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        廣西喀斯特巖溶區(qū)隧道溶洞處治技術(shù)探討

        2019-09-10 16:28:28李杰科付立勇
        西部交通科技 2019年11期
        關(guān)鍵詞:喀斯特溶洞巖溶

        李杰科 付立勇

        溶洞的處治是喀斯特巖溶區(qū)隧道工程建設(shè)的一大難點(diǎn),溶洞內(nèi)的懸空結(jié)構(gòu)、填充物滲漏、季節(jié)性集中降水等不良因素會導(dǎo)致隧道施工存在困難,處治不當(dāng)極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響隧道施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度。文章結(jié)合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過程遇到的溶洞及其處治方案,探討喀斯特巖溶區(qū)溶洞形成機(jī)理,分析隧道溶洞處治的原則和措施,以期對溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

        隧道;溶洞;回填;跨越;技術(shù)

        U459A230744

        0?引言

        喀斯特又稱巖溶,是具有溶蝕力的水對可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱。除溶蝕作用以外,還包括流水的沖蝕、潛蝕以及坍塌等機(jī)械侵蝕過程。我國喀斯特地貌分布廣、面積大,較著名的區(qū)域有廣西、云南和貴州等?。▍^(qū))。

        溶洞的處治是喀斯特巖溶區(qū)隧道工程建設(shè)的一大難點(diǎn),溶洞內(nèi)的懸空結(jié)構(gòu)、填充物滲漏、季節(jié)性集中降水等不良因素會導(dǎo)致隧道施工困難,處治不當(dāng)極易引起洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響隧道施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度。本文結(jié)合廣西崇左至水口高速公路隧道施工過程遇到的溶洞及其處治方案,探討喀斯特巖溶區(qū)溶洞形成機(jī)理,分析隧道溶洞處治的原則和措施,以期對溶洞處治的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

        1?工程概況

        廣西崇左至水口高速公路是廣西高速公路網(wǎng)規(guī)劃“六橫七縱八支線”中“橫六”合浦至那坡高速公路的重要組成部分,全長94 km,共設(shè)隧道2座。其中特長隧道1座長3 011 m,隧址區(qū)巖性以灰?guī)r為主,地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造網(wǎng)狀發(fā)育,圍巖穩(wěn)定性差。地質(zhì)勘探資料顯示,隧址區(qū)鉆孔遇溶率為42.85%,鉆孔線溶洞率為12.22%~44.20%。實(shí)際施工過程中隧道內(nèi)共分布大小溶洞50余處,其中大型溶洞6處,屬典型的溶洞群分布隧道。

        2?溶洞的形成機(jī)理及分布形態(tài)

        溶洞是可溶性巖石中因喀斯特作用所形成的地下空間,是石灰?guī)r地區(qū)地下水長期溶蝕的結(jié)果。石灰?guī)r的主要成分之一是難溶于水的固體(CaCO3),其在水(H2O)、二氧化碳(CO2)環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成可溶性的無機(jī)酸式鹽碳酸氫鈣[Ca(HCO3)2],化學(xué)方程式為:CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2。由于石灰?guī)r層各部分石灰質(zhì)含量不一致,被侵蝕的程度各異,就逐漸被溶解分割成互不相依、千姿百態(tài)的溶洞。

        溶洞在隧道開挖斷面的分布位置及形狀大小呈現(xiàn)隨機(jī)性,不同位置、不同大小的溶洞對隧道結(jié)構(gòu)的影響各不相同。根據(jù)隧道斷面結(jié)構(gòu),溶洞分布形態(tài)基本可劃分拱頂、拱腰、拱腳、底板四處代表性部位。由此,應(yīng)對癥下藥,研討相應(yīng)的處治技術(shù)方案。

        3?隧道溶洞對隧道施工及后期運(yùn)營的影響

        喀斯特巖溶區(qū)隧道施工過程中若遇溶洞,可能會發(fā)生冒頂、突泥涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。受凈空及其他洞內(nèi)條件的制約,大型或常規(guī)施工機(jī)械無法進(jìn)場,甚至部分工作只能依靠人工小規(guī)模開展,易造成人員傷亡,施工設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞,既增加隧道的施工難度,延長施工工期,又大量增加施工費(fèi)用。

        此外,倘若隧道溶洞處治不恰當(dāng),會對高速公路后期運(yùn)營帶來很大危害。溶腔涌水會導(dǎo)致二襯滲漏水,隧道路面水毀損壞;回填不密實(shí)會導(dǎo)致路面、二襯不均勻沉降開裂變形,使路面跳車影響行車安全,甚至?xí)?dǎo)致隧道坍塌,道路中斷,造成極大的不良社會影響,而且二次處治費(fèi)用相當(dāng)高昂。

        因此,如何處治所遇到的各種溶洞,已成為修建隧道的關(guān)鍵問題之一。

        4?隧道溶洞處治的基本原則

        本線路隧道所遇溶洞基本為干溶洞或填充型溶洞,個別溶洞有少量水流。對位于開挖輪廓線外一倍洞跨內(nèi)的溶洞,處治的基本原則是強(qiáng)調(diào)一溶洞一方案設(shè)計(jì)的針對性,在確保安全性的前提下,兼顧經(jīng)濟(jì)適用性。根據(jù)開挖后的實(shí)際地質(zhì)情況,結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報與監(jiān)控量測報告,對隧道圍巖級別作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,采取封堵、加固措施進(jìn)行處治:(1)清除溶洞內(nèi)松散充填物,采用噴、錨、網(wǎng)及鋼筋束對溶洞壁進(jìn)行封錨加固;(2)在隧道開挖范圍外采用漿砌片石回填;(3)當(dāng)溶洞底有水流時,需確保水系不變,采用涵洞或橋梁跨越。

        5?隧道溶洞處治技術(shù)方案

        5.1?干溶洞或填充型溶洞回填處治

        5.1.1?拱頂溶洞回填處治

        溶洞分布在拱頂(見圖1),若溶洞有黏土等充填物,需在鋼拱架防護(hù)下挖除3 m厚充填物;若溶洞無充填物,則依次施做初期支護(hù)、二次襯砌。注意在溶洞位置預(yù)留2根分別突出開挖輪廊線外1.5 m、3.0 m的鋼管作為混凝土泵送通道,待二次襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,以每層厚度≤1.5 m,分層泵送3 m左右C30混凝土回填溶洞,且應(yīng)在前一層混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度以上方可進(jìn)行后一層混凝土的泵送。為及時排除溶洞內(nèi)隨時可能產(chǎn)生的積水,應(yīng)預(yù)留110 mmHDPE雙壁波紋管與隧道防排水系統(tǒng)連接。

        5.1.2?拱腰溶洞回填處治

        溶洞分布在拱腰,橫向外側(cè)發(fā)展(見圖2),若溶洞有黏土等充填物,需清除松散充填物;若溶洞無充填物,則對深度≤2 m的溶洞,施作初期支護(hù)、二次襯砌后,直接利用C30混凝土分層泵送回填;對深度>2 m的溶洞,在開挖輪廊線1.5 m以外范圍回填片石,依次施作初期支護(hù)、二次襯砌。注意在溶洞位置預(yù)留C30混凝土泵送鋼管及110 mmHDPE雙壁波紋管,做法與拱頂溶洞處治要求類似。

        5.1.3?拱腳溶洞處治

        拱腳溶洞(見圖3)對隧道施工影響較大,特別是在Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖臺階法施工過程中,嚴(yán)重的情況下可造成拱腳局部失穩(wěn)直至基底整體剪切失穩(wěn)。拱腳沉降和水平收斂是隧道施工大變形控制的關(guān)鍵,本隧道采用臺階法施工,以下分別對上、下臺階的受力工況進(jìn)行闡述:

        (1)溶洞分布在上導(dǎo)洞拱腳

        當(dāng)溶洞分布在上導(dǎo)洞拱腳處,且溶洞向下側(cè)發(fā)展時,出于下導(dǎo)洞開挖的需要,溶洞下部暫不必回填,但必須對同水平及上側(cè)空洞進(jìn)行回填,可在上導(dǎo)洞拱腳處溶洞上方并排橫鋪工字鋼2根,工字鋼兩端嵌入圍巖≥0.5 m,作為鋼拱架支撐。將鋼拱架按設(shè)計(jì)間距立于架設(shè)穩(wěn)固的工字鋼之上,通過焊接方式使兩者連接成整體。溶腔采用泵送C30混凝土方式填充,當(dāng)溶腔較大時,開挖輪廊線1.5 m以外范圍可回填片石。預(yù)留110 mmHDPE雙壁波紋管排水。

        (2)溶洞分布在下導(dǎo)洞拱腳

        當(dāng)溶洞分布在下導(dǎo)洞拱腳處時,若溶洞有黏土等充填物,需進(jìn)行清除。若溶洞無充填物,則在溶洞底部自下而上至離拱腳3 m處分層回填片石,并壓漿固結(jié)。上部3 m內(nèi)分層采用C30混凝土澆筑,振搗密實(shí)。若溶洞向下發(fā)展較淺,對溶洞內(nèi)充填物進(jìn)行清理后,可直接分層澆筑C30混凝土回填。

        5.1.4?底板溶洞處治

        隧道底板出現(xiàn)溶洞(見圖4),首先應(yīng)清除充填物,采取超前地質(zhì)預(yù)報等手段探明溶洞底部持力層厚度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。若持力層不達(dá)到設(shè)計(jì)要求,則采用鉆孔注漿技術(shù),充填、置換處理溶洞,使下部溶腔內(nèi)水泥混合體凝固后強(qiáng)度提高,以達(dá)到持力層補(bǔ)強(qiáng)的目的;或考慮采用梁板跨越。在持力層滿足要求的前提下,底板溶洞向下發(fā)展較淺時,可自下而上分層回填片石,壓漿固結(jié),上部1 m采用C30混凝土分層澆筑。

        5.2?流水溶洞跨越處治

        上金隧道左洞開挖至樁號KB25+220~226段,左側(cè)揭露溶洞。溶洞位于左側(cè)下臺階,洞口長度約6 m,寬度約6 m,深度約12 m,腔體呈葫蘆狀。通過現(xiàn)場勘查和材料分析,溶洞正好處于一個主斷層和一個小斷層交接處。溶洞橫向向左延伸至附近的左江,溶洞揭露部分屬溶洞右側(cè)端頭,基底普遍黏土夾碎石,局部集中堆石,存在少量常年流水,流水水位呈季節(jié)性漲落。如圖5所示。

        當(dāng)隧道遇到大型溶洞,底部有水流時,需確保水系不變,采用橋梁方式跨越溶洞。施工前,需對溶洞周邊安全施工環(huán)境進(jìn)行全面排查,路線范圍內(nèi)溶洞壁采用掛鋼筋網(wǎng)(8 mm鋼筋網(wǎng)片20×20 cm)噴射厚度≥10 cm的C25混凝土進(jìn)行防護(hù)。鑒于本溶洞各方向發(fā)育相對較寬,采用垂直于道路中線的擴(kuò)大基礎(chǔ)式橫向C30支撐墻,上方架設(shè)高度為120 cm的C40梁板跨越。C30支撐墻基礎(chǔ)基底根據(jù)開挖的基巖分布狀況調(diào)整,使基礎(chǔ)底面落在完整的基巖上,且基礎(chǔ)下方5 m范圍內(nèi)無溶洞?;A(chǔ)與基巖、每層混凝土之間采用42×4 mm固腳鋼管連接,固腳鋼管按梅花型布置,縱橫向間距均為50 cm。支撐墻實(shí)際高度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整。作為支承,梁板內(nèi)側(cè)搭接于完整基巖上,梁板外側(cè)與支撐墻整體澆筑,梁板縱向兩端與完整基巖搭接寬度≥1 m。梁板預(yù)埋110 mmHDPE雙壁波紋管透水。如圖6所示。

        6?結(jié)語

        通過應(yīng)用以上喀斯特巖溶處治技術(shù)方案,攻克了50余處隧道溶洞,當(dāng)前崇左至水口高速公路2座隧道圓滿地完成了開挖、支護(hù)任務(wù)。從巖溶處治的效果來看,隧道洞身冒頂、崩塌、偏壓、突泥涌水、變形量過大等地質(zhì)災(zāi)害得到了較好地控制,在很大程度上降低了因巖溶地質(zhì)災(zāi)害造成的施工安全風(fēng)險。初支體系和二次襯砌結(jié)構(gòu)性能可靠,滿足設(shè)計(jì)使用要求,有效保證了隧道施工質(zhì)量和進(jìn)度。

        [1]李文江,孫明磊,朱永全,等.軟弱圍巖隧道臺階法施工中拱腳穩(wěn)定性及其控制技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(Z1):2 732-2 736.

        [2]秦?趣,諶洪星,張美竹.喀斯特山區(qū)礦業(yè)城市地質(zhì)災(zāi)害成因及治理方案[J].國土與自然資源研究,2011(6):41-42.

        [3]李繼君.隧道溶洞處理探討[J].山西建筑,2016,32(19):304-305.

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