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        某大跨隧道巖溶管道處治設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

        2021-12-24 06:05:22劉敏捷張文勇
        北方交通 2021年12期
        關(guān)鍵詞:泥質(zhì)擋墻溶洞

        劉敏捷,張文勇

        (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽市 550001)

        0 引言

        近年來,中國高速公路得到了快速的發(fā)展,而貴州作為全國唯一一個(gè)沒有平原的省份,交通的發(fā)展對(duì)貴州尤為重要,貴州于2015年實(shí)現(xiàn)了縣縣通高速。如今,貴州高速公路總里程已位居全國前列,高速網(wǎng)仍在不斷完善和發(fā)展,貴州山高谷深,橋隧比高,巖溶發(fā)育,而高速隧道的修建往往需要從巖溶發(fā)育區(qū)的山體中穿過,與巖溶的直接碰撞在所難免,由于巖溶分布的未知性和地形地貌的差異性,巖溶發(fā)育形態(tài)復(fù)雜多變,對(duì)隧道工程的影響也就不能一概而論,對(duì)巖溶處治的設(shè)計(jì)和施工一直是隧道工程界的難題[1]。

        以貴州某一在建高速公路隧道為例,闡述隧道與巖溶管道交叉后的設(shè)計(jì)施工處治對(duì)策,為其他類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

        1 工程概況

        在建的貴州某高速公路隧道為分離式雙向六車道長隧道,設(shè)計(jì)速度100km/h,內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)高程距拱頂高度7.94m,凈寬15.618m。左幅全長1429m,右幅全長1417m,最大埋深約181m。隧道左右幅線間距20~22m。隧道左右幅均為單面坡,左右幅縱坡均為-2.75%。

        場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)粘土、堆積體(Qc)塊石土;下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)薄~中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)灰?guī)r夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r。

        隧址區(qū)地表巖溶較發(fā)育,勘察階段查明隧址區(qū)分布有1處巖溶洼地和6處巖溶溶洞及ZK2揭露兩段鉆孔巖溶,溶洞向下發(fā)育可能延伸到隧道開挖區(qū)。

        圖1 某在建高速隧道工程地質(zhì)縱斷面圖

        2 巖溶管道發(fā)育情況

        該隧道從出口端向進(jìn)口端掘進(jìn)施工,當(dāng)隧道上半斷面施工至ZK18+500處時(shí),掌子面右側(cè)拱腰發(fā)現(xiàn)小型溶洞,溶洞內(nèi)水量較小。隧道掘進(jìn)施工至ZK18+485斷面時(shí),揭露發(fā)現(xiàn)該溶洞前后貫通成一大型巖溶管道,該管道與地表巖溶洼地W1內(nèi)溶洞相連通,其縱向約長420m,寬度約5~30m,高度3~30m,ZK18+485處溶洞底板距離地表溶洞口垂直高差約208m,且沿巖層傾向向兩端發(fā)育,向下緊鄰左洞發(fā)育,發(fā)育至ZK18+545右下方處后見水潭,溶洞在此處局部發(fā)育變平緩,其中ZK18+500~ZK18+545段隧道底板至溶洞頂板的巖體厚度為0~25m,隧道兩側(cè)一定范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯支洞。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪并結(jié)合斷面實(shí)測(cè),進(jìn)行數(shù)據(jù)整合,大致查明該管道與隧道的交叉關(guān)系如圖2。

        該巖溶管道內(nèi)有季節(jié)性流水,主要為巖溶裂隙水、巖溶溶洞水及地表匯水,觀測(cè)期間流量為2~5L/s。管道發(fā)育形態(tài)呈不規(guī)則圓柱體,頂板形態(tài)整體呈不規(guī)則弧形,且伴有滴水現(xiàn)象,頂板和巖壁以及地面可見少量鐘乳石、石筍、石柱。受貫通性節(jié)理切割及風(fēng)化裂隙影響,溶洞頂板巖體整體穩(wěn)定性差。

        巖溶管道底部及側(cè)壁半充填有崩塌積塊石,少量沖洪積卵石土,其間為粘土充填,部分巨石零星堆積呈架空狀態(tài),厚度3~10m,塊石、卵石成分大部分為深灰色灰?guī)r,少量為紫紅色泥質(zhì)粉砂巖,塊石塊徑20~200cm不等,最大達(dá)5m。巖溶管道內(nèi)充填物在水流及風(fēng)化剝蝕、重力作用下易垮塌、滑移失穩(wěn),以及造成水流通道部分阻斷后局部地下水水頭的抬升,導(dǎo)致水壓的激增,均對(duì)隧道結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。巖溶管道現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3。

        圖2 巖溶管道與隧道平面位置關(guān)系圖

        圖3 巖溶管道現(xiàn)場(chǎng)照片

        結(jié)合施工圖階段勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪成果,可以明確巖溶管道沿著三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r巖體內(nèi)部發(fā)育,管道底部部分與三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥質(zhì)粉砂巖接觸。隧道區(qū)及巖溶管道地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給。該巖溶含水介質(zhì)通道管道化程度較高,其流量動(dòng)態(tài)對(duì)降雨十分敏感,根據(jù)隧道地形及水文地質(zhì)條件,通過降水入滲法對(duì)通道涌水量進(jìn)行計(jì)算,預(yù)測(cè)巖溶管道最大涌水量Q=26435.3m3/d。根據(jù)工程所在地氣象降雨資料收集,隧址區(qū)歷史最大日降雨量發(fā)生期間,2h內(nèi)峰值降雨量達(dá)156.4mm,由此估算巖溶管道內(nèi)1h峰值涌水量達(dá)到Q1=12254.0m3/h。

        3 巖溶管道處治設(shè)計(jì)方案

        3.1 巖溶管道形成機(jī)理分析

        隧道所處地區(qū)降雨量豐富,地表高低不平,局部存在洼地,地表的有利地形易收集匯聚地下水,為巖溶通道的形成提供了充沛的地下水條件。該巖溶管道位于可溶巖與非可溶巖的交界地帶,易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道。該巖溶管道整體位于三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r巖體中,該灰?guī)r純度較高,為典型的巖溶卡斯特地區(qū)碳酸鹽巖層類型,而巖溶管道的底部為三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)泥質(zhì)粉砂巖,泥質(zhì)粉砂巖透水性差,灰?guī)r中滲出的地下水易集聚在泥質(zhì)粉砂巖巖層層面發(fā)生流動(dòng),最終形成巖溶通道。

        3.2 隧道巖溶管道處治思路

        隧道施工中遇見的一般溶洞,是根據(jù)溶洞具體情況采用回填、強(qiáng)支護(hù)、帷幕注漿、跨越等方式進(jìn)行處治。巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理,一是巖溶管道發(fā)育規(guī)模較大,一般縱向發(fā)育長度長,與隧道的交叉關(guān)系復(fù)雜,不能單純采用一兩種方案進(jìn)行處治。二是巖溶管道或通道是地下水的流通排泄通道,不能簡單一填堵之,要預(yù)留好排水通道,并保證不對(duì)結(jié)構(gòu)造成較大影響[2-8]。

        3.3 隧道巖溶管道處治設(shè)計(jì)方案

        根據(jù)巖溶管道與隧道的相對(duì)位置關(guān)系,巖溶管道對(duì)隧道的影響長度約80m。

        3.3.1隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理

        巖溶管道與隧道呈斜交方式,為保證溶洞頂板的穩(wěn)定性,防止出現(xiàn)大范圍坍塌,采用“分段清危,混凝土墻支頂,錨噴防護(hù)”的溶洞防護(hù)方案。根據(jù)隧道輪廓與溶洞的相互位置關(guān)系,采用不同的襯砌加固方式。隧道由出口往進(jìn)口施工,目前掌子面上臺(tái)階已經(jīng)施工到ZK18+485位置,對(duì)ZK18+450~ZK18+485未開挖段襯砌進(jìn)行加強(qiáng),初支工字鋼調(diào)整為I20b型鋼拱架,間距60cm,二襯采用55cm厚鋼筋混凝土;ZK18+485~ZK18+520已開挖段維持原設(shè)計(jì)襯砌支護(hù),采用I16型鋼拱架,間距80cm,二襯為45c厚鋼筋混凝土,并對(duì)隧道一側(cè)的巖溶管道進(jìn)行支擋回填及防護(hù)處理;巖溶管道位于ZK18+520~ZK18+530段隧道下部,對(duì)該段增設(shè)40cm厚仰拱混凝土,使其封閉成環(huán),并對(duì)二次襯砌進(jìn)行配筋加強(qiáng)。

        當(dāng)隧道邊墻或拱頂處于溶腔內(nèi)時(shí),先在隧道邊墻初支外側(cè)施工C20混凝土擋墻,并以擋墻及隧道初支為模板,在隧道拱頂回填C20混凝土。ZK18+463~ZK18+475段由于空腔較大,在擋墻上立好模板后可通過預(yù)留泵送管泵送回填混凝土,拱頂回填混凝土作為運(yùn)營期的護(hù)拱。

        圖4 巖溶管道與隧道交叉處典型結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)圖

        3.3.2隧道排水處理

        隧道ZK18+463~ZK18+493段占用了原有巖溶管道的排水空間,需重新開挖出排水通道,在隧道與巖溶管道接觸帶通過新挖排水溝及排水暗洞進(jìn)行排水,ZK18+463~ZK18+475段及ZK18+487~ZK18+493段隧道所占用原有巖溶管道排水空間相對(duì)不大,通過在巖溶管道周邊新挖排水溝進(jìn)行引排疏水。排水溝靠近隧道側(cè)溝幫為現(xiàn)澆C20混凝土擋墻,擋墻主要起防沖刷和保護(hù)隧道側(cè)墻的作用,確保擋墻及排水溝溝身整體穩(wěn)定,排水溝從進(jìn)口往出口方向引流。

        ZK18+475~ZK18+487段在隧道主洞右側(cè)開挖排水暗洞,根據(jù)極端情況下每小時(shí)最大涌水量,排水暗洞設(shè)計(jì)凈寬2.5m,凈高3.95m。拱部噴射混凝土厚度為20cm,并設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng),其余側(cè)壁掛網(wǎng)及噴10cm厚C25混凝土,排水溝溝身采用30cm厚C20鋼筋混凝土,為了便于清理巖溶管道內(nèi)水流沖擊帶來的泥沙,在ZK18+490處設(shè)置3.5m×3.0m的檢修通道,通道入口處采用密閉式雙開鋼板門,密閉門需滿足抗洪水沖擊的能力,檢修通道在擋墻內(nèi)的部分設(shè)置成階梯狀。排水暗洞設(shè)計(jì)圖見圖5。

        圖5 排水暗洞設(shè)計(jì)圖

        4 隧道巖溶管道處治施工方案

        施工過程中,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況先對(duì)溶腔頂部的危石進(jìn)行清除,再對(duì)溶洞側(cè)壁及頂部噴10cm厚C25混凝土,確保穩(wěn)定后再進(jìn)行施工。在巖溶管道和隧道中夾巖柱較薄段施工時(shí)需采用小藥量爆破,控制一循環(huán)進(jìn)尺不大于兩榀拱架間距,盡量減少對(duì)隧道與溶洞間的中夾巖體的擾動(dòng)。由于隧道為雙向六車道隧道,隧道自身寬度較大,同時(shí)還需在一側(cè)施工排水溝及防護(hù)擋墻,施工垮度大,施工工序復(fù)雜,采用如下分步施工方案,按①~⑩的施工順序進(jìn)行施工,設(shè)工方案設(shè)計(jì)圖見圖6。

        圖6 穿巖溶管道處與隧道施工方案設(shè)計(jì)圖

        施工中按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ順序分部開挖,每部開挖后施作相應(yīng)的初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)①、②、⑥,全斷面開挖完成后及時(shí)施作仰拱⑧,然后進(jìn)行仰拱回填⑨和施作二次襯砌⑩;導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)采用I18工字鋼作為加勁拱架,拱架間距60cm,采用20鋼筋連接,連接鋼筋環(huán)向間距100cm,導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)拱架應(yīng)與初期支護(hù)拱架焊接牢固;初期支護(hù)⑥未施工之前不得拆除臨時(shí)支護(hù)①,在主洞初期支護(hù)⑥施工前逐段拆除,導(dǎo)坑臨時(shí)支護(hù)拆除后及時(shí)施工仰拱及二次襯砌。

        5 結(jié)論

        (1)通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、鉆探等手段查明了巖溶管道的發(fā)育情況及1h峰值涌水量,并給出了巖溶管道與隧道的位置關(guān)系,為工程后面處治提供了詳實(shí)的地質(zhì)基礎(chǔ)資料。

        (2)巖溶管道不同于一般巖溶溶洞,其管道化程度高,管道內(nèi)地下水流速快,短時(shí)間內(nèi)能形成大規(guī)模的高勢(shì)能地下水,其流量動(dòng)態(tài)對(duì)降雨十分敏感。

        (3)巖溶洼地等地形是形成巖溶通道的良好天然條件,同時(shí),在可溶巖與非可溶巖的交界地帶,易受兩套不同透水性巖層的邊界影響而在接觸部位形成過水通道,工程中需加強(qiáng)重視。

        (4)巖溶管道處治不同于一般的巖溶溶洞處理,既要保證隧道結(jié)構(gòu)安全,同時(shí)要預(yù)留好排水通道,二者相輔相成,需并重處治,同步考慮。

        (5)針對(duì)大跨度隧道穿越巖溶管道情況,施工工序復(fù)雜,交叉段施工風(fēng)險(xiǎn)高,設(shè)計(jì)方案需重點(diǎn)考慮施工的可操作性和安全性,對(duì)經(jīng)論證后的施工方案需嚴(yán)格按施工步驟施工,確保安全。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)有機(jī)結(jié)合巖溶管道發(fā)育特征和隧道結(jié)構(gòu)物情況進(jìn)行處治設(shè)計(jì)和科學(xué)施工。

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