姜波，于茂春

（中鐵二院重慶公司，重慶400015）

渝懷鐵路增建二線新圓梁山隧道穿越2號溶洞工法研究

姜波1，于茂春2

（中鐵二院重慶公司，重慶400015）

既有圓梁山隧道2號充填溶洞施工發(fā)生多次涌水涌泥，對工程建設(shè)造成極大影響；新圓梁山隧道位于既有隧道右側(cè)30m，為既有平導(dǎo)擴挖。為了降低施工風(fēng)險，施工時需對圍巖進行預(yù)支護，通過幾種工法對比分析，最終確定采用水平旋噴法對掌子面進行加固，確保安全。

渝懷鐵路；溶洞；工法；平導(dǎo)擴挖；注漿法；管幕法；凍結(jié)法；水平旋噴法

0 引言

渝懷鐵路是一條四川、重慶與湖南、江西、福建等華東地區(qū)客貨交流的主通道。根據(jù)我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，其在鐵路網(wǎng)中的功能定位為一條以貨運為主兼顧客運的大能力區(qū)際干線鐵路。既有渝懷鐵路于2000年12月全線開工建設(shè)，2007年4月開通運營。隨著沿線社會經(jīng)濟的發(fā)展，既有鐵路運輸能力已不滿足要求。因此，渝懷增建二線鐵路的修建已迫在眉睫。

既有圓梁山隧道位于重慶市酉陽境內(nèi)，全長11.07km，是渝懷鐵路最長隧道和首要控制工程，是國內(nèi)隧道建設(shè)史上地質(zhì)最復(fù)雜、技術(shù)難度最大的隧道之一。該隧道先后穿越毛壩向斜和桐麻嶺背斜兩大構(gòu)造，其中可溶巖巖溶發(fā)育，隧道內(nèi)發(fā)育多個充填溶洞，地下水豐富并具高壓。既有線施工中多次發(fā)生大規(guī)模巖溶突水、突泥事件，并出現(xiàn)重大的人員傷亡，對工程建設(shè)造成極大影響。

根據(jù)前期線位研究，考慮工期、施工難度和環(huán)境影響等因素，新圓梁山隧道采用沿既有圓梁山隧道右側(cè)30m既有平導(dǎo)擴挖方案，隧道全長11.182km。新、舊圓梁山隧道間距較小，兩隧穿越地層結(jié)構(gòu)基本類似。

1 工程概況

既有圓梁山隧道穿越毛壩向斜核部、桐麻嶺背斜和冷水河淺埋段，穿過二疊系、三疊系、泥盆系、志留系、奧陶系和寒武系等多種地層，主要發(fā)育有毛壩向斜、桐麻嶺背斜及伴生斷裂，隧道施工過程中穿越9條寬度20～100m不等的斷層破碎帶，并且施工開挖揭示毛壩向斜核部和東翼在深部滯流帶隧道洞身附近發(fā)育3個大型高壓富水深埋充填型溶洞，充填多為淤泥、流塑～軟塑狀黏土和飽和粉細砂，巖溶水極豐富，一般情況下涌水量為1.2萬m3/d，最大涌水量可達24萬m3/d，最大靜水壓高達4.4～4.6MPa。如圖1。

圖1 圓梁山隧道工程地質(zhì)圖

2號溶洞正洞里程為DK354+460～+495，在超前地質(zhì)鉆孔施工中，從鉆孔內(nèi)射出高壓水，射程超過30m，水呈鐵銹色，含大量泥砂，高壓水多次將鉆桿推出，鉆機被涌出的砂、水淹沒。2002年10月22日，DK354+475右側(cè)下導(dǎo)坑邊墻底發(fā)生涌水涌砂，冒水處的涌水浪最高達1m，涌水量達3.6萬m3/d，測定涌出物沉積年齡約0.1萬年；2002年11月10日和14日，此處再次涌水涌砂，涌水量達4000m3/h，總涌水量達6.8萬m3/d；2003年11月2日，DK354+493發(fā)生拱頂坍落，坍落物主要為碎塊石夾少量粉細砂，最大塊石直徑在3m以上，總坍落量達1000m3，涌水量在9600m3/d左右。施工過程中，多次采用帷幕注漿、徑向注漿、小管棚、大管棚、鋼支撐、泄水洞等多種手段，均未能有效地封堵住地下水的涌出。

2 2號溶洞特點

2.1 溶洞規(guī)模大

溶腔向線路右側(cè)發(fā)育，寬度因勘探手段限制，目前右側(cè)邊界尚未探明，據(jù)物探探測線路右側(cè)80m遠處二號溶洞仍存在，左側(cè)發(fā)育至既有線左側(cè)50m，基底以下局部發(fā)育深度約50m，溶腔內(nèi)深度未能完全探明，溶腔上部已與地表聯(lián)通，溶腔發(fā)育形態(tài)見圖2。

圖2 2號溶洞溶蝕裂隙帶發(fā)育平面示意圖

2.2 涌水量大

溶洞涌水特征表現(xiàn)為涌水量逐漸增大，后因管道被洗通，涌水量明顯增大。涌水與地表降雨具有較強的相關(guān)性，地表降雨時洞內(nèi)涌水量增大；涌出物粒徑由細變粗，涌出物沉積年齡由老變新。因此，充填粉細砂段已與淺部巖溶水體或地下暗河系統(tǒng)存在較為密切的水力聯(lián)系。

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2.3 水壓高

勘測階段深孔鉆探水位觀測顯示，毛壩向斜P2w地層段隧道高程位置水壓為4.35～4.44MPa；施工期間在部分排水條件下測試洞內(nèi)水壓（測試過程中橡膠墊圈破壞）為，正洞3.013MPa，平導(dǎo)2.016MPa。

2.4 施工難度大

粉細砂充填物顆粒小，其組成的密實砂層常規(guī)的注漿材料難以注入；充填物多，其中夾雜碎塊石使鉆孔極其困難；二次襯砌采用圓形抗水壓襯砌，隧道開挖斷面大，面積約100m2，在高壓水及泥沙大量涌出下施工難度極大。

3 穿越2號溶洞預(yù)支護工法比選

為有效地提高圍巖與洞體穩(wěn)定性，方便施工并保證安全，對于軟弱或松散圍巖尤其富含地下水地層采取超前預(yù)支護加固地層的工法措施是必須的?；痉椒锤鞣N管徑的定向或管棚注漿支護，衍生和專用方法有注漿法、管幕法、凍結(jié)法、水平旋噴法等。對于本隧道高壓富水充填2號溶洞地質(zhì)條件極差，既有隧道施工處理歷經(jīng)多次反復(fù)極為艱巨，鑒此僅就其中適用性及安全性較高的方法進行研究比較。

3.1 凍結(jié)法

系采用人工制冷方法將低溫冷媒送入松散軟弱地層中，使地層中的水與周圍土顆粒發(fā)生凍結(jié)，從而形成高強度、彈性大和抗?jié)B性好的凍結(jié)壁，在凍結(jié)壁的保護下進行內(nèi)部開挖和永久支護結(jié)構(gòu)施工的一種特殊地層加固方法。凍結(jié)法的基本設(shè)計方案如下。

（2）二號溶洞距洞口3km多，由洞外提供低溫水源將使能耗及管路損耗加大，并限于場地條件，故選擇玻璃鋼冷卻塔（產(chǎn)能100～150t/h）作為冷卻水供應(yīng)設(shè)備，鉆孔設(shè)備選用TSJ-2000型鉆機。

（3）地層凍結(jié)供冷工藝參數(shù)和指標：積極凍結(jié)鹽水溫度為-24～-26℃，凍結(jié)壁交圈時間為25～28d，最早開挖時間為25d，積極凍結(jié)時間為25～40d，維護凍結(jié)鹽水溫度為-18～-20℃，維護凍結(jié)時間為36d。如圖3、圖4。

圖3 凍結(jié)法施工實例

圖4 凍結(jié)孔斷面布置圖

3.2 注漿法

是借助于壓力將具有膠凝能力的漿液通過一定的管路注入巖土層空隙、裂隙與空洞中，將其中的水分與空氣趕走，將松散破碎的巖土層膠結(jié)起來，改善巖土層性能的一種施工方法。對于隧道工程，注漿的目的主要有以下三種：防滲和堵水、固結(jié)及改善圍巖性能、改善支護襯砌受力條件。注漿法的基本設(shè)計方案如下。

借鑒既有圓梁山隧道施工經(jīng)驗，新圓梁山隧道二號溶洞注漿設(shè)計采用開挖前超前帷幕注漿（加固圈厚度8m）和初期支護施工完成后徑向注漿（加固圈厚度5m）。如圖5、圖6。

圖5 超前帷幕注漿施工實例

圖6 徑向注漿斷面布置圖

3.3 管幕法

系由小口徑推進工法演變而來。構(gòu)筑隧道時，在預(yù)穿越的路段兩端設(shè)置工作井室，推入一系列鋼管，管與管間以鎖口結(jié)合，并在鎖口處注入止水劑，使之成為連續(xù)的管幕而達到擋土及止水的效果，繼而在此管幕形成的封閉空間內(nèi)進行隧道施工。管幕法的基本設(shè)計方案如下。

（1）鋼管采用Φ900鋼管熱扎無縫鋼管，壁厚均為15mm制成。為增加鋼管剛度，在鋼管內(nèi)灌注混凝土。

（2）每節(jié)鋼管長度為16m，鋼管采用分段連接，各分段之間采用焊接連接。環(huán)向鋼管間依靠鎖口相連，并在鎖口處注入止水劑，形成密封的止水帷幕。

（3）洞身段施作鋼管幕應(yīng)根據(jù)情況設(shè)置管幕工作室。

（4）注漿材料采用水泥混凝土，注漿壓力一般為0.5～1.0MPa，其漿液配合比、注漿壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗調(diào)整(圖7、圖8)。

圖7 管幕法施工實例

圖8 管幕法斷面布置圖

3.4 水平旋噴法

將施有高壓的膠凝漿液通過旋退的水平鉆桿噴嘴射到地層土體內(nèi)，鉆桿周邊一定范圍內(nèi)土體被高能漿液噴射擊碎而成為漿土混合體，其固結(jié)后便形成了水平圓柱的水泥土體。沿隧道輪廓周邊施作的密排旋噴樁體，單樁之間相鄰咬合填補形成封閉狀態(tài)，每樁必要時可以加入鋼管。水平旋噴法的基本設(shè)計方案如下。

（1）襯砌開挖輪廓線外圍施做4環(huán)水平旋噴樁，加固圈厚度為1.55m。樁徑Φ500，樁與樁環(huán)向（層向）間距0.35m，相鄰加固體咬合厚度大于10cm。

（2）樁長35m，兩端相向施做，外插角為6°～8°，搭接長度為5m。

（3）為保證掌子面穩(wěn)定，在開挖掌子面施作水平旋噴樁，樁徑采用Φ500，樁間距1.0m。如圖9、圖10。

圖9 水平旋噴法施工實例

圖10 水平旋噴法斷面布置圖

3.5 各工法比較結(jié)論

結(jié)合二號溶洞特征，工法比較結(jié)論匯總?cè)绫?。

表1 穿二號溶洞工法比較表

通過以上各工法的綜合分析比較，結(jié)合既有圓梁山隧道施工經(jīng)驗，新圓梁山隧道過2號溶洞段預(yù)支護工法采用“水平旋噴法”。

4 結(jié)論

新圓梁山隧道為既有平導(dǎo)擴挖，并穿越高壓、富水充填2號溶洞，施工難度大，風(fēng)險高。為了降低風(fēng)險，新圓梁山隧道施工時需對圍巖進行預(yù)支護，本文通過對凍結(jié)法、注漿法、管幕法、水平旋噴法幾種預(yù)支護工法穿越2號溶洞段進行分析比較并借鑒相關(guān)工程實例，最終采用水平旋噴法對掌子面進行加固，確保安全。

[1]渝懷線圓梁山隧道動態(tài)設(shè)計圖[R].成都:鐵道第二勘測設(shè)計院，2005.

[2]渝懷線圓梁山隧道補充設(shè)計地質(zhì)說明[R].成都:鐵道第二勘測設(shè)計院，2001.

[3]張民慶，彭峰.地下工程注漿技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，2008.

[4]王建．渝懷鐵路工程技術(shù)總結(jié)［R］．成都:中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，2007.

[5]周秀章.渝懷鐵路增建二線圓梁山隧道方案研究[J].高速鐵路技術(shù)，2012(4).

[6]周鑫.廈深鐵路梁山隧道L7深埋富水軟弱帶超前預(yù)加固體系支護機理分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013（8）.

[7]李世才.桃樹坪隧道富水未成巖粉細砂試驗段施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（8）.

[8]方俊波.圓梁山隧道向斜段地表及地下連通性分析// 2004年巖溶地區(qū)隧道修筑技術(shù)專題研討會論文集[C].北京:人民交通出版社，2004.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Study on Construction Method for the New Yuanliang Tunnel Traversing No.2 Karst Cave of Yuhuai Railway

The frequent water and mud gushing during the No.2 karst cave filling construction of Yuanliang Tunnel has great impact on construction of the project.The new tunnel is located at the right side of the old tunnel,30 meters'distance,expanded from excavation.To lower construction risk,the surrounding rock should be supported during construction.Through comparison among several construction methods,horizontal rotary grouting is adopted to reinforce face for security.

Yuhuai railway;karst cave;construction method;level expanding excavation;grouting method;freezing method;horizontal rotary grouting

U455

A

1671-9107（2014）07-0026-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.026

2014-06-24

姜波（1981-），男，湖北崇陽人，研究生，工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作。