趙玉龍

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

1 隧道概況[1]

云霧山隧道是在建宜萬鐵路 5座Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)隧道之一,位于恩施市白果鎮(zhèn)和小溪溝之間,全長6640m,全隧道為單面上坡,洞身最大埋深 800m,進(jìn)口段為三線車站隧道,后過渡為 2條單線隧道。隧道穿越地層均為可溶巖,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,隧道穿越白果壩背斜和白果壩斷裂,區(qū)內(nèi)發(fā)育白果壩暗河,大魚泉、小魚泉、惡水溪和洞灣管道流系統(tǒng),地表遍布巖溶洼地、漏斗及落水洞,工程、水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜,施工中易發(fā)生大規(guī)模突水、突泥等工程災(zāi)害,施工風(fēng)險(xiǎn)極大。

2 “+260”溶洞地質(zhì)條件[2]

2.1 超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)

云霧山隧道施工地質(zhì)分級為 A+級。設(shè)計(jì)采用長距離地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探及超長炮孔等多種超前預(yù)測預(yù)報(bào)手段?，F(xiàn)場施工中地震波法、地質(zhì)雷達(dá)超前探測均反應(yīng) DK245+260附近存在物探異常,超前平鉆探鉆至 DK245+260附近時(shí)曾發(fā)生多次間歇性突水、突泥現(xiàn)象。超前鉆孔過程中累計(jì)出水量約30000m3,累計(jì)突泥量約1600m3,實(shí)測溶洞內(nèi)最大水壓為 0.56MPa。

2.2 溶洞規(guī)模

溶洞在Ⅰ線(右線)隧道發(fā)育里程為 DK245+257～DK245+273,長 16m,溶洞主體部位位于Ⅰ線中線與Ⅱ線(左線)右邊墻之間,向Ⅱ線發(fā)育的規(guī)模漸小,至Ⅱ線右邊墻為 0.2～0.6m寬的巖溶裂隙,溶洞平面見圖1,超前探測顯示溶洞在隧道拱頂以上發(fā)育高度大于 11m,隧底鉆探顯示隧底以下溶洞發(fā)育深度 21m。

圖1 溶洞平面

2.3 工程地質(zhì)條件

溶洞段隧道埋深約 770m,地表遍布巖溶洼地、漏斗及落水洞,該段位于白果壩背斜核部區(qū)域,并處于物探(GDP-32)異常區(qū)內(nèi),地層為寒武系下統(tǒng)天河板組灰?guī)r、細(xì)晶質(zhì)灰質(zhì)白云巖互層,中厚 ～厚層狀,節(jié)理裂隙較發(fā)育,溶洞發(fā)育主要受張節(jié)理控制,溶洞段區(qū)域地質(zhì)縱斷面見圖2。溶洞內(nèi)充填物為黏砂土,含水豐富,拱頂以上主要為硬塑狀,下部靠溶洞兩側(cè)巖壁充填物為硬塑狀,中間為流塑狀,隧底溶洞充填物主要為軟塑狀黏土(旱季),雨季時(shí)溶洞充填物遇水會(huì)發(fā)生軟化現(xiàn)象,溶洞段圍巖級為Ⅵ級。

圖2 區(qū)域地質(zhì)縱斷面

2.4 水文地質(zhì)條件

巖溶發(fā)育主要受張節(jié)理及層面控制。大氣降水是溶腔巖溶水的補(bǔ)給源,降雨后雨水順巖溶洼地、漏斗及落水洞匯入地下,沿層面及張節(jié)理發(fā)育的各種巖溶形態(tài)徑流,向洞灣暗河方向排泄。預(yù)測溶洞最大涌水量40500m3/d,最不利水頭高度 100m。

3 “+260”溶洞綜合治理[3]

為確保隧道施工及運(yùn)營安全,綜合考慮“+260”溶洞發(fā)育規(guī)模、工程及水文地質(zhì)條件,按照“堵排結(jié)合、限量排放、注漿加固、綜合治理”的原則進(jìn)行處理,設(shè)計(jì)中有針對性的采取了排水減壓、超前帷幕注漿預(yù)加固、超前管棚預(yù)支護(hù)、加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌、隧底樁基礎(chǔ)等綜合整治措施。

3.1 排水減壓

為避免施工期間溶洞內(nèi)蓄積高水頭,需要在施工全過程對溶洞實(shí)施排水減壓,以保證溶洞超前注漿加固效果及隧道開挖安全。在Ⅱ線ⅡDK245+246右側(cè)巖溶裂隙處預(yù)埋 3根 φ200mm鋼管作為引排水管。同時(shí),考慮到Ⅰ線超前注漿加固時(shí),Ⅱ線巖溶裂隙處預(yù)埋的引排水管可能會(huì)發(fā)生堵塞,在Ⅱ線ⅡDK245+250～ⅡDK245+260段右側(cè)拱墻部位增設(shè)不少于 6個(gè)φ150mm的有效排水孔,對溶洞實(shí)施排水減壓,排水孔終孔位于Ⅰ線溶腔注漿加固圈以外的溶腔內(nèi)。溶洞處理施工期間隨時(shí)保持排水孔排水通暢。

3.2 超前注漿預(yù)加固

為確保施工安全,防止隧道溶洞內(nèi)充填物涌入隧道從而引發(fā)突水突泥等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,對“+260”溶洞采用超前注漿預(yù)加固以提高溶洞內(nèi)充填物自穩(wěn)能力,改善其物理力學(xué)指標(biāo)。

3.2.1 注漿范圍

針對該溶洞充填、水壓、發(fā)育規(guī)模等情況,同時(shí)類比相似工程處理經(jīng)驗(yàn),對溶洞段(DK245+253～DK245+275)隧道開挖輪廓線外不小于 5m范圍以內(nèi)充填物進(jìn)行超前注漿加固。共設(shè)計(jì)超前注漿鉆孔 95孔,孔長 10～23m,注漿孔開孔直徑不小于108mm,終孔直徑不小于 90mm;孔口管采用 φ108mm,壁厚 5 mm的熱軋無縫鋼管,管長 3m,孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固,并有良好的止?jié){措施。超前注漿設(shè)計(jì)見圖3～圖6。

3.2.2 注漿參數(shù)和注漿材料

根據(jù)溶洞形態(tài)、規(guī)模和充填物性質(zhì),注漿設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 注漿參數(shù)

圖3 超前注漿縱斷面(單位:cm)

圖4 超前注漿平面(單位:cm)

圖5 超前注漿開孔布置(單位:cm)

圖6 ⅡDK245+263斷面交圈

注漿材料以水泥單液漿為主,水泥-水玻璃雙液漿、超細(xì)水泥漿液作為補(bǔ)充,其中水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿中水泥基材料采用普通硅酸鹽水泥(強(qiáng)度等級不低于 42.5R),注漿材料配比見表2。注漿前首先進(jìn)行注漿試驗(yàn),掌握漿液填充率、單孔注漿量、注漿壓力等信息,進(jìn)一步分析優(yōu)化注漿材料、漿液配合比、漿液擴(kuò)散半徑、注漿終壓等參數(shù)。

表2 漿液配比

3.2.3 注漿效果檢查

對注漿過程采取 P-Q-t曲線分析法、反算漿液充填率法和抽樣取芯檢查等方法進(jìn)行注漿效果檢查與評定。注漿檢查孔不少于帷幕注漿孔的 10%,檢查范圍包括整個(gè)注漿加固體(襯砌外 5m,縱向 22m);漿液填充率必須達(dá)到 80%以上;檢查孔進(jìn)行注漿,壓力應(yīng)很快上升,且進(jìn)漿量很少;檢查孔應(yīng)無流泥、成孔好、無塌孔,涌水量小于 0.2L/m?min。

3.3 超前管棚注漿預(yù)支護(hù)

DK245+253～DK245+275超前注漿施工完成并達(dá)到效果后,對該段采用超前長管棚注漿預(yù)支護(hù),結(jié)合溶洞發(fā)育情況,管棚設(shè)置范圍為隧道左側(cè)拱、墻部位,環(huán)向間距 0.2m,管棚長 22m,采用 φ108mm熱軋無縫鋼花管(壁厚 9mm),每根鋼管內(nèi)設(shè) 3根 φ16mm通長鋼筋形成鋼筋籠以增強(qiáng)管棚剛度,管棚注漿結(jié)束后,采用 M10水泥砂漿封孔。

3.4 隧道結(jié)構(gòu)

3.4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算[3～4]

選取 DK204+260斷面為計(jì)算斷面,采用 SAP84 V6.5計(jì)算軟件,二次襯砌拱、墻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(jìn)行計(jì)算。

隧道左側(cè)按照深埋Ⅵ級圍巖選取荷載,右側(cè)按深埋Ⅲ級圍巖選取荷載,隧道結(jié)構(gòu)周圍水壓力按最不利水頭高度 100m加載,荷載示意見圖7。隧道左側(cè)彈性反力系數(shù)取 K=100MPa/m;右側(cè)取 800MPa/m;隧底承臺(tái)取 200MPa/m,單元長度按 1m劃分,共劃分為33個(gè)計(jì)算單元。

圖7 荷載示意

經(jīng)程序計(jì)算所得二次襯砌彎矩圖見圖8、二次襯砌軸力圖見圖9。

圖8 彎矩圖(單位:kN?m)

根據(jù)二次襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,選取隧道拱部、邊墻、隧底三處中受力最大的截面進(jìn)行配筋檢算,配筋檢算結(jié)果見表3。

表3 配筋檢算

按以上配筋參數(shù)對二次襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性檢算,得出的安全系數(shù)均大于 2.0,滿足規(guī)范要求。

3.4.2 襯砌斷面

經(jīng)過以上理論計(jì)算,并借鑒類似工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),溶洞段最終確定為 25cm厚初期支護(hù),初期支護(hù)內(nèi)置全環(huán) I20型鋼鋼架,鋼架間距 0.5m;75cm厚 C35防水鋼筋混凝土二次襯砌的加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。溶洞段襯砌斷面見圖10。隧道拱墻二次襯砌環(huán)向主鋼筋采用 φ25mm@125mm,隧道底板二次襯砌環(huán)向主鋼筋采用 2φ22mm@125mm。

圖10 溶洞段襯砌斷面(單位:cm)

3.5 隧底處理

“+260”溶洞段 DK245+256.5～DK245+268.5段隧底溶洞充填物主要為軟塑狀黏土,最深處發(fā)育至隧底以下約 21m。該段隧底采用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),共設(shè)置12根(4排,每排 3根)φ1.25m的 C25鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,樁間距橫向 2.63m,縱向 3.2m,樁長 9.5～26.5m,襟邊距離 1.2m。

3.6 隧道防排水系統(tǒng)

溶洞段采用“堵排結(jié)合、限量排放”的防排水設(shè)計(jì)原則。二次襯砌拱墻背后設(shè)置 EVA防水板(加土工布),環(huán)向采用 φ50mm透水管盲溝,每 5m設(shè) 1環(huán);洞內(nèi)側(cè)溝泄水孔高程處設(shè) φ100mm透水管盲溝,防排水?dāng)嗝媸疽庖妶D11。溶洞段施工縫處設(shè)置 2道防水,在防水板與二次襯砌之間設(shè)置外貼式橡膠止水帶,內(nèi)側(cè)設(shè)置復(fù)合式鋼板止水帶,施工縫防水構(gòu)造見圖12。

圖11 防排水?dāng)嗝媸疽?/p>

圖12 施工縫防水構(gòu)造(單位:mm)

為防止巖溶水縱向串流,為減少隧道周邊地下水由高水壓區(qū)段向低水壓區(qū)段的縱向竄流,確保結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全,在溶洞段兩端隧道結(jié)構(gòu)變化處設(shè)置阻水榫。阻水榫尺寸 1.0m×1.0m,阻水榫采用 C35防水混凝土。阻水榫設(shè)置處取消環(huán)、縱向透水盲管及防水板。

3.7 施工方法

溶洞段采用短臺(tái)階法施工,每循環(huán)進(jìn)尺控制在 1m以內(nèi),施工中采用微振動(dòng)控制爆破技術(shù),盡可能減少開挖對注漿加固體及周邊圍巖的擾動(dòng)。每工序開挖完成后及時(shí)施做初期支護(hù),并盡快封閉,在隧道大跨處、軌道面高程處設(shè)置臨時(shí)仰拱。同時(shí)加強(qiáng)初期支護(hù)及圍巖的監(jiān)控量測工作,及時(shí)根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)措施。

4 結(jié)語

(1)云霧山隧道“+260”高壓富水充填溶洞已于2009年 5月全部處理完成,截至目前已經(jīng)過多次強(qiáng)降雨的考驗(yàn)。實(shí)踐證明設(shè)計(jì)遵循的“堵排結(jié)合、限量排放、注漿加固、綜合治理”的處理原則是正確的;排水減壓、超前注漿預(yù)加固、超強(qiáng)管棚預(yù)支護(hù)、加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)等多種處理措施的綜合運(yùn)用是安全的、可靠的、合理的。

(2)水害是高壓富水溶洞施工風(fēng)險(xiǎn)的源頭,該類溶洞治理的根本是治水。排水減壓的有效實(shí)施使得施工全過程溶洞處于低水壓狀態(tài),減小了溶洞充填物注漿難度,有利于提高注漿效果;在排水減壓的前提下有針對性地對巖溶發(fā)育處進(jìn)行超前注漿預(yù)加固,大幅提高了溶洞充填物的自穩(wěn)能力,有效地規(guī)避了溶洞突水、突泥等巖溶地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,保證了施工安全。

(3)考慮到該溶洞隧底充填物為軟 ～流塑狀黏土且發(fā)育較深,隧底處理時(shí)采用的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以避免工后沉降等運(yùn)營期病害,確保隧道長期運(yùn)營安全。

(4)充分利用枯水季節(jié)洞外降雨量小,溶洞補(bǔ)給量有限的有利條件進(jìn)行溶洞段開挖施工,對順利通過該溶洞起著重要的作用。

(5)高壓富水充填溶洞的處理存在很大的施工風(fēng)險(xiǎn),稍有不慎就會(huì)造成不可估量的生命、財(cái)產(chǎn)損失,攻克隧道穿越高壓富水充填溶洞這一難題必須建立在準(zhǔn)確的地質(zhì)判釋、合理可行的設(shè)計(jì)措施、周密的施工部署之上,方可確保全過程萬無一失。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.宜萬鐵路宜昌至萬州段新建工程施工圖-云霧山隧道設(shè)計(jì)圖[Z].武漢:2004.

[2] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段云霧山隧道 DK245+247～DK245+285段溶洞處理Ⅰ類變更設(shè)計(jì)[Z].武漢:2009.

[3] 北京大學(xué).SAP84微機(jī)結(jié)構(gòu)分析通用程序用戶手冊(版本 6.5)[M].北京:2005.

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