王 芳 汪 勇 鄭杰元

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

鐵盔山隧道位于成貴鐵路貴州省境內(nèi)黔西至貴陽區(qū)間，為設(shè)計(jì)時(shí)速250 km的單洞雙線隧道，全長5 227 m，最大埋深約380 m。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)獅子山組(T2sh)之灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖夾薄層頁巖、溶塌角礫巖，三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2sh)頁巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r、白云巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾石膏，三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)泥質(zhì)白云巖、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r灰?guī)r夾頁巖、溶塌角礫巖；另外分布有斷層角礫巖、斷層泥、壓碎巖等組成的斷層破碎帶(Fbr)物質(zhì)。預(yù)計(jì)最大涌水量為8.24萬m3/d，巖溶主要發(fā)育段涌水量預(yù)計(jì)6.94萬m3/d。

為加快施工進(jìn)度，滿足工期要求，解決施工通風(fēng)、排水以及不良地質(zhì)段處理等問題，兼顧運(yùn)營期間防災(zāi)救援，鐵盔山隧道采用“進(jìn)口平導(dǎo)+出口平導(dǎo)”的輔助坑道方案，其中進(jìn)口平導(dǎo)與正洞為剪刀差形式。鐵盔山隧道縱斷面見圖1。

2 巖溶塌落柱發(fā)育分析

2.1 巖溶塌落柱現(xiàn)場發(fā)育情況

鐵盔山隧道出口平導(dǎo)開挖至PDK469+395時(shí)，掌子面揭示有溶洞塌落堆積體，堆積體以塊石為主，夾少量黏土，結(jié)構(gòu)紊亂且具有一定膠結(jié)性，巖塊棱角分明，塊徑0.2 m～2 m不等，自穩(wěn)性較差，掌子面出水量約4 000 m3/d，后經(jīng)雨季觀測，最大出水量達(dá)36 000 m3/d?，F(xiàn)場揭示情況如圖2，圖3所示。

通過在平行導(dǎo)坑掌子面及后方施作7個(gè)水平地質(zhì)鉆孔，探明了掌子面前方地質(zhì)情況及不良地質(zhì)體范圍。同時(shí)為降低超前平導(dǎo)及正洞施工風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，根據(jù)超前探測資料，在PDK469+435線路右側(cè)實(shí)施迂回導(dǎo)坑方案，其布置圖如圖4所示。

施工現(xiàn)場于正洞、平導(dǎo)、迂回導(dǎo)坑實(shí)施超前水平鉆孔和隧底補(bǔ)勘工作。通過對鉆孔情況、芯樣成分進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場超前TSP報(bào)告，基本探明該不良地質(zhì)體的發(fā)育范圍，發(fā)育范圍位于平導(dǎo)PDK469+341～PDK469+395段線左32 m至線右27 m，侵入正洞約6.5 m。示意圖如圖5所示。

綜合分析揭示圍巖情況、現(xiàn)場揭示水文地質(zhì)情況以及隧區(qū)地形地質(zhì)條件，基本判斷該不良地質(zhì)體為巖溶塌落柱。巖溶塌落柱是巖溶洞穴塌陷的產(chǎn)物，它是下伏可溶性巖層，經(jīng)地下水強(qiáng)烈溶蝕形成溶洞后，在各種地質(zhì)因素的作用下，引起上覆巖層失穩(wěn)、塌陷，從而形成的筒狀柱體。

2.2 巖溶塌落柱發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境

巖溶塌落柱的發(fā)育是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果，它的形成往往需經(jīng)歷一個(gè)孕育、發(fā)生、發(fā)展的復(fù)雜過程，有其特定的地質(zhì)環(huán)境。

1)可溶性巖層?？扇苄詭r層是巖溶塌落柱發(fā)育的前提條件，也是塌落柱發(fā)生的始發(fā)層位。該不良地質(zhì)體段穿越三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2s)，地層中的灰?guī)r、白云巖、石膏層屬可溶性巖層；下伏的三疊系下統(tǒng)毛草鋪組(T1m)地層主要為可溶性巖層，巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育。

3)地下水徑流條件。隧址區(qū)侵蝕基準(zhǔn)面為鴨池河，其河面標(biāo)高大致為840 m，平導(dǎo)PDK469+395底面標(biāo)高為1 108 m，地勢落差大，地下水運(yùn)動(dòng)非?；钴S，該不良地質(zhì)體下伏地層內(nèi)有充分發(fā)育形成溶洞的條件。

4)地質(zhì)構(gòu)造(主要是裂隙)。該不良地質(zhì)體段位于鐵盔山盆狀向斜核部附近，豎向張開節(jié)理發(fā)育，洞身所穿三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2s)地層以薄～中厚層狀為主，巖體被切割成規(guī)格各異的塊體。在向斜核部張應(yīng)力作用下，巖層底部蝕空、脫空后易于發(fā)生坍塌陷落，為塌落柱的向上發(fā)育創(chuàng)造了條件。

5)力學(xué)條件。主要指的是重力作用，其是巖溶塌落柱向上不斷發(fā)育的主要力學(xué)條件。以伸展構(gòu)造為主的鐵盔山盆狀向斜區(qū)域，其最大主應(yīng)力處于垂直方向，水平應(yīng)力相對較低。

2.3 巖溶塌落柱地質(zhì)特征

1)巖溶塌落柱工程地質(zhì)特征。PDK469+395揭示的巖溶塌落柱其塌落主要發(fā)生于三疊系中統(tǒng)松子坎組(T2s)地層，其巖性主要為頁巖、泥質(zhì)白云巖、灰?guī)r、白云巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾石膏。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施水平探孔取芯分析，隧道周邊塌落堆積巖塊母巖主要為泥質(zhì)白云巖、頁巖、灰?guī)r等，根據(jù)現(xiàn)場PDK469+395掌子面揭示情況，塌落堆積巖塊之間有一定膠結(jié)，說明是有一定地史時(shí)期的塌落柱，其中泥巖因受長期侵蝕，有一定的泥化現(xiàn)象。PDK469+395掌子面揭示的塌落體呈塊石夾黏土狀，其中的黏土一部分由地下水?dāng)y帶而來，一部分則為泥化的頁巖。

另外，巖溶塌落柱的形成是一個(gè)多次塌落的過程，在長期的塌落過程中，上覆巖體向柱體內(nèi)塌落，柱邊圍巖不斷受到塌落巖塊的撞擊，加之卸荷作用，巖溶塌落柱的柱邊圍巖將逐漸形成環(huán)狀裂隙破碎帶，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也將降低。

可見，該巖溶塌落柱柱體及其柱邊圍巖屬于地質(zhì)體薄弱帶，巖體穩(wěn)定性差，且承載力較低。

2)巖溶陷落柱水文地質(zhì)特征。根據(jù)施工現(xiàn)場水文觀測，2017年6月23日PDK469+395掌子面出水量達(dá)36 000 m3/d，可見該巖溶塌落柱為一典型的發(fā)育于地下水強(qiáng)徑流帶上的導(dǎo)水塌落柱，其塌落堆積物未能很好壓實(shí)膠結(jié)，自身成為導(dǎo)水通道。

另一方面，塌落柱周邊裂隙帶導(dǎo)水，也容易引發(fā)塌落柱突水。塌落柱在形成過程中，周邊圍巖因卸荷、松動(dòng)、撞擊形成了一個(gè)以塌落柱柱體為中心的、不規(guī)則環(huán)狀破碎裂隙帶，受次生應(yīng)力作用(即隧道開挖后巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布)的影響，裂隙帶抗剪強(qiáng)度降低，地下水的侵入，導(dǎo)致裂隙尖端應(yīng)力集中，使裂隙擴(kuò)展、貫通，成為導(dǎo)水通道，引發(fā)塌落柱突水。結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際情況，隧道出口工區(qū)施工至DK469+918之后，洞室內(nèi)逐漸出現(xiàn)裂隙出(涌)水的情況，最大出水量達(dá)約12 000 m3/d，這種裂隙出(涌)水的情況在某種程度上與塌落柱周邊裂隙帶導(dǎo)水的分析相吻合。

總體而言，該巖溶陷落柱柱體本身及柱體邊圍巖均為地質(zhì)體薄弱帶，阻水強(qiáng)度低，施工時(shí)容易引發(fā)突水。巖溶塌落柱發(fā)育縱斷面示意如圖6所示。

3 隧道穿越巖溶塌落柱段施工處理措施

3.1 隧道穿越巖溶塌落柱段面臨的問題

隧道穿越巖溶塌落柱段施工時(shí)，首要問題是結(jié)合巖溶塌落柱的特點(diǎn)確定其范圍以及與隧道的相對位置關(guān)系，這一問題在前文中已經(jīng)說明清楚。其次是施工中需要對巖溶塌落柱段的地下水進(jìn)行有效引排以及對不良地質(zhì)體進(jìn)行有效地加固，從而確保隧道穿越巖溶塌落柱段的施工安全。

3.2 巖溶塌落柱段隧道施工處理措施

1)富水巖溶塌落柱段排水降壓。前文中迂回平行導(dǎo)坑采取模筑混凝土襯砌，目的是為了能夠?qū)⒏凰畮r溶塌落柱段的地下水盡量引排至迂回導(dǎo)坑，同時(shí)在導(dǎo)坑內(nèi)靠近塌落柱段模筑混凝土襯砌邊墻處布置集水鉆孔，鉆孔孔徑為150 mm，每孔長度35 m，集水鉆孔縱向間距為2 m，鉆孔布置如圖7所示。通過設(shè)置集水鉆孔，有效地將巖溶塌落柱段的地下水進(jìn)行引導(dǎo)排放，從而降低了該段隧道結(jié)構(gòu)承受的水壓力，保證了施工安全。

2)富水巖溶塌落柱段注漿加固。根據(jù)地質(zhì)勘察情況，對DK469+353～DK469+393段富水巖溶塌落柱段進(jìn)行注漿加固處理，主要采用超前周邊注漿、拱墻范圍徑向注漿加固措施以及隧底袖閥管注漿加固措施。具體如下：

a.超前周邊注漿。鐵盔山隧道DK469+393～DK469+353段線路右側(cè)揭示不良地質(zhì)體，侵入正洞掌子面約1/3，不良地質(zhì)體由大小不一的碎塊石紊亂堆積，巖塊棱角分明，最大塊徑約1 m，間夾較多軟塑狀黏土。為確保施工安全，于DK469+396～DK469+335段采用超前周邊注漿加固，注漿過程中根據(jù)地質(zhì)水文條件適當(dāng)調(diào)整注漿參數(shù)。

主要注漿參數(shù)見表1，超前注漿縱斷面見圖8。

表1 超前周邊注漿相關(guān)參數(shù)表

b.拱墻范圍不良地質(zhì)體影響區(qū)域注漿加固。采用φ60鋼花管注漿加固(壁厚5 mm)，間距0.6 m(縱向)×1 m(環(huán)向)，每根長5 m，考慮到雨季施工地下水發(fā)育情況，注漿采用雙液漿，注漿壓力為1.2 MPa～2.5 MPa，通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定具體注漿壓力、配合比等有關(guān)參數(shù)和合理的施工工藝。注漿過程中對漿液流動(dòng)性、進(jìn)漿速度、注漿壓力、進(jìn)漿量等參數(shù)進(jìn)行全過程記錄，并根據(jù)施工需要適當(dāng)摻外加劑調(diào)整漿液的流動(dòng)性。

c.隧底注漿加固處理。隧底不良地質(zhì)體影響范圍內(nèi)采用φ108鋼質(zhì)袖閥管(壁厚6 mm)注漿加固，鉆孔直徑為φ127，間距0.6 m×0.6 m，交錯(cuò)布置，袖閥管至仰拱填充面以下30 m，利用仰拱填充面高程作為施工平臺，平臺面至平臺以下5.3 m區(qū)域不注漿。注漿完成后，基底采用厚3 m的鋼筋混凝土筏板通過，筏板每次開挖不超過12 m。二襯采用80 cm厚的鋼筋混凝土襯砌。施作筏板時(shí)為確保初期支護(hù)的安全，鋼架應(yīng)接到筏板底并設(shè)置鎖腳錨管，同時(shí)錨網(wǎng)噴臨時(shí)防護(hù)。隧底處理典型斷面如圖9所示。

4 結(jié)論

本文結(jié)合成貴鐵路鐵盔山隧道富水巖溶塌落柱段施工，對巖溶塌落柱發(fā)育情況和隧道穿越巖溶塌落柱段面臨的問題進(jìn)行分析，提出隧道穿越富水巖溶塌落柱段施工處理措施，形成如下結(jié)論：1)大型不良地質(zhì)體需加強(qiáng)超前預(yù)測預(yù)報(bào)工作，準(zhǔn)確探明不良地質(zhì)體發(fā)育范圍和性質(zhì)，綜合分析富水充填體儲量、水壓、連通性、充填物等特征，充分評估其對隧道施工和運(yùn)營的危害程度。明確充填物性質(zhì)及其與隧道的相互關(guān)系是首要工序。2)巖溶塌落柱段地下水對隧道施工及結(jié)構(gòu)的安全影響很大，安全有效的排水降壓是確保工程順利實(shí)施的關(guān)鍵要點(diǎn)。3)結(jié)合巖溶塌落柱段的物理特性和隧道結(jié)構(gòu)受力模式針對性地采取不同的注漿方式，明確注漿目的和作用是解決施工安全問題的重要前提。4)鐵盔山隧道穿越巖溶塌落柱段施工，通過采取迂回導(dǎo)坑和超長鉆孔探明了富水巖溶塌落柱發(fā)育范圍，結(jié)合不良地質(zhì)范圍與隧道相互關(guān)系分析控制因素，采用排水降壓和超前周邊注漿、拱墻范圍徑向注漿加固措施以及隧底袖閥管注漿加固等措施，優(yōu)化調(diào)整隧底結(jié)構(gòu)型式，保證了該段復(fù)合地基承載力特征值不小于400 kPa，確保了鐵盔山隧道不良地質(zhì)體范圍的施工安全。本文總結(jié)的富水巖溶塌落柱隧道施工處理技術(shù)對巖溶地區(qū)類似隧道工程的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。