肖載興

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000)

1 引言

溶洞是可溶性巖石在地下水的長(zhǎng)期作用下形成的特殊產(chǎn)物，往往伴隨著地下水的充填和連通，并在溶洞內(nèi)存在不同程度的充填物，當(dāng)隧道穿越巖溶地區(qū)時(shí)，存在溶洞空腔坍塌、填充物涌出的可能，給隧道的施工帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)[1－3]。串珠狀巖溶是最為復(fù)雜巖溶發(fā)育形態(tài)之一，極易受到擾動(dòng)產(chǎn)生灰?guī)r頂板松動(dòng)掉塊、巖溶水連通、冒頂坍塌等不良影響，對(duì)隧道施工安全造成危害[4－6]。

李雄周等[7]依托云南高速公路隧道的施工，提出掛網(wǎng)噴射混凝土＋土石回填的溶洞處置方案；胡煒等[8]針對(duì)高壓富水地區(qū)的巖溶隧道展開(kāi)分析，提出了相應(yīng)的防排水優(yōu)化措施；袁永才等[9]提出橋梁跨越及暗河改道的綜合施工方案能夠有效治理大型、特大型溶洞。目前，研究文獻(xiàn)主要集中在不同尺度大小的溶洞處理，對(duì)于富水條件下的串珠狀巖溶治理方法報(bào)道較少[10]。

鑒于此，本文依托重慶市快速路歇馬隧道工程，針對(duì)場(chǎng)區(qū)的巖溶水和溶洞發(fā)育情況進(jìn)行分析，分別提出富水溶洞的治理技術(shù)和溶洞的處理方案，以期豐富串珠狀富水巖溶地區(qū)的隧道施工經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)類(lèi)似工程建設(shè)提供借鑒和參考。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

重慶市快速路歇馬隧道工程位于重慶市北碚區(qū)，隧道線路長(zhǎng)約4 187.46 m。頂板最大埋深約392.00 m，屬深埋特長(zhǎng)隧道；隧道采用分離式設(shè)計(jì)，左右隧道平面線型均為直線型，兩洞平均凈間距約35 m。隧道輪廓寬×高為14.50 m×9.60 m。隧道設(shè)計(jì)概況如表1所示。

表1 重慶市歇馬隧道設(shè)計(jì)概況

隧址區(qū)主要揭露地層為侏羅系的上沙溪廟組(J2s)、下沙溪廟組(J2XS)、新田溝組(J2X)、自流井組(J1-2Z)、珍珠沖組(J1Z)；三疊系的須家河組(T3xj)、雷口坡組(T2l)、嘉陵江組(T1j)、飛仙關(guān)組(T1f)；第四系零星分布，厚度不大，主要為崩坡積()、殘坡積物()。

2.2 工程重難點(diǎn)分析

(1)場(chǎng)區(qū)串珠狀巖溶發(fā)育，處置不當(dāng)易發(fā)生突水涌泥事故。

歇馬隧道穿越的可溶巖地層長(zhǎng)度較大，穿越的主要巖溶地層為中統(tǒng)雷口坡組(T2l)白云質(zhì)灰?guī)r、下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r。其中，中統(tǒng)雷口坡組(T2l)白云質(zhì)灰?guī)r分布于觀音峽背斜兩翼，受地下水波動(dòng)的影響，在與下部的下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r接觸地帶，發(fā)育連通性溶蝕孔洞、垂向裂隙、洼地溶槽等，而下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r主要在垂向上發(fā)育溶洞，溶洞發(fā)育形態(tài)更為復(fù)雜和多變，受到地下水的長(zhǎng)期溶蝕形成串珠狀溶洞、溶蝕裂隙、落水洞等，串珠狀溶洞間的灰?guī)r間隔厚度大小不一，且溶洞內(nèi)填充狀態(tài)也難于探測(cè)清楚，易受到施工擾動(dòng)影響使得灰?guī)r頂板塌陷，串珠狀溶洞連通，填充物涌出，對(duì)隧道的施工和結(jié)構(gòu)的安全造成不利影響。

以右線隧道為例，場(chǎng)區(qū)可溶巖的分布里程為YK7＋194～YK9＋490，共計(jì)2 296 m，該范圍內(nèi)6個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺約1 875 m，揭示溶洞(槽)285個(gè)，呈串珠狀發(fā)育，線溶率為35%，單鉆孔內(nèi)溶洞最大豎向高度為25 m，場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育程度判定為強(qiáng)發(fā)育。

(2)場(chǎng)區(qū)地下水發(fā)育，水力聯(lián)系復(fù)雜，涌水量大。

隧址區(qū)域地下水分布廣泛，中梁山地表、地下水力聯(lián)系十分復(fù)雜，觀音峽背斜兩翼的三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)和下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)及珍珠沖組(J1Z)、須家河組(T3xj)、飛仙關(guān)組(T1f)等地層，巖溶水與基巖裂隙水、地表水的水力聯(lián)系十分復(fù)雜，隧道施工遇高壓涌水、突泥風(fēng)險(xiǎn)性較高。

隧址區(qū)地下水發(fā)育，含水層主要分為兩類(lèi):第①類(lèi)含水層為(T2l＋T1j＋T1f)含水層，巖性以灰?guī)r為主，巖體裂隙發(fā)育，巖溶水量豐富；第②類(lèi)含水層為(T3xj)含水層，巖性以砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，弱～中等透水性。對(duì)隧道掘進(jìn)影響主要為第①類(lèi)含水層，采用分段預(yù)測(cè)的方法對(duì)隧道的涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 隧道涌水量預(yù)測(cè) m3/d

3 富水溶洞隧道治水技術(shù)

為保證施工及結(jié)構(gòu)安全，降低施工的風(fēng)險(xiǎn)性，故對(duì)巖溶地下水的處理措施如下。

3.1 處理原則及方法

施工時(shí)，按照“先預(yù)報(bào)、常觀測(cè)、帷幕堵、限量排、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、早襯砌”等綜合處理原則治理巖溶水和裂隙水[11－12]。首先采用綜合超前預(yù)報(bào)方法對(duì)隧道掌子面前方不同距離和不同方位的巖溶水進(jìn)行探測(cè)，若超前預(yù)報(bào)解譯表明存在異常段，則進(jìn)一步采用鉆孔臺(tái)車(chē)，實(shí)施超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，超前鉆孔的直徑不小于75 mm，探水孔終孔超出開(kāi)挖輪廓線外150 cm，每次探水段長(zhǎng)30 m，開(kāi)挖25 m，保留5 m作為下一次探水孔的重疊區(qū)域。如圖1所示。

圖1 巖溶水異常段鉆孔超前探測(cè)驗(yàn)證

綜合超前探測(cè)成果，分析溶洞的分布范圍、大小、距離、填充物、巖溶水水量、水壓等情況，制定相應(yīng)的治理方案，明確注漿孔布置、注漿壓力等參數(shù)。為保護(hù)地下水環(huán)境、減少地層失水和避免隧道開(kāi)挖突水涌泥，隧道掘進(jìn)前，采用功能快速隧道注漿集成系統(tǒng)對(duì)掌子面前方的溶洞、裂隙進(jìn)行注漿填充，對(duì)巖溶水進(jìn)行阻隔，同時(shí)采用相應(yīng)的抗水壓襯砌[13]。

3.2 富水溶洞隧道主要治水措施

根據(jù)歇馬隧道施工經(jīng)驗(yàn)表明，采取超前小導(dǎo)管帷幕注漿、開(kāi)挖后全斷面徑向注漿、局部超前小導(dǎo)管注漿、補(bǔ)注漿四種治水措施能夠有效阻隔地下水，確保隧道施工安全。

(1)超前小導(dǎo)管帷幕注漿。設(shè)計(jì)注漿段長(zhǎng)度為25 m，分四環(huán)實(shí)施，第一環(huán)長(zhǎng)13 m，第二、三、四環(huán)長(zhǎng)25 m。每個(gè)注漿段完成后留6 m不開(kāi)挖作為下一注漿段的止?jié){巖盤(pán)。注漿范圍為正洞緊急停車(chē)帶拱部及邊墻為開(kāi)挖輪廓線外6 m，仰拱為開(kāi)挖輪廓線外4 m；正洞非緊急停車(chē)帶的拱部及邊墻處注漿范圍不小于輪廓外5 m，仰拱處注漿范圍不小于輪廓外3 m。如圖2所示。

圖2 超前帷幕預(yù)注漿平面圖(單位:cm)

(2)開(kāi)挖后全斷面徑向注漿。正洞緊急停車(chē)帶隧道，注漿范圍超過(guò)開(kāi)挖輪廓線外6 m；正洞緊急停車(chē)帶隧道，注漿范圍超過(guò)開(kāi)挖輪廓線外5 m。注漿孔每一環(huán)設(shè)18個(gè)孔，縱向450 cm一環(huán)，每環(huán)設(shè)4個(gè)檢查孔。如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖后全斷面徑向注漿立面圖

(3)局部注漿分為局部超前預(yù)注漿、開(kāi)挖后局部注漿等幾種，主要針對(duì)的是局部小型的串珠狀溶洞以及局部地下水滲流、局部溶槽涌水。如圖4、圖5所示。

圖4 局部超前探水遇溶槽涌水處理

圖5 開(kāi)挖后遇溶槽涌水處理

(4)補(bǔ)注漿為按上述三種注漿方式實(shí)施后，水流量仍大于控制排水量，注漿固結(jié)圈綜合滲透系數(shù)大于設(shè)計(jì)控制值或仍有局部出水點(diǎn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況選擇上述注漿方式一種或多種進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

3.3 治水措施的確定

(1)當(dāng)超前隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和探水鉆孔表明隧道掌子面前方存在富水巖溶、水壓和水量規(guī)模較大，易引發(fā)涌泥突水可能，若不處理會(huì)危及施工及結(jié)構(gòu)安全時(shí)，原則上采用超前帷幕注漿堵水技術(shù)。

(2)當(dāng)根據(jù)地表水文監(jiān)測(cè)分析、結(jié)果及綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)判定，地下水和巖溶水發(fā)育，在隧道掘進(jìn)過(guò)程中受到溶洞和泄漏，引發(fā)地下水環(huán)境和地表生態(tài)環(huán)境破壞時(shí)，原則上采取超前帷幕注漿堵水技術(shù)。

(3)當(dāng)隧道穿過(guò)不同可溶巖分界線地段及物探異常地段，巖體局部存在破碎帶和軟弱帶，水量和水壓不大，但判定有突水突泥可能，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力時(shí)，實(shí)施超前局部注漿。

(4)當(dāng)隧道圍巖完整或較完整，但由于開(kāi)挖使得局部小型串珠狀溶洞泄水，可以針對(duì)出水點(diǎn)或滲水點(diǎn)采用局部徑向注漿處理。

3.4 注漿參數(shù)的確定

帷幕注漿鉆孔采用方陣形式布置，每環(huán)孔底間距不大于4.5 m，使單孔注漿擴(kuò)散圈有效重疊，形成阻水帷幕。漿液?jiǎn)慰子行U(kuò)散設(shè)計(jì)半徑按3.0 m考慮，設(shè)計(jì)注漿壓力按實(shí)測(cè)水壓的2倍考慮，施工中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。超前預(yù)注漿主要采用水泥與水玻璃雙液漿或純水泥漿液，水泥采用C20普通硅酸鹽水泥，水灰比范圍為0.8～1.0，水玻璃波美度范圍為43～45 Be，雙液體積比范圍為 1∶0.4～1∶0.6。

當(dāng)單孔注漿壓力和進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)停止單孔注漿；當(dāng)所有注漿孔均注漿結(jié)束，檢查孔涌水量及隧道實(shí)測(cè)涌水量小于設(shè)計(jì)值，注漿有效注入范圍大于或等于設(shè)計(jì)值，經(jīng)評(píng)判開(kāi)挖不會(huì)發(fā)生突水突泥災(zāi)害時(shí)全段停止注漿。

單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):(1)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力值，持續(xù)注漿10 min后可結(jié)束注漿；(2)進(jìn)漿量小于20 L/min且無(wú)漏漿時(shí)，可結(jié)束注漿。

全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):(1)所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無(wú)漏注現(xiàn)象；(2)檢查孔涌水量小于0.1 L/min；(3)注漿后檢測(cè)涌水量小于0.5 m3/m·d；(4)檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿，并達(dá)到一定強(qiáng)度；(5)注漿加固注入范圍大于設(shè)計(jì)值。

4 隧道穿越串珠狀溶洞治理方案

隧道穿越可溶巖地段時(shí)，在隧道二次襯砌施作前必須采用地震單點(diǎn)反射波法(HSP)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道徑向15 m范圍進(jìn)行探查，異常處尚需鉆孔驗(yàn)證，以查明隧道徑向15 m范圍隱伏巖溶位置、大小、頂?shù)装搴穸?，以便處理?/p>

當(dāng)溶洞規(guī)模較大，或溶洞雖小但要求不堵塞水流，或溶洞深?；虺涮钗锼绍?，基礎(chǔ)處理困難或耗資巨大時(shí)，則可根據(jù)具體條件采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，如梁跨、板跨、拱跨等跨越措施。

對(duì)已停止發(fā)育的干小溶洞，采用混凝土、漿砌片石或干碼片石堵塞、填實(shí)，必要時(shí)注漿加固以防止塌陷。

根據(jù)洞內(nèi)充填物的性狀，可選用清除、換填、樁基、注漿等技術(shù)措施。對(duì)不能填實(shí)的溶洞壁面，視情況采用錨噴、鋼筋網(wǎng)、鋼筋束進(jìn)行封閉加固處理。

穿越串珠狀溶洞段時(shí)，隧道支護(hù)襯砌參數(shù)與同級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)相同，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置護(hù)拱。隧道穿越巖溶區(qū)串珠狀溶洞時(shí)側(cè)壁處治方案如圖6a、圖6b所示，拱頂處治方式如圖6c所示，仰拱底部處治方式如圖6d～圖6f所示。

圖6 隧道穿越串珠狀溶洞處置方法

5 實(shí)施效果與體會(huì)

(1)以右線隧道為例，重慶歇馬隧道全長(zhǎng)4198 m，可溶巖分布范圍為YK7＋194～YK9＋490，共計(jì)2 296 m，該范圍內(nèi)6個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺約1 875 m，揭示溶洞(槽)285個(gè)，呈串珠狀發(fā)育，線溶率為35%，單鉆孔內(nèi)溶洞最大豎向高度為25 m，場(chǎng)區(qū)巖溶發(fā)育程度判定為強(qiáng)發(fā)育。

(2)隧址區(qū)地下水發(fā)育，地下水水力聯(lián)系復(fù)雜，含水層主要分為兩類(lèi):第①類(lèi)含水層為(T2l＋T1j＋T1f)含水層，巖性以灰?guī)r為主，巖體裂隙發(fā)育，巖溶水量豐富；第②類(lèi)含水層為(T3xj)含水層，巖性以砂巖為主，巖溶裂隙較發(fā)育，弱～中等透水性。對(duì)隧道掘進(jìn)其控制性影響的主要為第①類(lèi)含水層。

(3)富水串珠狀溶洞由于溶洞發(fā)育呈串珠狀，溶洞間灰?guī)r厚度不一，受隧道掘進(jìn)擾動(dòng)后極易出現(xiàn)涌水突泥等風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐總結(jié)，提出的4種堵水方案以及針對(duì)溶洞不同發(fā)育程度和發(fā)育位置的處置方案，有效地解決了富水串珠狀溶洞難處理、難支護(hù)的問(wèn)題，施工期間未出現(xiàn)坍塌和突水涌泥等風(fēng)險(xiǎn)，保障了隧道的順利貫通；同時(shí)，隧道開(kāi)通運(yùn)營(yíng)1年來(lái)，隧道結(jié)構(gòu)無(wú)一處滲水漏水，安全可靠，大大地降低了運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本。