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        對門寨隧道DK34+164處隧底大型溶洞處理技術(shù)研究

        2020-05-18 09:35:12范圣明周關(guān)學(xué)
        鐵道建筑技術(shù) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:隧底擋墻溶洞

        曾 誠 范圣明 周關(guān)學(xué)

        (中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 四川成都 610031)

        1 概述

        對門寨隧道位于安六鐵路黃桶北~六枝南區(qū)間,設(shè)計速度250 km/h,雙線隧道,有砟軌道,全長1 756 m,最大埋深64 m。DK34+164處隧底大型溶洞段穿越地層巖性為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段(T1yn1)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾頁巖。本隧左側(cè)400~500 m為地表沖溝,沖溝常年流水,該沖溝為本隧區(qū)內(nèi)最低侵蝕基準面,隧道位于地下水季節(jié)變動帶[1-2]。

        近年來,我國先后在巖溶地區(qū)建成了渝懷鐵路、宜萬鐵路、滬昆客專等鐵路工程,克服了諸多的巖溶區(qū)復(fù)雜工程地質(zhì)問題,積累了豐富的巖溶隧道修建的經(jīng)驗[3],但對于高速鐵路隧道隧底跨越特大型溶洞處理方案的研究案例較少,本文通過對安六鐵路對門寨隧道大型溶洞處理的研究,具有非常重要的現(xiàn)實意義,為處理巖溶地區(qū)類似工程提供了非常重要的指導(dǎo)。

        2 溶洞工程地質(zhì)情況

        DK34+164處隧底溶洞深約44 m,寬約5~38 m,縱向長度約189 m(線路右側(cè)長122 m,左側(cè)長67 m),容量超過30.0×104m3,溶洞規(guī)模宏大,整體呈條帶狀分布,該溶洞沿一組區(qū)域性張節(jié)理方向延伸,溶洞走向與巖層傾向基本一致。該溶洞為半充填型溶洞,在隧底以下約22 m范圍為空溶洞,溶洞底部為洞頂坍塌的大塊石、碎石及石灰華堆積,堆積物表層有沖積的黃色黏土層,堆積物總厚度約5~20 m,溶洞坍塌物松散,塊石大小不均,最大塊石直徑5 m×5 m×3 m。本隧通過該溶洞段,頂板厚度2~6 m,極有可能進一步坍塌。DK34+164處隧底溶洞照片及隧底巖溶平面如圖1、圖2所示。

        圖1 DK34+164 處隧底溶洞仰視照片

        圖2 DK34+164處隧底溶洞平面圖

        該溶洞地下水總體流向為由北向南流動,地下水流經(jīng)DK34+164隧底下方溶洞及暗河后匯入黑曬河,地下水徑流平緩,該溶洞大廳在線路DK34+120.9左50 m的溶洞底部見地下出水點,呈現(xiàn)一水潭,出水量約3 000 m3/d,水質(zhì)清澤,該溶洞大廳溶壁可見水流痕跡線,地下水沿溶洞堆積大塊石縫隙消入下層溶洞,由于本溶洞底部消水洞消水能力有限,地下水在雨季暴雨時節(jié)在此呈現(xiàn)一水塘,水塘淹埋高度3~5 m,淹水斷面寬約2~6 m[4]。

        3 溶洞處理方案比選

        溶洞揭示后,根據(jù)溶洞規(guī)模、工程水文地質(zhì)條件,進行了“棄渣+C20砼”分層回填方案、混凝土圬工回填方案及橋梁跨越方案3種方案研究。

        3.1 “棄渣+C20砼”分層回填方案

        由于該溶洞屬于相對封閉的體系,僅需在遠離線路側(cè)設(shè)置擋墻收坡,具備高填方之后控制沉降的自然條件,由于完全采用硬質(zhì)巖棄渣回填可能存在沉降過大的情況,采用C20砼與硬質(zhì)巖棄渣分層回填的方案可有效控制沉降。考慮本段地下水較發(fā)育,可利用硬質(zhì)巖棄渣層透水性較好的特性,將地下水通過該透水層順利引排至下游消水洞排泄。

        3.2 混凝土圬工回填方案

        采用C20砼對巖溶空腔進行回填,在回填體上施作隧道結(jié)構(gòu),該方案砼施工難度低,但造價相對較高。

        3.3 橋梁跨越方案

        結(jié)合縱向溶洞空腔的跨度及深度采用拱橋方案,但施工難度極大且開挖、防護量很大,造價最高。

        3.4 方案確定

        3種處理方案優(yōu)缺點比較如表1所示。

        經(jīng)綜合比選,方案一在采用分層回填C20砼與棄渣層,并對棄渣層碾壓密實,可有效控制沉降,施工難度小、投資較省,沉降風(fēng)險可控,故選用“棄渣+C20砼”分層回填方案。

        4 溶洞處理方案

        4.1 施工期間安全保障措施

        (1)考慮本段隧底巖溶處理周期長且溶腔壁易掉塊,為確保本段施工安全,首先于隧底溶腔內(nèi)搭設(shè)鋼管腳手架作為施工作業(yè)平臺,隨后對溶腔壁采用錨網(wǎng)噴防護[5-8],噴C25砼,厚15 cm;φ8鋼筋網(wǎng),間距25 cm×25 cm;φ22砂漿錨桿,長3 m,間距1.0 m×1.0 m。DK34+164處隧底溶洞搭設(shè)鋼管腳手架照片見圖3。

        (2)為確保作業(yè)人員安全,本段隧底溶洞整治期間應(yīng)完善溶洞內(nèi)應(yīng)急照明和應(yīng)急逃生通道等防災(zāi)應(yīng)急措施,同時應(yīng)加強溶洞內(nèi)的通風(fēng)。

        圖3 DK34+164處隧底溶洞搭設(shè)鋼管腳手架照片

        表1 方案優(yōu)缺點分析

        4.2 隧底巖溶處理

        (1)結(jié)合隧底巖溶發(fā)育情況,DK34+120~DK34+195段隧底巖溶底部采用“棄渣+C20砼”分層間隔回填,回填層厚度按3 m控制,其中棄渣層回填應(yīng)分層進行,分層厚度不大于1 m,并碾壓密實,壓實度K≥0.95。

        (2)DK34+120~DK34+195段巖溶空腔大,且隧底回填體厚約15 m,為避免回填完成后基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降,在回填施工前,對擋墻及回填體基礎(chǔ)采用φ76鋼管樁加固[10],鋼管樁間距1 m×1 m(縱向×橫向),加固深度按嵌入完整基巖不小于1 m控制。

        (3)對于溶洞中裂隙部分,在溶洞底部回填至襯砌底部后、二次襯砌施工前,于DK34+140~DK34+170段每5 m鉆設(shè)φ160鉆孔,泵送C20細石混凝土回填,為保證回填密實,必要時進行補注漿。

        (4)回填體兩側(cè)設(shè)置C25砼擋墻,擋墻頂寬1.5 m,胸坡1∶0.3。擋墻內(nèi)設(shè)置鋼管腳手架,用以外掛模板澆筑混凝土。隧底溶洞縱斷面、典型橫斷面如圖4~圖6所示。

        圖4 隧底巖溶整治縱斷面圖

        4.3 巖溶水引排

        (1)溶洞內(nèi)地下水總體流向為由北向南流動,在DK34+140~DK34+190底層(C20砼回填層)底部及頂部、第二層C20砼回填層頂部,分別埋設(shè)3排鋼筋砼管,每排3根,間距1.5~2 m,其中第一排、第三排管直徑為100 cm,第二排管直徑150 cm,排水縱坡不小于2%。

        圖5 隧底巖溶整治典型橫斷面圖1

        圖6 隧底巖溶整治典型橫斷面圖2

        (2)為保證兩擋墻間棄渣回填層積水能順利排出,擋墻墻身于每層棄渣回填體范圍設(shè)置兩排泄水孔。泄水孔采用φ100 PVC管,泄水孔間距1.5 m交錯設(shè)置。為防止泄水孔堵塞,應(yīng)在泄水孔進口處設(shè)置反濾層。

        4.4 隧道底板結(jié)構(gòu)

        為控制隧底工后不均勻沉降,DK34+120~DK34+195段采用Ⅲ級加強型復(fù)合式襯砌,錨網(wǎng)噴厚29 cm C25砼,二襯厚55 cm鋼筋混凝土襯砌,底板厚150 cm鋼筋混凝土筏板,筏板主筋為單側(cè)每延米5根φ22鋼筋,內(nèi)外側(cè)對稱配筋。本隧底巖溶處理段隧道底板結(jié)構(gòu)如圖7所示。

        圖7 Ⅲ級加強型復(fù)合式襯砌斷面圖

        4.5 施工工序

        本隧DK34+164處隧底大型溶洞處理主要施工工序如下:(1)施工準備(含施工隊伍、機具設(shè)備等的準備工作);(2)搭設(shè)鋼管腳手架作為溶腔壁防護及掛設(shè)擋墻外模的作業(yè)平臺;(3)溶腔壁錨網(wǎng)噴防護;(4)溶洞底部鋼管樁注漿加固;(5)施作C25砼擋墻;(6)分層回填“棄渣+C20砼”;(7)待回填完畢后對本段隧底經(jīng)歷10個月放置期后進行變形觀測;(8)變形觀測基本穩(wěn)定后施作隧道底板結(jié)構(gòu)及二襯。

        5 工后沉降監(jiān)測

        5.1 工后沉降監(jiān)測設(shè)計

        本隧DK34+164處隧底巖溶處理于2017年9月完成,經(jīng)歷了10個月的放置期,于2018年7月開始進行工后沉降監(jiān)測,具體設(shè)計如下:

        (1)監(jiān)測斷面布置。

        本次沉降觀測共選取了5個斷面,分別為DK34+145、DK34+150、DK34+155、DK34+160、DK34+170。

        (2)測點分別于隧道中線位置、隧道中線左側(cè)5 m及隧道中線右側(cè)5 m位置進行布置。

        (3)觀測時間不得少于3個月[11]。當觀測數(shù)據(jù)不足或工后沉降評估不能滿足要求時,應(yīng)適當延長觀測期。沉降觀測頻率不低于表2。

        表2 沉降觀測頻率

        5.2 工后沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        本隧DK34+164處隧底巖溶處理段共布置5個斷面,15個測點,監(jiān)測時間3個月2天。其中本段沉降變形最大的點位于DK34+170隧道中線左側(cè)5 m處,累計變形量3.15 mm,變形速率曲線見圖8。

        圖8 DK34+170隧道中線左側(cè)5 m處變形速率曲線

        參考《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》有砟軌道正線路基橋臺臺尾過渡段工后沉降控制標準[12],根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,本段變形均已趨于收斂且本段變形最大沉降量遠小于5 cm,沉降速率遠低于3 cm/年。

        6 結(jié)束語

        對門寨隧道DK34+164處隧底大型溶洞處理完成經(jīng)歷了10個月放置期后開始工后沉降監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,隧底沉降量及速率均滿足相關(guān)規(guī)范要求,隧道結(jié)構(gòu)處于正常工作狀態(tài),說明處理方案是安全可靠的,經(jīng)過上述工程實踐,有如下認識:

        (1)DK34+164處隧底溶洞處理設(shè)計采用“棄渣+C20砼”分層間隔回填方案,既滿足了沉降控制標準,同時通過棄渣透水層及埋設(shè)排水管能較好地排泄地下水,方案安全可靠,造價較低。

        (2)設(shè)計采用“棄渣+C20砼”分層回填,能較好地解決大體積混凝土因水化熱導(dǎo)致有害裂縫的問題。

        (3)隧底溶洞處理完成在放置10個月后進行了工后沉降觀測,觀測數(shù)據(jù)顯示沉降變形已基本趨于穩(wěn)定,可滿足施作二襯及鋪設(shè)道砟條件。

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