道結構的研究。本文結合龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800段大型溶洞處理進行溶洞防護、特殊隧道結構、隧底處理方案選擇的研究。

2 溶洞規(guī)模、形態(tài)、工程水文地質(zhì)條件

溶洞縱向長100m,橫向寬大于150m,其中DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m為空洞,溶洞頂板位于隧道拱頂附近;DK231+735～DK231+ 755段隧道線路位置被巨石侵入,形成“鷹嘴”;DK231+ 755～DK231+796段溶洞頂板發(fā)育在軌面以上10～20m,隧底發(fā)育隱伏溶洞,形成溶洞大廳。溶洞規(guī)模宏大、各段形態(tài)各異,隧道整個洞身均位于溶洞內(nèi)[8]。

溶洞周邊地層為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r局部夾薄層泥質(zhì)白云巖,中厚～厚層,節(jié)理較發(fā)育。開挖揭露的灰?guī)r層厚為50～80cm,泥質(zhì)白云巖軟弱層厚度為10～20cm。由于溶洞頂部巖層傾角較小,層間發(fā)育軟弱夾層,節(jié)理裂隙較發(fā)育以及受施工振動等原因影響,溶洞頂部不穩(wěn)定,已有大塊巖石沿軟弱層面剝落,剝落層面厚度為80cm,最大面積達50m2。DK231+705～DK231+735段隧底以下9～23m為空洞,揭示后充填溶洞坍塌后形成的堆積物,局部地段存在較大塊石,塊徑1.8～2.3m。DK231+735～DK231+800段隧底以下為溶洞充填物及隧道棄砟,最深處發(fā)育至隧道以下15m[9]。

溶洞拱頂局部有滴、滲水現(xiàn)象,分析認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 溶洞處理方案

DK231+700～DK231+800溶洞縱、橫向跨度均超過100m,揭示過程中溶洞頂板不斷出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,對現(xiàn)場施工造成很大威脅,DK231+735～DK231+755段隧道線路位置被巨石侵入,巨石下部懸空,形成“鷹嘴”,極可能出現(xiàn)整體坍塌。根據(jù)溶洞形態(tài)、規(guī)模及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,綜合考慮隧道施工及運營安全,經(jīng)多方案比較,采用如下處理方案。

3.1 迂回導坑繞行(圖2)

為解決掌子面施工受阻難題,溶洞段采用迂回導坑繞行,迂回導坑長206.4m。

圖2 DK231+700～DK231+800段溶洞平面(單位:cm)

3.2 溶洞防護

由于溶洞頂板穩(wěn)定性差,不斷出現(xiàn)剝落,為保證溶洞頂板的穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)大范圍坍塌,采用“分段清危、立柱支頂、錨噴防護”的溶洞防護方案(圖3)。

圖3 溶洞立柱支頂防護

(1)采用機械逐段清除溶洞頂部可能塌落的危石。

(2)為盡量減小隧道工程活動范圍內(nèi)溶洞頂板的跨度,同時考慮防護工作是逐段進行(每段長度5m),設計中借鑒了無梁樓蓋的設計方法,在DK231+750～DK231+800溶洞大廳段采用φ1.4m的C25鋼筋混凝土立柱支頂,根據(jù)“永臨結合”的原則,隧道左右兩側各設置2排,靠近隧道2排立柱距隧道中線9m,縱向間距6m,其余立柱根據(jù)溶洞頂板穩(wěn)定情況,必要時在距隧道中線17m處設置;立柱采用獨立基礎,基礎尺寸為3m×3m×2m(長×寬×高),采用C20混凝土灌注;立柱與溶洞頂板間隙采用M10水泥砂漿壓密,確保立柱與溶洞頂板密貼。

(3)為增強溶洞拱頂?shù)淖猿心芰?對 DK231+ 705～DK231+800段溶洞頂板進行錨噴網(wǎng)防護, DK231+705～DK231+755段溶洞防護范圍為隧道中線外20m以內(nèi),DK231+755～DK231+800段溶洞防護范圍為隧道中線外15m以內(nèi),參數(shù)為:φ25mm自進式錨桿,長8m,間距2.0m×2.0m;C20網(wǎng)噴混凝土15cm厚,鋼筋網(wǎng)采用φ8mm鋼筋,網(wǎng)格為20cm× 20cm。

3.3 隧底空洞段處理方案(圖4)

(1)隧底溶洞處理:DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m為空洞,溶洞揭示后,隨溶洞頂板不斷剝落及部分隧道棄砟堆填,隧底空洞已被塌落的巨、塊石堆積,空隙較大,易發(fā)生不均勻沉降,堆積體難以達到規(guī)范規(guī)定的無砟軌道工后沉降控制值。為有效控制工后沉降量,該段采用復合地基加固處理,隧道結構下部2.0m厚采用C20混凝土填筑,其下部則采用復合地基混凝土樁加固。樁徑1.25m,樁間距2.5m,三角形布置,樁長1.24～17.06m,深入基巖不小于0.5m,樁內(nèi)填充C15混凝土,樁頂鋪0.6m的碎石墊層,其內(nèi)鋪設2層TGSG50土工格柵(樁頂以上0.2、0.5m各1層),土工格柵的極限抗拉強度不小于50kN/m。

圖4 隧底空洞段處理設計

(2)隧道結構:為防止隧道兩側溶洞壁剝離落石對隧道結構造成損壞,隧道左右邊墻外施作1m厚混凝土護墻,同時考慮高填路基工后沉降的影響,隧道軌上內(nèi)輪廓在原設計的基礎上適當加高,采用加強型復合式襯砌,25cm厚C25網(wǎng)噴混凝土初期支護+60cm厚C35鋼筋混凝土二次襯砌[10]。

3.4 “鷹嘴”段溶洞處理方案(圖5)

(1)穩(wěn)固“鷹嘴”:由于巨石懸空,為保證施工安全,首先在線路右側施作混凝土擋墻支頂,以起到支頂、防護效果,并將擋墻內(nèi)側巨石懸空部分采用混凝土回填密實,以保證巨石不出現(xiàn)傾覆,為下一步開挖創(chuàng)造條件。

(2)隧道結構:根據(jù)侵入隧道開挖線內(nèi)巨石形態(tài)、工程地質(zhì)條件,隧道采用單壓式結構,以對巨石形成支撐的作用。

圖5 “鷹嘴”段處理設計

3.5 溶洞大廳段處理方案(圖6)

(1)隧底溶洞處理:溶洞大廳段隧道溶洞充填物分為2層,淺層溶洞充填棄砟及塊石土,下部為隱伏溶洞,充填黏土及塊石土,為提高地基承載力及減小工后沉降,DK231+755～DK231+796段隧底以下2m以內(nèi)淺層溶洞采用C20片石混凝土換填,8m以內(nèi)淺層溶洞采用φ89mm鋼管樁加固,樁間距1.0m×1.0m,注0.6∶1～1∶1水泥漿加固溶洞內(nèi)填充物,注漿壓力1.5～3.0MPa,通過混凝土換填層將鋼管樁聯(lián)為一個整體,以增強鋼管樁的整體穩(wěn)定性。隧底及立柱基礎下隱伏溶洞采用注漿加固,立柱基礎下采用斜孔注漿,注漿材料采用0.6∶1～1∶1水泥漿,注漿孔間距2.0m×2.0m,注漿壓力1.5～3.0MPa。

圖6 溶洞大廳段處理設計

(2)隧道結構:鑒于溶洞頂板最高處高于隧道拱頂10m,為防止運營期間拱頂落石對隧道結構產(chǎn)生破壞,首先在隧道拱頂設置框架結構支頂,減少溶洞頂板跨度,后在隧道拱頂施作輕質(zhì)磚+高聚物緩沖層,高聚物具有質(zhì)輕(重度為水重度的1/10～1/20)、閉孔、承載力大、緩沖效果好等工程特點,可以大幅度減少落石的沖擊荷載,以保證隧道運營安全。

4 結論

龍麟宮隧道DK231+700～DK231+800溶洞處理完成后即開展監(jiān)測工作,經(jīng)過2年多的連續(xù)監(jiān)測,溶洞頂板、隧道結構均處于正常工作狀態(tài),說明處理方案是安全、可靠的,經(jīng)以上工程實踐,有如下認識。

(1)對大跨度溶洞大廳頂板的加固,立柱支頂與錨噴網(wǎng)結合的方案技術是可行、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必要條件。

(2)根據(jù)溶洞與隧道的不同空間關系,設計中分別采用了復合地基+整體結構、單壓式結構及框架結構等特殊隧道結構,可有效保證鐵路施工、運營的安全。

(3)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,達到了設計要求。

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U452.2+7

A

1004 -2954(2010)08 -0119 -03

2010-05-17

鐵道部科技研究開發(fā)計劃課題(2003G036)

李鳴沖(1972—),男,高級工程師,1996年畢業(yè)于西南交通大學地下工程及隧道工程專業(yè),工學學士,E-mail:tsylmc123@126.com。