王 偉

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

1 概述

宜萬鐵路全線約 70%的隧道位于灰?guī)r地區(qū),大部分隧道位于巖溶水的垂直循環(huán)帶和水平循環(huán)帶內(nèi),地質(zhì)條件異常復(fù)雜,特別是巖溶發(fā)育規(guī)模、多樣性、突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)程度及工程處理難度為國內(nèi)外罕見,工程之艱巨、施工風(fēng)險(xiǎn)之高、環(huán)境壓力之突出居我國鐵路歷史之最,屬于世界級難題;全線隧道工程穿越主要暗河系統(tǒng) 20余條,隧道施工中多次遭遇暗河的主管道或支管道,若處理不當(dāng),暗河水將導(dǎo)入隧道,造成突水、突泥,給隧道工程造成巨大危害,并可能造成環(huán)境的破壞,五爪觀隧道穿越的五爪觀暗河是典型代表之一。

五爪觀隧道位于湖北省長陽縣高家堰五爪觀風(fēng)景區(qū)內(nèi),設(shè)計(jì)為兩條單線隧道,Ⅰ線長3531m,Ⅱ線長3723m,為單面上坡,是宜萬鐵路重點(diǎn)控制工程之一,隧道進(jìn)口段穿越長陽背斜東翼的一寬緩向斜,溶洞、暗河發(fā)育,在 DK49+298附近穿越五爪觀大型暗河,隧道洞身完全位于暗河巖溶大廳堆積的塊石、卵石等充填物中,工程條件極其復(fù)雜,加之位于五爪觀風(fēng)景區(qū)內(nèi),對水文環(huán)境要求甚高,是該隧道設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

2 五爪觀暗河發(fā)育特征

2.1 暗河形態(tài)和規(guī)模

五爪觀暗河橫穿五爪觀隧道Ⅰ、Ⅱ線(圖1),暗河長度大于1000m,總體呈西北向展布,較順直,基本屬直線狀傾斜廳 -廊組合型,進(jìn)口高程約為 560.75m,暗河水流出口位于五爪觀南側(cè)陡壁上,以懸掛泉(當(dāng)?shù)胤Q為“五爪水泉”)的形式溢出,出口高程為 489m,在西南方向有一暗河支管道,長約 187m為干洞,可入深度約 215m,洞口高程為 560.63m。暗河斷面形態(tài)多變,不規(guī)則,洞內(nèi)沉積有砂卵石、黏土等,洞頂坍塌多見,巖堆高聳,發(fā)育有石筍、鐘乳石等巖溶景觀。

圖1 五爪觀暗河平面示意

2.2 暗河發(fā)育特征

2.2.1 暗河工程地質(zhì)特征

五爪觀暗河系統(tǒng)發(fā)育在奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組地層內(nèi),構(gòu)造上處在寬緩向斜的核部,沿 NW方向展布,該地帶巖層產(chǎn)狀平緩,NE翼為 170～210°∠6～8°,SW翼為 10～50°∠15～25°;其中縱張裂隙決定主洞的發(fā)育方向,橫張裂隙決定支洞的發(fā)育方向,質(zhì)純層厚的生物細(xì)晶灰?guī)r是暗河發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ),縱張裂隙、橫張裂隙及層面裂隙等構(gòu)造則是暗河發(fā)育的主導(dǎo)方向,加之地層平緩,地下水對巖石溶蝕充分,這些都是形成五爪觀暗河的有利條件。

五爪觀暗河主管道段,河面寬廣,流速稍緩,河床見有礫卵石堆積,磨圓度好;支管道為干溶洞,在洞壁處堆積了數(shù)米厚的黏土、粉土,屬地下河洪峰時(shí)堆積產(chǎn)物(圖2)。

圖2 暗河內(nèi)堆積物

2.2.2 暗河水文地質(zhì)特征

五爪觀隧道區(qū)域內(nèi)地下水以碳酸鹽巖溶水為主,補(bǔ)給源為大氣降水,賦存于奧陶紀(jì)地層的巖溶裂隙中,為寬緩向斜富水,隧道進(jìn)口段巖溶水主要以暗河及泉的形式排泄,另有少量沿巖層面或縱張裂隙形成巖溶管道,運(yùn)移至溝谷邊緣,以下降泉形式在分香溪西側(cè)排泄。

該暗河匯水面積大、徑流遠(yuǎn)、水量大,旱季流量0.6m3/s(五爪水泉),雨季流量大于 10m3/s[1](圖3)。

圖3 旱季時(shí)暗河水流

2.3 隧道穿越暗河段工程水文地質(zhì)條件

五爪觀隧道穿越暗河段發(fā)育一巖溶大廳(圖4、圖5),沿隧道方向長約 80m,洞身幾乎全部位于暗河巖溶大廳堆積層中,在Ⅰ、Ⅱ線通過處暗河堆積了約 45 m厚的洞頂落石,呈巨型塊體,巖溶大廳凈空高 15m左右,洞寬 50m左右,在堆積體斜坡上,堆積有 5～8m厚的礫卵石及礫砂等,結(jié)構(gòu)呈稍密狀,含泥量低,磨圓度好,可見該地下河流經(jīng)距離之遠(yuǎn)長,加之暗河水流大,流速急,可對隧道直接造成極大的危害,若處理不當(dāng),在隧道施工過程中存在極有可能發(fā)生突水突泥的危險(xiǎn)[2～3];

圖4 五爪觀隧道暗河段縱斷面(單位:m)

圖5 五爪觀隧道暗河段典型橫斷面(單位:m)

按照降雨入滲法預(yù)測隧道正常涌水量為210372m3/d,最大涌水量達(dá)896153m3/d。

3 工程措施

3.1 處理原則

根據(jù)五爪觀暗河發(fā)育特點(diǎn),結(jié)合隧道穿越段暗河巖溶大廳段工程水文地質(zhì)條件,暗河段按照以下原則進(jìn)行處理:

(1)應(yīng)充分考慮工程的不可逆轉(zhuǎn)性和不可預(yù)見性,做到一次根治,不留后患;

(2)暗河下游為五爪觀水電站,暗河處理應(yīng)維持既有水系及流量;

(3)工程措施應(yīng)力求穩(wěn)妥,技術(shù)可行,確保施工安全及運(yùn)營安全。

3.2 處理措施

根據(jù)隧道穿越暗河段工程水文地質(zhì)條件,結(jié)合巖溶大廳形態(tài)、與隧道的平立面關(guān)系,為防止隧道開挖暗河段時(shí)發(fā)生突水突泥,應(yīng)提前對暗河大廳進(jìn)行預(yù)加固處理;總體處理思路為:增設(shè)橫洞揭示溶洞—清除巖溶大廳內(nèi)堆積物至暗河水流高程—引排暗河水—注漿加固堆積體—隧道暗挖通過。具體處理措施如下。

(1)增設(shè)橫洞

為進(jìn)一步勘察暗河段工程水文地質(zhì)情況,提供詳實(shí)的地質(zhì)資料,并為提前處理暗河巖溶大廳段提供施工場地,確保隧道穿越暗河段施工安全、可靠,在隧道進(jìn)口左側(cè) 55m處設(shè)置橫洞 1座,橫洞長 277m,如圖6所示。

圖6 五爪觀隧道暗河段處理平面示意

(2)巖溶大廳洞頂防護(hù)

橫洞揭示五爪觀暗河巖溶大廳后,為防止暗河巖溶大廳頂部掉塊落石,影響下步施工,對大廳頂部及側(cè)壁的危石進(jìn)行清理,對周邊巖溶裂隙進(jìn)行灌漿、支頂?shù)确绞竭M(jìn)行處理,并采用錨噴方式進(jìn)行局部加固,即φ22mm砂漿錨桿長 3～6m,C20噴混凝土厚 6～10 cm,確保下步施工安全。

(3)清理暗河堆積物

為防止隧道穿越暗河段時(shí)發(fā)生大規(guī)模突水突泥地質(zhì)災(zāi)害,在對暗河加固前,先清理暗河內(nèi)堆積物至暗河水流高程附近(隧道開挖輪廓線外 0.5m左右),在堆積體清除過程中,邊清邊對巖溶大廳進(jìn)行錨噴網(wǎng)防護(hù)。

(4)引排暗河水

堆積體清除至預(yù)計(jì)高程后,在巖溶大廳段施作C30鋼筋混凝土底板、設(shè)置攔水壩、引水渠將暗河水抬高歸渠引排;首先將暗河水流導(dǎo)向隧道小里程端,對溶洞周邊巖溶裂隙采取 C20混凝土灌注嵌補(bǔ),分段施作C30鋼筋混凝土底板,并在底板上預(yù)留注漿孔;底板施作完成后,在此上修筑引水渠,將暗河水由巖溶大廳上游集中引排至下游,引水渠采取 C30鋼筋混凝土澆筑,根據(jù)暗河水流量觀測,水渠寬 5m,高 1.5m,厚 0.4 m。為了確保暗河水歸槽引排效果,在暗河大廳上游狹窄處設(shè)置寬 25m,高 2m的 C15混凝土攔水壩,攔水壩嵌入兩側(cè)基巖 0.5m,為確保攔水壩截?fù)跛Ч?攔水壩基礎(chǔ)采取鋼管樁注漿形成阻水帷幕,鋼管樁采取 φ76mm的鋼管,設(shè)置 3排,注漿孔間距 1.5m×1.5 m,梅花形布置,深度為進(jìn)入基巖 1.0m,注漿材料采取普通水泥—水玻璃雙液漿,注漿方式采取前進(jìn)式,分段長度 3～5m[4]。

(5)暗河內(nèi)注漿加固

通過暗河內(nèi)明流水量和五爪觀水電站水量測試分析,暗河水通過明流和暗流兩種途徑排泄,其中暗流水量占 30%左右,表明暗河堆積體內(nèi)存在潛流水,為防止突水突泥,確保隧道穿越暗河堆積體時(shí)的施工安全,在對暗河明流水進(jìn)行歸槽引排后,利用施作的鋼筋混凝土底板對隧道通過范圍區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

注漿范圍:Ⅰ線隧道左側(cè) 10m至Ⅱ線隧道右側(cè)12m鋼筋混凝土底板以下堆積體,注漿孔間距 2.0m×2.0m,梅花形布置,注漿孔深度 10～22m(進(jìn)入基巖 1.0m),鉆孔直徑為 110mm。

注漿材料:對于暗河上、下游區(qū)域,為了控制注漿擴(kuò)散范圍,采取普通水泥-水玻璃雙液漿,水泥漿水灰比為 1∶0.6～1∶0.8,水泥漿、水玻璃體積比為 1∶0.3～1∶0.4,膠凝時(shí)間 30s～1min;其他區(qū)域采取普通水泥單液漿,漿液水灰比為 0.6∶1～0.8∶1[5～6]。

注漿順序及工藝:采取分區(qū)、分序由外到內(nèi)的注漿順序,每區(qū)注漿采取隔孔分序進(jìn)行,第一序孔采取前進(jìn)式注漿,按照定量原則進(jìn)行控制,每延米注漿控制在 6 m3左右,第二序孔原則上采取袖閥管后退式注漿(若成孔困難時(shí)采取前進(jìn)式注漿),按照定壓原則進(jìn)行控制,終壓 1.0MPa?？紤]到暗河堆積體孔隙率大,并處在動(dòng)水作用下,為防止?jié){液被稀釋后流失,鉆孔注漿時(shí)采取大流量、多泵方式加大單孔注漿流量,確保注漿質(zhì)量。

注漿結(jié)束后,對隧道開挖輪廓線外兩側(cè)各 1排注漿進(jìn)行掃孔至基巖 1.0m,下入 φ108mm鋼花管,并進(jìn)行注漿,確保隧道開挖時(shí)邊墻的穩(wěn)定可靠。

(6)隧道開挖支護(hù)措施(圖7)

暗河巖溶大廳處理完成后,隧道從小里程方向進(jìn)行施工,為防止突水突泥,暗河段采取短臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行施工,隧道暗挖前拱墻采取 φ42mm超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù),初期支護(hù)中設(shè)置 I18鋼架加強(qiáng),間距0.5m/榀,并設(shè)置 I16臨時(shí)仰拱,及時(shí)封閉成環(huán)[7～8]。

暗河段采取 20cm厚 C20網(wǎng)噴混凝土和 45cm厚C35鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu),隧底采用 φ76mm鋼管樁注漿加固,間距 1.0m×1.0m,梅花形布置,鋼管樁嵌入基巖不小于 1.0m,注漿材料以普通水泥單液漿為主,按照定壓原則進(jìn)行控制,終壓為 2～3MPa[9]。

圖7 五爪觀隧道暗河段處理典型橫斷面(單位:m)

4 暗河處理效果

2005年 1月完成暗河處理橫通道的施工揭示暗河巖溶大廳,開始暗河堆積體清方,至 2005年 3月底基本清理至設(shè)計(jì)底板高程,5月完成暗河底板鋼筋混凝土施作,同時(shí)施作導(dǎo)流水渠、攔水壩等導(dǎo)水設(shè)施,6月開始在暗河巖溶大廳進(jìn)行試驗(yàn)性注漿,由于受雨季的影響,7～9月份停止注漿,到 2006年 1月完成了Ⅰ線隧道區(qū)范圍內(nèi)注漿加固,6月完成了Ⅱ線隧道范圍內(nèi)注漿加固,通過檢查孔和物探等手段對注漿加固體進(jìn)行了效果檢查,滿足開挖要求,2007年初Ⅰ線、Ⅱ線施工順利通過暗河巖溶大廳段,歷時(shí) 2年 4個(gè)月。

4.1 檢查孔情況

暗河大廳注漿加固后,在隧道內(nèi)小里程方向DK49+274位置水平鉆設(shè) 2個(gè)檢查孔,孔深約 18m,經(jīng)過 2天觀察,檢查孔未出現(xiàn)坍孔現(xiàn)場,出水量分別為0.011L/m?min和0.015L/m?min,小于設(shè)計(jì)允許出水量0.21L/m?min。

4.2 物探情況

采取地質(zhì)雷達(dá)在暗河巖溶大廳鋼筋混凝土底板和隧道小里程掌子面對注漿加固體進(jìn)行物探檢查,地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果表明,暗河堆積體注漿加固后較為密實(shí),無明顯的注漿盲區(qū)。

4.3 開挖揭示情況

在隧道開挖過程中,對掌子面進(jìn)行觀察,漿液充填飽滿,加固效果良好;開挖過程中無大的滲漏水現(xiàn)象,圍巖水平收斂變形 5～8mm,拱頂無下沉[10]。

5 結(jié)論與體會

(1)隧道穿越暗河管道時(shí),必須進(jìn)行翔實(shí)的地質(zhì)勘察,查清暗河系統(tǒng)的規(guī)模、與隧道的空間關(guān)系、補(bǔ)給大小、周邊環(huán)境等發(fā)育特征,為隧道穿越暗河處理提供準(zhǔn)確、可靠的工程地質(zhì)資料。

(2)對暗河處理必須遵循“一次根治、不留后患”的原則,采取疏導(dǎo)、引排的方式進(jìn)行處理,嚴(yán)禁堵塞,五爪觀隧道穿越暗河段通過橫洞對暗河進(jìn)行歸槽引排,維持暗河既有水路的總體處理思路是十分獨(dú)到的,對類似工程具有重要的借鑒意義。

(3)五爪觀隧道穿越暗河段采取“增設(shè)橫洞→清除暗河堆積體→引排暗河水(鋪底、修筑引水渠、設(shè)置攔水壩)→注漿加固→隧道開挖支護(hù)”環(huán)環(huán)相扣的工程處理措施是十分成功的,有效控制了隧道穿越暗河時(shí)可能發(fā)生的突水突泥風(fēng)險(xiǎn),確保了隧道施工及長期運(yùn)營安全。

(4)對暗河動(dòng)水條件下堆積體的注漿加固應(yīng)采取分區(qū)、分序由外到內(nèi)的注漿順序,定量、定壓相結(jié)合的注漿原則,充分利用枯水期進(jìn)行注漿施工;注漿堵水效果檢查可采用物探和鉆孔相結(jié)合的方式,物探先行定性分析整體注漿加固效果,鉆孔直接定量分析堵水加固效果,針對可能的注漿盲區(qū)隧道開挖前應(yīng)針對性的進(jìn)行超前補(bǔ)注將或開挖后徑向注漿加固,確保施工安全。

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