馬 濤

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

宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道1號(hào)大型溶洞處理技術(shù)研究

馬 濤

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

宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道1號(hào)大型溶洞底軸長(zhǎng)171m,寬65m,高約100m,容量超過(guò)5.0×105m3,溶洞規(guī)模宏大,整體呈葫蘆形,隧道整個(gè)洞身均位于溶洞內(nèi)。經(jīng)過(guò)多方案比選,設(shè)計(jì)采用的“路基+明洞”方案充分利用了邊坡刷方所落下的巖塊,避免了大量砟量倒運(yùn),施工工藝簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)安全可靠。為避免高填路基產(chǎn)生過(guò)多工后沉降,設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)夯+注漿加固的綜合地基處理方案,并在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)留了部分工后沉降空間,保證了結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

宜萬(wàn)鐵路;隧道工程;溶洞;明洞;強(qiáng)夯

1 概述

宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道位于恩施市白果鎮(zhèn),為雙線隧道,全長(zhǎng)3421m,最大埋深328m,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(fēng)景區(qū)出水洞為區(qū)域最低排泄基準(zhǔn)面(圖1)。

隧道出口工區(qū)于2005年6月19日施工至DK232+467時(shí)揭示1號(hào)大型溶洞,溶洞長(zhǎng)軸與線路平行,底部軸長(zhǎng)171m,橫向?qū)挾?5m,溶洞最底部距路肩高度76m,距地表高度為110m,溶洞容量超過(guò)5.0× 105m3。由于埋深較淺,縱、橫向跨度較大,溶洞揭示后,地應(yīng)力進(jìn)行重分布,溶洞頂板不斷出現(xiàn)規(guī)模不等的坍塌,直至坍塌至地表,形成“天窗”[1～2]。

圖1 龍麟宮隧道縱斷面

目前我國(guó)學(xué)者進(jìn)行的巖溶對(duì)隧道工程的影響研究多集中在溶洞對(duì)隧道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的影響,即溶洞引起的隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、開(kāi)裂和失穩(wěn)[1～7],而較少涉及隧道穿越大型空溶洞處理方案研究[3～9]。本文結(jié)合龍麟宮隧道1號(hào)大型溶洞處理進(jìn)行溶洞防護(hù)、隧道結(jié)構(gòu)、隧底處理方案選擇的研究。

2 溶洞工程水文地質(zhì)條件

溶洞地層為寒武系淺灰色中厚～厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,局部夾薄層狀泥質(zhì)白云巖。溶洞位于白果壩背斜東南翼靠核部附近,巖層產(chǎn)狀196°～236°∠18°～22°,略有揉皺現(xiàn)象,該段構(gòu)造節(jié)理和溶蝕裂隙發(fā)育。受節(jié)理切割影響,溶洞頂部、側(cè)壁巖體破碎,洞頂及側(cè)壁掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重,特別是雨季掉塊頻繁,所掉塊體最大尺寸為3m×4m×5m。溶洞底部堆積物塊徑0.5～5.0m,局部有少量黏土充填,堆積最大厚度30～40m(圖2)。

圖2 龍麟宮隧道1號(hào)溶洞仰視

溶洞底部高程為612～590m,位于地下水位之上,表明該溶洞為古暗河通道,隨著地殼的抬升、溶蝕作用的下切,現(xiàn)在該溶洞處于垂直滲流帶內(nèi)。其主要承接大氣降水入滲所形成的過(guò)路水,最后匯入白果壩暗河系統(tǒng)排泄。溶洞遠(yuǎn)程補(bǔ)給降雨入滲大部匯聚于現(xiàn)代暗河的充水管道排入主暗河,只少量匯入溶洞;近程補(bǔ)給匯入溶洞水流主要在溶洞底面附近通過(guò)。50mm暴雨匯入量估算為1851～3300m3/d,強(qiáng)降雨時(shí)估算為10000m3/d[2](圖3)。

3 溶洞處理方案比選

圖3 龍麟宮隧道1號(hào)溶洞縱斷面

溶洞揭示后,根據(jù)溶洞規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件,進(jìn)行了路基+明洞方案、改線方案及橋梁方案3種方案研究。

(1)路基+明洞方案:由于該溶洞屬于相對(duì)封閉體系,具備高填方之后控制沉降的自然條件,對(duì)隧底以下溶洞采用硬質(zhì)巖砟回填形成路基;為防止溶洞壁垮塌對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)造成危害,在路基上設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)。

(2)改線方案:將鐵路線路進(jìn)行調(diào)整,向現(xiàn)線路兩側(cè)偏移,以繞避該溶洞。

(3)橋梁方案:鑒于溶洞段隧底下部大部分空洞,采用橋梁跨越,為保證運(yùn)營(yíng)安全,將橋梁上部的巖體全部清除后采用錨噴網(wǎng)防護(hù)。

3種處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 3種處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

根據(jù)各種處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較,選擇路基+明洞方案。

(3)可是現(xiàn)在,蕭哥哥,母親底懷內(nèi)還讓我去哭么?母親底懷內(nèi)還讓我去哭么?我也怕走近她,天呀,叫我向何處去哭呢?連眼淚都沒(méi)處流的人,這是人間最苦痛的人罷?

4 溶洞處理方案

4.1 輔助坑道

(1)為解決龍麟宮隧道出口掌子面受阻的問(wèn)題,在線路前進(jìn)方向左側(cè)設(shè)置1號(hào)橫洞,橫洞長(zhǎng)190m,進(jìn)入正洞繼續(xù)施工。

(2)為便于地質(zhì)勘察及施工機(jī)械進(jìn)入溶洞作業(yè),在DK232+440隧道左側(cè)設(shè)置2號(hào)橫洞,橫洞長(zhǎng)91m,橫洞口高程位于溶洞底堆積體頂部。

4.2 溶洞防護(hù)

(1)由于溶洞整體呈葫蘆形,隧道從中部穿過(guò),線路上部危巖倒垂,并不斷出現(xiàn)剝離及垮塌,在溶洞內(nèi)作業(yè)十分危險(xiǎn)。為保證施工安全,溶洞壁刷方工作面選擇在地表“天窗”附近,對(duì)DK232+402～DK232+514段左右側(cè)邊坡及隧道出口仰坡按照自上而下分層、分級(jí)刷坡,逐漸將“天窗”擴(kuò)大至設(shè)計(jì)邊界線,后采用自鉆式錨桿及網(wǎng)噴混凝土防護(hù),自鉆式錨桿水平向、垂直向間距均為3m,長(zhǎng)10m,與水平面下傾角15°。

(2)DK232+402仰坡及DK232+402～DK232+ 514邊坡右側(cè)周邊清理后設(shè)置0.5m×0.5m(寬×高)的漿砌片石矩形截水溝,截排山坡匯水。

4.3 路基填筑

(2)強(qiáng)夯后,在 DK232+410～DK232+470段657.0m高程處設(shè)0.5m厚的C15混凝土止?jié){板,并對(duì)DK232+375～DK232+490段底部堆積物采用注漿加固。鑒于堆砟深度最深達(dá)76m,注漿分2次進(jìn)行:第一次注漿鉆孔深度至溶腔底部基巖面;第二次鉆孔深度均為25m。對(duì)于隧底下的空腔及堆積物中較大空隙地段采用機(jī)制砂灌注,然后對(duì)較小的空隙、裂隙用水泥砂漿灌注,對(duì)隧道基底以下25m范圍內(nèi)最后采用0.8∶1～1∶1水泥漿注漿加固。

(3)注漿完成后,在止?jié){板上部回填5m硬質(zhì)巖砟,并采用單擊夯擊能2000kN·m的夯錘夯擊7遍,夯擊點(diǎn)位置采用等邊三角形布置,第一遍夯擊點(diǎn)間距取夯錘直徑的2.5倍,第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間。路基面以下至回填面共2m高范圍內(nèi)采用摻5%水泥的碎石分層填筑、碾壓、壓實(shí),采用與基床底層一致的壓實(shí)系數(shù)。

4.4 隧改路鑒于DK232+420～DK232+514段溶洞壁刷方后坡率較緩,且距鐵路線路距離超過(guò)20m,取消該段原設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu),采用路基形式通過(guò)。

4.5 隧道結(jié)構(gòu)(圖4、圖5)

圖4 龍麟宮隧道1號(hào)溶洞處理縱斷面

圖5 龍麟宮隧道1號(hào)溶洞處理典型橫斷面

(1)DK232+370～DK232+402段為暗洞加強(qiáng)段,考慮路基填筑引起的工后沉降,隧道內(nèi)輪廓能滿足20cm的均勻沉降,隧道采用加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌,25cm厚C25網(wǎng)噴混凝土初期支護(hù)及70cm厚C35鋼筋混凝土二次襯砌[10]。

(2)DK232+402～DK232+420段為明洞段,考慮路基填筑引起的工后沉降,隧道內(nèi)輪廓能滿足20cm的均勻沉降,隧道采用100cm厚C35鋼筋混凝土加強(qiáng)型襯砌。

5 結(jié)論

龍麟宮隧道1號(hào)大型溶洞處理完成后即開(kāi)展隧底沉降監(jiān)測(cè)工作,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,隧底沉降量滿足相關(guān)規(guī)范要求,隧道結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài),說(shuō)明處理方案是安全、可靠的,經(jīng)以上工程實(shí)踐,有如下認(rèn)識(shí)。

(1)龍麟宮隧道1號(hào)大型溶洞為葫蘆形溶洞,設(shè)計(jì)采用的路基+明洞方案可充分利用邊坡刷方所落下的巖塊,避免大量石砟倒運(yùn),施工工藝簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)安全可靠。

(2)為避免高填路基的過(guò)多的工后沉降,設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)夯+注漿加固的綜合地基處理方案,并在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中預(yù)留了部分工后沉降空間,保證了結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道DK232+467溶洞處理設(shè)計(jì)[Z].武漢:2009.

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬(wàn)鐵路龍麟宮隧道DK232+467溶洞工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢:2009.

[3] 傅鶴林.隧道襯砌荷載計(jì)算理論及巖溶處治技術(shù)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2005.

[4] MaKoocKNR.巖溶地層中地下建筑物的施工[J].隧道譯叢, 1994(1).

[5] 宋戰(zhàn)平.隱伏溶洞對(duì)隧道圍巖 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究[D].西安:西安理工大學(xué),2006.

[6] 王 勇,喬春生,孫彩虹,等.基于SVM的溶洞頂板安全厚度智能預(yù)測(cè)模型[J].巖土力學(xué),2006,27(6):1000 -1004.

[7] 宋長(zhǎng)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(jì), 2007(9).

[8] 趙明階,敖建華,劉緒華.巖溶尺寸對(duì)隧道穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(2):213 -217.

[9] 吳夢(mèng)軍,許錫賓,趙明階.巖溶地區(qū)公路隧道施工力學(xué)響應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(9):1525 -1529.

[10] 王夢(mèng)恕.對(duì)巖溶區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見(jiàn)[J].鐵道勘察,2004(1):7 -9.

[11] TB10003—2005,J449—2005,鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U452.2+7

A

1004 -2954(2010)08 -0125 -03

2010 -05 -05

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題(2003G036)

馬 濤(1980—),男,工程師,2005年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)巖土工程專業(yè),工學(xué)碩士,主要從事隧道工程設(shè)計(jì)及災(zāi)害防治研究工作,E-mail:tsymatao@163.com。