宜万铁路隧道岩溶规模化处治技术

薛 斌,申志军

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063;2.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

宜万铁路隧道岩溶规模化处治技术

薛 斌1,2,申志军2

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063;2.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

宜万铁路是目前国内外已建和在建工程中岩溶及岩溶水最发育、最复杂的工程,159座隧道中岩溶隧道占91座,采取结构措施处理的岩溶共1088处,岩溶的类型主要分为暗河、管道、贫水溶洞、富水溶洞以及裂隙和断层,针对相同类型的岩溶,采取了规模化的处理措施,主要有注浆加固、溶腔防护加固、分水降压、释能降压、迂回绕避和隧底溶腔桩基、注浆、钢管桩、加强板、拱桥等溶腔处治技术。

宜万铁路;岩溶隧道;规模化处治

1 工程概况

宜万铁路东起宜昌,西至万州,全长377km,是我国目前在建的地质条件最为复杂的工程,线路位于云贵喀斯特高原之东北缘的鄂西山地,在流域上主要位于长江一级支流的清江流域,该流域在大地构造上属于新华夏系第三隆起带北北东向构造带与长江中下游东西向构造的复合部位。区内地质构造复杂、碳酸盐岩广布,岩溶强烈发育,地势陡峻、河谷深切,自然坡度一般大于30°,最高海拔1800余m,海拔最低处不足100m,相对高差一般在200～800m。

岩溶隧道分布主要集中在土城、长阳至齐岳山,该段由于碳酸盐岩广泛分布,岩溶地貌发育。全线隧道159座,总长约338km,岩溶隧道(隧道洞身穿越可溶岩地段)有91座,占全线159座隧道比例为57%,总长度239.349km,占全线隧道总长度的69%,其中隧道洞身位于可溶岩地层长度195.741km,占全线隧道总长度的58%。长度3km以上的岩溶隧道27座。

2 岩溶特征与分类

宜万铁路隧道工程岩溶强烈发育,岩溶及岩溶水极其复杂,是制约工程建设的突出问题。宜万铁路浅埋隧道一般都位于岩溶的垂直发育带中、深埋隧道基本都位于岩溶季节变动带和水平循环带的交界部位。岩溶发育的垂向变化与水流运移交替相一致,自地表向下可分为:垂直渗流带、季节变动带、水平径流带和深部循环带。垂向渗流带以溶蚀裂隙、溶缝、管道的纵向渗流、管流为主;季节变动带以溶洞、管道及地下河紊流为主;水平径流带以管道、溶隙的层流为主;饱水缓流带以溶隙、裂隙渗流为主。岩溶水在垂直循环带或水平循环带内运动的过程中,常切穿各组灰岩地层,汇集于各向斜轴部、背斜的两翼、隔水岩层界面、深切溪沟等处。

根据宜万铁路所揭露岩溶的规模、充填情况、水文地质情况及对工程的影响情况,岩溶分为暗河、管道、溶腔、溶隙涌水(表1)。宜万铁路隧道工程揭示需采取工程措施的岩溶1088处,溶腔约占90%;裂隙约占3%;管道约占7%;暗河主要在野三关隧道和五爪观隧道有揭露。从揭示溶腔的数量、规模及对工程的影响程度统计,宜万铁路隧道岩溶发育率与地表埋深的关系成反比,即垂向渗流带岩溶发育程度高,深部循环带岩溶发育程度低,但深部循环带揭示的高压富水溶腔,由于溶腔水压高、水量大、充填介质可注性差等特点,极易发生突水突泥风险。如图1～图4所示。

表1 宜万铁路隧道揭示岩溶分类

宜万铁路隧道揭示大量岩溶、岩溶水地质问题,为溶腔的规模化处治提供了前提条件。在宜万铁路建设过程中,通过对岩溶工程的处治,形成了针对不同岩溶、岩溶水较为系统的处理方案。

图1 大型富水充填淤泥溶洞

图2 大型充填泥砾块石溶洞

图3 暗河水及堆积物

图4 全充填黏土夹块石大型溶洞

3 岩溶处治技术

宜万铁路岩溶隧道在施工过程中,通过对溶腔规模化处治,较为系统地研究了注浆、溶腔防护加固、隧底跨越、岩溶水引排、绕避迂回等技术的适用条件和技术措施,创新了释能降压工法。宜万铁路隧道岩溶的规模化处治的应用和推广,推动了岩溶处治技术水平的提高,增强了决策岩溶处理方案的时效性和正确性。

3.1 注浆技术

(1)注浆技术的应用

注浆在宜万铁路岩溶处理中广泛应用,应用范围包括超前加固地层、超前注浆堵水、基底加固提高地基承载力、开挖后封堵裂隙水等。见表2。

表2 宜万铁路隧道岩溶工程注浆技术应用情况

(2)信息化注浆技术

全断面帷幕注浆的基本思路是,假定地层是均匀的,设计时需要对松弛区进行注浆加固(堵水加固),而实际施工过程中,地层是不均匀的,具有不均匀的透水性,外侧水压力也是不均匀分布的。因此往往造成局部孔很难注入,对地层改良效果难以达到全断面帷幕注浆的目的,从而增加大量的钻孔工程量,影响施工进度,增加了工程投入。因此在注浆施工过程中,必须根据地层实际情况进行合理化设计。

宜万铁路通过齐岳山F11高压富水断层注浆研究,提出了信息化注浆技术。信息化跟踪注浆工法是通过“分区定位、锁定水源,外堵内固、局部加强”的手段对高压富水地层进行堵水和加固,注浆效果好。与全断面帷幕注浆工法相比,在注浆循环时间上可以缩短一半,工程投入上可以节省50%。信息化跟踪注浆工法的研究是注浆技术的一次重大飞跃,它使注浆技术由原来的粗放化过渡到精细化,填补了国内外注浆技术的一项空白,具有广阔的应用前景。

3.2 岩溶大厅溶腔防护加固

由于岩溶发育的特性、山区岩溶隧道选线的地质复杂性、选线线位的局限性(受车站位置、线路纵坡的双重控制),隧道线位高程位于垂直渗流带、季节变动带、水平径流带附近时,均可能遭遇与线位相交的大型岩溶大厅,岩溶大厅一般为半充填或无充填的大型溶洞,一般无水或雨季期间承接过路水。岩溶大厅处治过程中最主要的风险源是溶腔顶部的危岩落石对施工安全的影响,由于岩溶大厅发育的不规则性、危岩落石的不确定性,极大地增加了隧道穿越岩溶大厅的处理难度和施工风险。

岩溶大厅溶腔防护的处治技术和安全注意事项如下。

(1)揭示溶腔:通过超前预报锁定溶腔靠开挖侧的溶腔界面,通过水文分析,对无水溶腔原则采用爆破揭示,爆破揭示前做好相关安全防护工作,防止隧底隐伏岩溶塌陷造成机械人员坠落。

(2)岩溶大厅初步勘测:岩溶大厅揭示后,应立即做好岩溶大厅周边警戒工作。由于爆破对岩溶大厅的影响,原则上不应立即进入大厅内勘测。同时应停止岩溶大厅影响范围内的爆破作业,一般在岩溶大厅揭示2d后,经观察确定岩溶顶板基本稳定后,由少量人员(3人以下)进入岩溶大厅进行初步勘察,勘察时应做好相关安全防护措施,并选择合理的行走线路。

(3)岩溶大厅的顶板加固与防护:根据岩溶大厅与隧道线位的空间关系,确定岩溶大厅的防护加固范围和工程措施。

①岩溶大厅主要发育在隧顶以下高程:做好隧底防护工作,必要时可局部先回填隧底空腔形成作业平台。

②岩溶大厅顶板位于隧顶以上:逐步推进采用机械清除隧道影响范围溶腔顶部可能塌落的危石;对隧道范围内岩溶大厅顶板,一般采用护墙支顶、立柱支顶以减小凌空面进行加固;对立柱支顶高度过高,可采用拱罩防护。

③辅助坑道遭遇大型岩溶大厅,一般选择迂回绕避通过。

3.3 隧底跨越

隧底溶腔的处理方式有基底换填、注浆(钢管桩)、板(梁)跨越、拱桥跨越、桩基承台、路基填筑等形式,在选择隧底处理方案时,应遵循以下3个原则:一是施工方案的风险性应小,二是施工方案的可操作性,三是尽量减少运营期间沉降的隐患。宜万铁路隧道岩溶工程隧底处理方案见表3。

表3 宜万铁路隧道岩溶工程隧底处理方案

3.4 迂回绕避

在遭遇大型溶腔时,充分认识和利用岩溶的可绕避性,合理进行施工组织安排。

(1)正线探遇大规模溶腔时,坚持两条腿走路:一是通过超前探测探清溶腔规模和溶腔对隧道施工的影响,确定施工方案;二是综合分析地质情况,通过超前探孔确定迂回方案,及时调整施工组织,确保工期目标的实现。

(2)辅助坑道探遇大规模溶腔时,应进行绕行与溶腔处理的方案比选,在不影响辅助坑道使用功能的前提下,应优先考虑迂回绕避,以达到节约时间、节省投资的目的。

3.5 释能降压

针对高压富水充填溶腔,铁道部宜万铁路建设指挥部经过长时间研究和工程实践探索,提出了释能降压法。经专家论证,并经野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐隧道高压富水充填溶腔验证,实现了高压富水充填溶腔重大突破,保证了施工安全,节省了投资。

释能降压法是指在隧道施工中遇到高压富水充填溶腔时,选择适当时机采取有计划、有目的精确爆破,把溶腔爆开,释放溶腔中储存的高压水,削减势能,降低泥水压力,从而消除隧道施工中的高风险,然后进行安全清淤、加强支护、快速通过、及时施作底部结构和二次衬砌等配套处治措施,来完成溶腔段施工的一种新的施工方法。释能降压法包括查找溶腔、判释溶腔、锁定溶腔、打开溶腔、处治溶腔5个阶段,在释能降压实施过程中,通过水文监测、洞外排水系统、洞外警戒系统、洞内排水线路、洞内相邻洞室分隔、洞内外预警监控系统、进洞条件、进洞观察安全撤离线路等八项专项设计的实施,确保施工安全。

释能降压法处理高压富水充填溶腔是富水岩溶处治技术的思想创新,它突破了传统的注浆法、冻结法,其技术丰富、全面、先进、可靠,是一项针对高压富水充填溶腔处治的创新工法。通过宜万铁路多个高压富水充填溶腔的实践检验,释能降压法是安全的、快速的,工期和造价是合理的、科学的,它填补了国内外高压富水充填溶腔处治技术的一项空白。

3.6 岩溶水治理技术

宜万铁路岩溶水系统类型规模不等、形态复杂、类型各异,根据控制岩溶水系统的地质构造以及岩溶地下水系统的补给、径流、排泄条件,将岩溶地下水系统划分为向斜汇水集中排泄型;向斜汇水分散排泄型;背斜汇水集中排泄型;背斜汇水分散排泄型;带状径流排泄型5种类型。根据岩溶水对隧道工程的影响,按垂直渗流带过路水(过水管道)、岩溶裂隙水、高压富水溶腔、接通暗河水等类型进行划分。岩溶水治理技术见表4。

4 工程案例:龙麟宫隧道DK231+796溶腔处理(龙麟宫2号溶腔)

龙麟宫隧道掌子面掘进DK231+796处,揭示一特大型溶腔,溶腔纵向发展约100m,横向发展约150m,溶腔顶板在轨面以上10～20m,溶腔底板在轨面以下12～20m。溶腔开挖揭露的灰岩层厚为50～80cm,近水平产状,局部软弱夹层,溶腔顶部不稳定,有大块岩石岩沿软弱层面剥落。该溶腔为古暗河通道,雨季时承接部分过路水。溶腔处理方案如下。

表4 宜万铁路隧道岩溶水治理对策

(1)迂回导坑绕行:为解决DK231+796掌子面受阻,溶腔段采用迂回导坑绕行。

(2)溶腔防护:①采用机械清除溶腔顶部可能塌落的危石,隧道两侧8m范围以内搭设满堂支架顶至溶腔顶板进行锚喷网防护;②立柱支顶:溶腔大厅段采用φ1.4m的立柱支顶,根据“永临结合”的原则,隧道每侧设置2排。

(3)隧道结构:隧底空腔段(DK231+705～DK231+735)采用路基填筑+整体隧道结构;“鹰嘴”段(DK231+735～DK231+755)为控制隧道结构的不均匀沉降,右侧隧底钢管桩加固,上部采用偏压式隧道结构;大厅段(DK231+755～DK231+796)隧底充填洞砟及深层充填型溶腔采用钢管桩及注浆加固相结合处理措施,上部采用框架结构支顶。如图5～图11所示。

图5 DK231+796大型溶腔平面(单位:cm)

图6 溶腔顶板

图7 溶腔落石

图8 溶腔大厅立柱支顶

图9 路基填筑段处理典型横断面

图10 鹰嘴段处理典型横断面

图11 溶腔大厅段处理典型横断面

5 体会

宜万铁路岩溶隧道在施工过程中,通过对溶腔规模化处治,研究了注浆技术、溶腔防护加固、隧底跨越技术、岩溶水引排、绕避迂回等技术的适用条件和技术措施,创新了释能降压工法,为今后类似工程提供了借鉴。宜万铁路岩溶隧道在施工过程中,通过对溶腔规模化处治,较为系统地研究了注浆、溶腔防护加固、隧底跨越、岩溶水引排、绕避迂回等技术的适用条件和技术措施,创新了释能降压工法。宜万铁路隧道岩溶的规模化处治的应用和推广,推动了岩溶处治技术的提高,增强了决策岩溶处理方案的时效性和正确性。

[1] 申志军.宜万铁路岩溶隧道施工地质技术[J].中国工程科学, 2009(11).

[2] 朱鹏飞.宜万线隧道工程施工地质超前预测预报策划与应用效果评价[J].现代隧道技术,2005(5).

[3] 黄鸿健,张民庆.宜万铁路隧道工程岩溶及岩溶水分析与应对[J].现代隧道技术,2009(2).

[4] 黄鸿健,薛 斌.龙麟宫隧道穿越大型溶腔处理技术[J].中国工程科学,2009(11).

U452.2+7

B

1004 -2954(2010)08 -0068 -04

2010 -06 -10

薛 斌(1982—),男,助理工程师,2004年毕业于西南交通大学,E-mail:tsyxb@vip.163.com。