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        西南山區(qū)高速鐵路隧道巖溶治理技術(shù)研究

        2021-06-05 07:52:54王喚龍
        關(guān)鍵詞:施工

        王喚龍

        (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都610031)

        1 引言

        巖溶是指地表水和地下水對(duì)可溶性巖層經(jīng)過化學(xué)作用和機(jī)械破壞的長(zhǎng)期溶蝕作用而形成的各種地表及地下侵蝕現(xiàn)象的總稱[1]。我國(guó)石灰?guī)r地層分布廣泛,巖溶地質(zhì)現(xiàn)象非常普遍,特別是在我國(guó)西南地區(qū)的重慶、貴州、云南、廣西等地。隨著我國(guó)生產(chǎn)建設(shè)的發(fā)展,在巖溶地區(qū)的建筑工程逐漸增多,特別是在巖溶地區(qū)修建鐵路時(shí),若沒有對(duì)巖溶進(jìn)行詳細(xì)研究并采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧谑┕ず瓦\(yùn)營(yíng)過程中會(huì)發(fā)生許多事故,甚至嚴(yán)重威脅鐵路行車安全,如南昆、湘黔、宜萬(wàn)、武廣、黔桂等鐵路[2~8],地下水發(fā)育,巖溶現(xiàn)象隨處可見,通過對(duì)這些鐵路巖溶隧道的設(shè)計(jì)與施工,為我國(guó)的巖溶隧道方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但是,各個(gè)地區(qū)的巖溶發(fā)育情況和發(fā)育史的特點(diǎn)不同,因而處理技術(shù)也不能一以貫之,需根據(jù)巖溶的不同發(fā)育特點(diǎn)來采取不同的處理方法。本文以我國(guó)西南山區(qū)某高速鐵路巖溶隧道作為典型工點(diǎn),分析了隧道巖溶的危害及一般處理原則,探討了該隧道的巖溶處理方法,為類似隧道的巖溶病害處置提供一定的借鑒。

        2 工程概況

        巖溶地段主要位于隧道的DK657+953~DK657+910段,長(zhǎng)43 m,該隧道主要穿越該地段的泥盆系中統(tǒng)曲靖組(D2q)石灰?guī)r,呈弱風(fēng)化狀態(tài),且含水豐富,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。在隧道開挖過程中,開挖揭示了DK657+953段線路右側(cè)拱腰部分具有充填性溶洞,該段主要為灰?guī)r、白云巖,呈中~厚層狀,巖體溶蝕裂隙發(fā)育,裂隙中充填紅黏土;在DK657+940段線路右側(cè)拱腰部位具有溶洞,且溶洞從線路右側(cè)向隧道中線處擴(kuò)大,并且向隧道頂部延伸,深度不明,溶腔內(nèi)具有紅黏土充填,同時(shí)充填物內(nèi)含有巨塊孤石(2~3 m3/塊),紅黏土呈軟塑狀,且清理充填物后仍具有坍塌發(fā)生;在DK657+933段線路右側(cè)發(fā)現(xiàn)半充填型溶腔,充填物為軟塑狀紅黏土,溶洞空腔縱向發(fā)育長(zhǎng)度約為4 m,開挖輪廓線外橫向發(fā)育長(zhǎng)度約為6 m,該溶腔圍巖較破碎,巖體以強(qiáng)風(fēng)化為主;同時(shí),在DK657+953~DK657+910段發(fā)現(xiàn)該段隧道基底發(fā)育充填型巖溶溶洞,長(zhǎng)度約為18 m,溶洞內(nèi)的充填物主要為紅黏土,且隧道低仰拱至溶洞底部最深處的充填物厚度約為23.7 m,巖石為灰?guī)r,裂隙較為發(fā)育,現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)明顯的地下水滲出,地下水主要以垂直運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹鳌K淼来┰皆摱蔚膸r土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表所示。

        3 巖溶隧道處理原則與方法

        高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)對(duì)穩(wěn)定性及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求極高,當(dāng)隧道通過巖溶地區(qū)時(shí),巖溶洞穴使隧道工程全部或局部懸空,從而降低隧道使用的可靠度;地下水將會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)混凝土帶來極大的侵蝕作用,從而縮減隧道的使用壽命;巖溶洞穴中的堆積物,通常其堆積物在工程活動(dòng)作用下易于坍塌下沉,從而改變洞穴周邊的應(yīng)力狀態(tài),影響隧道的穩(wěn)定性;隧道中地下水?dāng)y帶物質(zhì)流失,特別是對(duì)隧道頂部物質(zhì)的流失而使其產(chǎn)生地面巖溶塌陷,導(dǎo)致環(huán)境地質(zhì)被破壞,從而造成隧道不穩(wěn)定。因此,高速鐵路巖溶隧道相對(duì)一般鐵路隧道處理巖溶的標(biāo)準(zhǔn)更高、要求更嚴(yán),其處理原則及一般方法簡(jiǎn)述如下。

        表1 隧道DK657+953~DK657+910段巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

        3.1 巖溶隧道的處理原則

        首先,采用地形地貌、地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)測(cè)繪等手段來對(duì)巖溶地段進(jìn)行定性預(yù)測(cè),再結(jié)合地質(zhì)鉆孔、超前預(yù)報(bào)、隧道巖溶預(yù)報(bào)等方法,查明巖溶洞穴的分布范圍、類型、發(fā)育程度、填充物質(zhì)類型、相對(duì)隧道位置及距離、地下水等情況,為正確制定巖溶處理方案提供資料。然后,巖溶遵循以疏為主、堵排結(jié)合、經(jīng)濟(jì)合理、綜合治理、不留后患的原則進(jìn)行處理,在施工過程中盡量不改變巖溶水的徑流和滲流路徑,減少地下水的流失,保證施工過程的環(huán)境安全,堅(jiān)持“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、緊襯砌、勤量測(cè)”的原則采取多種方案綜合治理而通過巖溶地區(qū)。

        3.2 巖溶隧道的一般處理方法

        隧道工程在施工過程中的巖溶影響主要表現(xiàn)在巖溶洞穴、地下水作用、洞穴堆積物及塌陷、洞頂?shù)乇硭?個(gè)方面,當(dāng)隧道穿越巖溶地段時(shí),應(yīng)根據(jù)隧道與巖溶洞穴的相對(duì)位置靈活處理,主要考慮巖溶洞穴的大小、規(guī)模、圍巖穩(wěn)定性、地下水水量、堆積物物理性質(zhì)狀態(tài)等情況。一般情況下,對(duì)巖溶隧道主要采取跨越、加固洞穴、清除堆積物并回填夯實(shí)、對(duì)軟弱堆積物注漿加固、引排地下水并疏排地表水等綜

        合治理方案,其主要考慮以下4種情況:

        1)當(dāng)巖溶洞穴較大且較深時(shí),可采用梁、拱跨越巖溶地帶,跨越的梁端或拱座必須位于穩(wěn)固可靠的巖層之上,必要時(shí)需要灌注混凝土進(jìn)行加固;若隧道穿越特大型巖溶洞穴時(shí),可采用明洞結(jié)構(gòu)形式穿越巖溶地帶;若地質(zhì)情況復(fù)雜,隧道襯砌可采用拉桿拱、邊墻梁等結(jié)構(gòu)形式,同時(shí)可采用錨索對(duì)溶洞與隧道連接處進(jìn)行加固。

        2)對(duì)于未發(fā)現(xiàn)地下水痕跡的溶洞,即已停止發(fā)育的干涸溶洞,隧道施工過程中可采用漿砌片石或干砌片石來封堵填充巖溶洞穴。

        3)對(duì)于穿越松軟、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的洞穴堆積物的巖溶隧道時(shí),若不能滿足隧道結(jié)構(gòu)自重、拱頂荷載及行車荷載作用,可用混凝土或漿砌片石換填洞穴充填堆積物來提高其地基承載力;若為了防止洞穴巖壁或洞頂坍塌,在清除松動(dòng)巖石的基礎(chǔ)上,可采用錨桿、注漿加固等措施對(duì)圍巖進(jìn)行加固。

        4)對(duì)巖溶地帶的地下水的治理,由于巖溶經(jīng)過漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代逐步形成了規(guī)模巨大的巖溶管道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,管道中巖溶水的流量大、速度快,通常采用堵截的方法難以達(dá)到良好的治理效果,因此,在巖溶隧道的實(shí)際施工過程中,應(yīng)盡量維護(hù)巖溶暗河的通路,不宜隨意封堵,為防止巖溶水的突水、涌泥狀況,應(yīng)采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前孔相結(jié)合的方式,確保施工安全,因此,對(duì)于巖溶水的治理,應(yīng)采用合理的疏、排、防、截等綜合治理措施。

        4 隧道巖溶危害治理措施

        4.1 隧道拱部及邊墻溶洞處理措施

        在隧道DK657+953~DK657+940段采用I18鋼架,鋼架間距在1.0 m,拱部的巖溶范圍須對(duì)鋼架的縱向連接鋼筋進(jìn)行加密處理,其縱向連接筋的環(huán)向間距為40 cm,并以C25混凝如進(jìn)行護(hù)拱,厚度為1.0 m,邊墻背后采用干砌片石回填;DK657+940~DK657+910段采用全環(huán)I20b鋼架,鋼架間距為0.6 m,拱部采用φ108 mm大管棚,管棚長(zhǎng)25 m,環(huán)向間距為0.4 m,每環(huán)39根,若溶洞范圍內(nèi)的鋼架基礎(chǔ)位于土層時(shí)則須采用φ75 mm鋼花管注漿加固基礎(chǔ),每榀2根,長(zhǎng)度6.0 m,拱部及邊墻以C25混凝土護(hù)拱,厚2.0 m,并且護(hù)拱后進(jìn)行背后吹砂,吹砂層不小于1.5 m,同時(shí)邊墻背后采用干砌片石回填。

        工后監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及二襯質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果顯示隧道二襯結(jié)構(gòu)符合相關(guān)規(guī)范及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),處理措施是合理可行的。

        4.2 隧道基底溶洞處理措施

        對(duì)于隧道基底溶洞,位于基底以下2.0 m范圍內(nèi)的部分采用C25混凝土換填;在基底以下2.0 m范圍外的部分采用φ60 cm的旋噴樁加固基底,旋噴樁的間距為1.0 m×1.0 m,采用交錯(cuò)布置,加固深度達(dá)到隧道底部以下15.0 m或基巖中0.5 m,其注漿材料采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥漿,水泥漿水比為0.8~1.5,外加2%~3%的CaCl2做速凝劑,以確保加固后的復(fù)合地應(yīng)力大于300 kPa。

        在整個(gè)隧道巖溶地段,應(yīng)在護(hù)拱吹砂層背后每隔10 m預(yù)埋1根φ100 mm PVC管,頂部采用無紡布包裹,并高于吹砂層不小于10 cm,并引排至隧道側(cè)溝,并在DK657+953~DK657+910段(見圖1)增加環(huán)向盲溝,并加密橫向排水管至3 m/環(huán)。

        工后長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示基底沉降量?jī)H4 mm,滿足高速鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn),表明采用旋噴樁加固措施是可以滿足相關(guān)規(guī)范要求的。

        圖1 隧道DK657+953~DK657+910段巖溶處理平面及縱斷面圖

        5 結(jié)論

        通過本文的分析下與研究,得到以下結(jié)論:

        1)巖溶是巖溶發(fā)育地區(qū)隧道施工過程中的常見不良地質(zhì)現(xiàn)象,巖溶處理過程中應(yīng)因地制宜、綜合治理,同時(shí)考慮生態(tài)環(huán)境,確保隧道施工和運(yùn)營(yíng)安全;

        2)隧道的基底溶洞處理是重中之重,基底是承重結(jié)構(gòu),其處理效果直接影響鐵路的運(yùn)營(yíng)安全;

        3)巖溶處理應(yīng)根據(jù)隧道與巖溶相對(duì)位置分為頂部、底部、邊墻部位進(jìn)行加固處理,本隧道的處理方法主要包括頂板回填、底部換填、邊墻注漿加固及溶腔壁穩(wěn)定加固,地下水排泄管道設(shè)置等措施。本文通過對(duì)西南山區(qū)高速鐵路某巖溶隧道的巖溶治理方案,可為以后類似巖溶隧道設(shè)計(jì)及施工方案積累經(jīng)驗(yàn)。

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