宜万铁路鲁竹坝2号隧道“+960”溶洞治理技术

2010-05-08刘彬

铁道标准设计 2010年8期

关键词：隧底溶洞岩层

刘彬

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

宜万铁路鲁竹坝2号隧道“+960”溶洞治理技术

刘彬

(铁道部工程管理中心,北京 100844)

宜万铁路鲁竹坝2号隧道施工中遭遇纵向长250m、横向宽60m、高58m的特大型半充填溶洞,根据溶洞工程、水文地质条件及隧道工程修建技术特点,本着“宁强勿弱、一次根治、不留后患”的处理原则,在理论分析与工程类比的基础上对该溶洞采用了护墙支顶、加强隧道结构、桩基承台结构、隧底钢管桩注浆加固及混凝土回填等多种岩溶处理技术,工程实践取得的效果较好,可为相似工程提供参考。

宜万铁路;岩溶隧道;溶洞治理;特大半充填溶洞;桩基承台结构;钢管桩注浆加固

1 隧道概况

鲁竹坝2号隧道是宜万铁路26座Ⅱ级风险隧道之一,位于恩施市白杨坪镇鲁竹坝村严家槽—龙凤镇窑湾一带,为2条单线隧道,Ⅰ线(左线)全长5140m,Ⅱ线(右线)全长5098m,线间距30m。隧道最大埋深360m,隧道区地表出露地层以海相沉积的碳酸盐岩为主,岩溶洼地、落水洞、漏斗等岩溶形态遍布,岩溶强烈发育,隧道施工频繁遭遇大型溶洞、管道、物溶蚀裂隙等不良地质体,治理技术难度大、施工风险高。

2 “+960”溶洞地质条件

2.1 溶洞形态、规模

“+960”溶洞纵向长250m、横向宽60m、高58m,属特大型半充填溶洞。其中ⅡDK204+960～ⅡDK205+030段溶洞呈扇形分布,主要发育在隧底及左边墙以外,纵向长70m,左边墙外横向发育宽度0～15m,溶空洞竖向发育高度2～10m,空洞以下为块石土、粉质黏土夹碎石、黏土等软弱层充填,最深达40余m。ⅡDK205+030～ⅡDK205+210段溶洞呈廊道形分布,主要发育在隧底及右边墙以外,空洞段纵向长190m,右边墙外横向发育宽度0～38.3m,空洞高4～58m,空洞以下为黏土、黏土夹碎石、粗砂等软弱层充填,黏土为软塑状,发育深度6～11m,隧底距溶洞顶板间灰岩层厚度为3.0～9.0m。以上两段溶洞通过隧底隐伏溶洞相连。溶洞发育平面见图1。

图1 溶洞平面

2.2 工程地质条件

“+960”溶洞位于龙凤坝背斜轴部附近,埋深约120m,地层为三叠系下统嘉陵江组中段中厚～厚层微晶灰岩,局部夹溶崩角砾岩,岩层产状N28W/NE16°～N45W/NW20°,略有柔皱现象,构造裂隙和溶蚀裂隙较发育。受节理切割影响,溶洞顶部周边岩体破碎,局部地段洞顶附有黏土等充填物,易发生掉块,块体直径1～2m。溶洞底部堆积物为黏土、黏土夹碎石,偶见大块石,黏土为红褐色,软塑状;粉质黏土夹碎石,褐色,稍密,砾石为弱风化灰岩,呈次圆状,粒径2.0～3.0 cm,含量约60%;粗砂,褐色,稍密饱和,较均匀(图2);溶洞段围岩级别为Ⅲ级。

图2 溶洞地质纵断面

2.3 水文地质条件

“+960”溶洞处于水平迳流带和垂直渗漏带的接触部位,属早期岩溶,为古过水通道,岩溶发育高程位于地下水位之上,与现地下暗河系统、浅近排泄基准面高差较大,根据区域水力坡度情况分析,地下水位在溶洞地段发育高程为520～545m(位于溶洞底板以下30～56m),雨季时承接过路水。地下水对本岩溶洞体进行竖向补给,溶洞在洞顶沿竖向裂隙补给,表现形式为滴渗水,排泄途径有2条:一是通过岩溶裂隙向底部隐伏岩溶管道排泄,另外一种是通过ⅡDK205+070附近落水洞向下方集中排泄。根据降水入渗法推算,溶洞雨季最大流量为4200m3/d。从溶洞揭露以来,经过雨季的观测,溶洞内无明显积水,表明溶洞所承接的过路水通过各种渠道渗入地下,溶洞自身的排泄通道能够满足过水要求。

3 “+960”溶洞综合治理

3.1 总体思路

根据“+960”溶洞形态、规模及地质条件,按照“宁强勿弱、一次根治、不留后患”的原则进行治理,按照溶洞发育情况及其与隧道间相互关系将该溶洞分为以下3段。

(1)ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段:拱墙外空洞规模较小,采用混凝土挡墙支顶防护。隧底不规则发育多层充填溶洞,岩层破碎、充填物软弱、隧底承载力低,充填物最深发育至隧底以下40m,为避免工后沉降,满足后期铺设无砟轨道的要求,隧底采用桩基承台结构。

(2)ⅡDK205+075～ⅡDK205+148段:拱墙以外存在隐伏岩溶空洞,局部地段与溶洞壁间岩体厚度较小,类比相似工点处理方案并借鉴相关科研成果辅以验证,分析结论认为岩体厚度在安全范围内,不存在整体失稳、垮塌的可能性,故该段拱墙不做特殊处理。隧底以下存在3～9m厚的中厚层灰岩,岩层完整性较好,岩层以下为5～11m厚的黏土层,承载力较低,且充填物顶面与岩层底面间存在空隙,为避免工后沉降,确保运营安全,需要改善隧底黏土层承载能力。经过多种方案比选,最终选定为隧底钢管桩注浆加固。

(3)ⅡDK205+148～ⅡDK205+210段:拱墙与周围溶洞间距离大于15m,围岩稳定性较好,不需做特殊处理;隧底局部发育相对封闭的空溶洞,空洞与隧底间存在5～8m厚的岩层,采用混凝土回填处理。

3.2 治理措施

3.2.1 溶洞监测及防护

为确保溶洞处理施工安全,溶洞揭示后,需要加强溶洞顶部稳定性及围岩的稳定状态监测,设置监测点,监测溶洞顶部危石松动及顶板位移、变形情况及围岩及支护结构的稳定状态;根据施工需要,对工程活动影响范围内的洞壁危石进行清理,清危后,对溶洞壁及孤立岩体采用喷锚网防护,网喷C20混凝土厚15cm, φ6mm钢筋网,网格为25cm×25cm,φ22mm砂浆锚杆长6.0m,间距1.5m×1.5m,必要时设置I16型钢钢架嵌补。

3.2.2 ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段

该段隧道拱、墙外溶洞发育宽度小于3m处采用C20混凝土回填;拱、墙外溶洞发育宽度大于3m处施作3m厚C20混凝土护墙,当护墙基础为溶洞充填物时,为确保护墙基础稳定,充分发挥支顶效果,在护墙底部(隧底高程处)设置1.0m厚C20混凝土纵梁,纵梁内设置I18纵向型钢,横向间距0.5m,纵梁基底采用φ108mm钢管桩注浆加固至基岩面以下0.5m,间距1.0m×1.0m。ⅡDK204+960～ⅡDK205+075段隧底基础采用桩基承台结构,承台为2.5m厚C20混凝土,共分为4节,桩基础采用桩径1.25m的钻孔灌注桩,桩间距4.34m×3.0m(横向×纵向),桩长6.5～42m,每排布置两根,沿线路方向共布置37排,共计74根桩。为满足运营期溶洞排水需要,在桩基承台段每节承台下预埋1根直径1.0m钢筋混凝土圆管作为基础下排水通道,将溶洞过路水引至ⅡDK205+070附近线路右侧落水洞。该段隧道结构采用加强型复合式衬砌,初期支护采用20cm厚网喷混凝土,根据溶洞发育情况局部设置I16型钢架,二次衬砌采用40cm厚C35钢筋混凝土。衬砌结构见图3,溶洞处理典型断面见图4。

图3 溶洞段衬砌断面(一)(单位:cm)

3.2.3 ⅡDK205+075～ⅡDK205+148段

拱墙外岩层安全距离预测:溶洞右侧边墙外存在隐伏岩溶,为了确定隧道开挖后边墙与溶洞壁之间岩层稳定状况,是否会发生失稳、垮塌等安全隐患,在经验类比的基础上,参照相关研究成果,对该段的岩层安全厚度采用数学模型进行安全厚度预测。

式中 A——围岩水平;

λ——围岩侧压力系数;

D——溶洞跨度,m;

R——溶洞高跨比;

H——隧道埋深,m;

k——安全系数;

S——隧道与溶洞间的临界安全距离,m。根据溶洞发育情况本段共选取ⅡDK205+102、ⅡDK205+130、ⅡDK205+138三个典型断面,将各断面设计参数输入式(1),计算结果见表1。

图4 溶洞段处理典型横断面(一)

表1 “+960”溶洞典型断面边墙外安全距离预测结果

以上计算结果表明,隧道拱墙周围岩体厚度均在安全距离范围内,该段拱墙外溶洞不需做特殊的加固处理,但是考虑到溶洞处理时部分工程需要在溶洞内完成,为了确保施工安全,避免洞壁掉块等事故的发生,对局部施工活动范围做必要的锚喷网防护,同时,施工中应严格采用控制爆破技术,减小对洞壁的扰动,避免引起溶洞规模的进一步扩大,影响隧道安全。

为确保长期隧道运营安全,本段隧底采用φ108mm钢管桩注浆加固隧底溶洞填充物及其与岩层之间的空隙,提高隧底承载能力。钢管间距2.0m×2.0m,嵌入基岩深度不小于0.5m,注浆材料为0.6∶1～1∶1水泥浆,注浆压力1.5～2.0MPa,对局部隧底岩体倒悬拖空处采用混凝土回填支顶。隧道结构采用复合式衬砌,初期支护采用20cm厚网喷混凝土,根据溶洞发育情况局部设置I16型钢架,二次衬砌采用40cm厚C35钢筋混凝土。衬砌结构见图5,溶洞处理典型断面见图6。

图5 溶洞段衬砌断面(二)(单位:cm)

图6 溶洞段处理典型横断面(二)(单位:cm)

3.2.4 ⅡDK205+148～ⅡDK205+210段

该段隧底发育空洞规模较小,对隧底空洞采用C20混凝土回填。根据溶洞发育情况,为隧底回填混凝土施工需要,在ⅡDK205+190隧道线路中线处设置1处施工竖井,内净空直径1.5m,竖井采用20cm厚C20混凝土护壁,必要时设置钢圈梁支撑,回填前应清除溶洞内积水,并对原底部充填物进行平整、夯实。隧道结构采用复合式衬砌,衬砌结构见图5,溶洞处理典型断面见图7。

3.2.5 “+960”溶洞施工次序