隧道中特大型厅堂式岩溶处理方案比选

傅鹤林,熊毅



隧道中特大型厅堂式岩溶处理方案比选

傅鹤林,熊毅

(中南大学土木工程学院, 湖南长沙, 410075)

位于湖南省永吉高速第4合同段的那丘隧道左线主洞掌子面施工至K14+513处, 发现K14+350～520段大型溶洞, 为廊道厅堂式大型岩溶。通过对水文地质分析, 提出了改桥、回填和改线3种方案对溶洞进行处理, 以排除隐患。用施工难度和工程造价2个主要因素对3种方案进行了比选, 最终选择了最优的回填方案对溶洞进行处理。

那丘隧道; 厅堂式岩溶; 处理方案; 比选

那丘隧道, 位于湖南省永吉高速第4合同段, 为长隧道。左线K12+060～K14+935, 长2 875 m, 右线K12+060～YK14+920, 长2 860 m。隧道基本为东西走向, 西端永顺端洞口位于猛洞河岸边, 接猛洞河大桥。该隧道所处地貌属于岩溶中低山地貌, 隧道沿线地形起伏较大, 地面高程在427.06～640.27 m之间, 隧道最大埋深约185 m。隧道段不良地质为岩溶, 岩溶型态以竖直方向的岩溶塌陷为主, 其次有浅表的溶蚀沟槽。详勘时发现隧道出口段发育有4个较大的岩溶塌陷坑, 1号岩溶塌陷坑发育于K13+730左90 m, 2号岩溶塌陷坑发育于K14+000右85 m, 3号岩溶塌陷坑发育于K14+360左20 m, 4号岩溶塌陷坑发育于K14+600左100 m。本次发现的厅堂式溶洞基本位于3, 4号塌陷坑的下方, 其平面图见图1。该溶洞具有规模大(纵向长度近200 m)、走向基本与左洞轴线一致、部分段落存在高位半隧道挂壁、溶洞底板较隧底落差较大(最高达38 m、纵向长度近90 m)和处治风险极高等特殊性。

图1 厅堂式隧道与线路的平面关系

根据以往的工程处置经验, 当隧道基地溶洞纵向发育范围较大, 基底的深度达到20～30 m时, 可采用桥梁的方式进行处治[1], 如宜万铁路鲁竹坝2#隧道DK204+610～+775特大型溶洞采用了桥梁的形式进行处治。当溶洞规模大时, 也常采用填充回填的形式进行处治[2–3], 如龙麟宫隧道出口处DK232+467～+397特大型岩溶处治就是采取分层填筑的方法进行处治的[4–6]。

针对所发现的特大型厅堂式岩溶, 结合以往特大型岩溶隧道的处治经验, 该工程设计了桥梁、回填和改线3种处理方案。本文将对以上3种方案从技术经济及施工难度等角度进行比选, 以找出最合适的处理方案, 为工程提供技术支持, 并为类似工程提供参考。

1 岩溶介绍及补堪情况

根据测绘成果, 廊道厅堂式溶洞位于那丘隧道左洞K14+350～520段, 平面上溶洞的走向与隧道走向基本重合, 长170 m, 溶洞东西两端均发育有过水通道, 雨季时水流各自流向两端。因过水断面较小, 人员进入极为困难, 因此永顺端通道前方情况暂未探明。

K14+350～370段, 溶洞底板在隧道设计高程下32 m左右, 溶洞顶板在隧道设计高程下10～28 m, 洞底基本呈水平状。K14+ 370～420段, 溶洞底板高程以35°左右的坡度上升, 溶洞顶板在隧道顶以上6 m。K14+420～520段, 溶洞底板在隧道设计高程下6 m, 洞底基本呈水平状; 溶洞顶板形状不规则, 大部分位于隧道中部, 小部分顶板较高, 位于隧道顶以上10 m。

综合来看, 溶洞顶板至隧道顶距离不大, 隧道开挖大部分需开挖顶板。溶洞基本在左洞左侧发育, 右侧隧道掘进需开挖岩壁。

K14+360～420段溶洞规模较大, 为本次处治的重点与难点。

隧道衬砌各边线纵面分别见图2～4。

图2 隧道衬砌左边线处纵面图

图3 隧道衬砌中线处纵面图

图4 隧道衬砌右边线处纵面图

该溶洞从地势上看, 大致分为3个台阶, 标高分别为430.0 m左右, 457.0～460.0 m, 466.0～470.0 m。根据钻探成果资料, 在457.0～460.0 m的这个台阶沉积物厚度最大达10.4 m。这些现象表明: 该溶洞在形成过程中地壳至少经历了上升、稳定、再上升、再稳定、下降、再次上升等几个阶段。K14+ 380～480段溶洞堆积物厚度较大, 呈黄红色, 绝大部分胶结呈软岩状, 表明这些堆积物形成时代久远, 至少是在第四纪之前。洞内仅在K14+360处堆有新近的黏土层, 这些黏土由大气降水把地表的黏土带入洞内堆积而成, 形成时间较短。

从猛洞河河床高程200 m左右及该溶洞底板最低高程430.0 m的情况来看, 在该溶洞形成之后, 场地又经历了长时间的抬升过程, 现有的溶蚀基准面为430.0 m左右, 场地若仍发育有地下暗河, 其标高应远低于该溶洞最低处。

大溶洞正好对应地面K14+160～500段岩溶塌陷区, 该溶洞地下水来源主要为大气降水, 汇水面积主要为对应的地面岩溶塌陷区, 面积约23万m2。根据详勘报告中采用的大气降水入渗系数法, 计算出该溶洞的平均涌水量为189 m3/d, 暴雨时日涌水量可能是平均值的数倍或数十倍。

大气降水主要通过竖向岩溶通道进入该溶洞内, 在溶洞内肉眼可看到部分竖向流水通道。大部分地表水进入溶洞后, 最终在地势最低的K14+360右侧附近的小溶洞(洞口标高约为430.0 m)流入更深的岩溶通道内, 最终流入猛洞河(河床标高约为200 m)。K14+360右侧下部的溶洞对隧道无影响。

2 岩溶处置方案比选

2.1 桥梁方案

桥梁方案采用了预应力砼现浇连续箱梁结构。施工桩号范围ZK14+368～418, 采用离壁式衬砌结构, 箱梁与隧道衬砌结构分离, 衬砌结构与围岩分离。隧道衬砌结构支撑在两侧纵向托梁上, 托梁与箱梁共同由盖梁支撑。桥型布置及典型横断面如图5及图6所示。

图5 桥梁处置方案

图6 桥梁处置方案横断面

采用桥梁方案的好处很明显, 就是不存在差异性沉降[7], 并且不会影响溶洞内地下水的排泄。但同时也会带来诸多问题和难题, 如: (1) 离壁式衬砌开挖断面大, 对溶洞稳定性影响大; (2) 洞顶及岩壁防护工程量大; (3) 施工及运营期间溶洞顶及洞壁会发生掉块、坍塌的风险高[8]; (4) 受溶洞形态影响, 离壁式衬砌采用非对称结构, 受力较复杂; (5) 桥墩高, 存在崩塌掉块对桥墩的冲击风险[9]; (6) 箱梁结构需承受重型模板台车荷载, 结构尺寸大; (7) 满堂支架架设困难; (8) 预应力箱梁施工工艺要求高[10]。

2.2 回填方案

由于该溶洞已停止发育, 仅在雨季时洞内存在地下水。洞底地质条件较好, 地基承载力较大, 仅K14+360～380段存在承载力较差的新近黏土层。考虑到以上因素, 故提出回填方案。

采用回填方案, 处置范围为K14+358～514, 处置岩溶纵断面如图7所示, 具体的处置方案如下。

(1) K14+358～385段, 隧道从完整围岩中通过, 岩溶孔洞位于隧道左下方, 对隧道影响不大。对该段溶洞采取全部回填密实的方案, 自下而上分别回填干砌片石、洞渣, 溶洞顶板下不规则段泵送C20砼填充密实。

(2) K14+385～415段, 溶洞规模较大, 隧道左侧悬空, 右侧需开挖岩壁。对该段隧道底板下孔洞进行回填, 同时对溶洞顶板进行支撑。自下而上分别回填干砌片石、洞渣、级配碎石、1.5 m厚C20片石砼。该段隧道存在偏压, 故衬砌两侧设置了带桩基础的C30钢筋砼偏压挡墙对溶洞顶板进行支撑。地基存在纵横向不均匀沉降, 故衬砌底板下设置C30钢筋砼纵横梁及桩基础结构对衬砌进行支撑。横梁底面与隧道底板底面之间采用C20片石砼填充密实。

(3) K14+415～484段, 溶洞规模小, 位于隧道底板下方。该段溶洞采取全部回填密实的方案。仰拱下1.5 m范围内采用C20片石砼回填, 其余采用干砌片石回填。

(4) K14+484～514段, 溶洞位于隧道洞身左侧, 规模较大, 隧道存在偏压。对该段洞身左侧施做C30钢筋砼挡墙, 对溶洞顶板进行支撑, 挡墙左侧预留排水通道。

(5) 岩溶洞底板全纵向施工钢筋砼拱涵, 保持排水的顺畅。

图7 处置岩溶纵断面

回填方案所需注意的关键技术点如下。

(1) 洞渣回填质量控制。洞渣回填按现行《公路路基设计规范》中填石路堤的相关技术要求进行施工。施工前应通过铺筑试验路段确定合适的填筑层厚、粒径、压实工艺以及质量控制标准等。同时对洞渣是否能够满足填筑路基的强度和变形要求要进行现场试验。严格做好清表工作后方可进行填石路基施工。填石路基的石料强度不应小于15 Mpa。洞渣回填压实度不小于93%。摊铺层厚不大于 600 mm, 最大粒径小于层厚的2/3, 孔隙率不大于25%, 分层压实。洞渣与级配碎石回填层之间设置一道土工布。

路堤施工完毕后应进行沉降监测。观测点宜布设于垂直路堤中线的横轴上, 且要注意保护设置的测点。根据施工过程中的反馈信息监测施工质量, 控制施工速率; 同时定量分析评价路堤的工后沉降, 以确定合理的后续结构施工时间。应采用地表型沉降计对沉降进行监控。水平分层填筑, 先低后高, 个别不平处应配合人工用细石块找平。

填石路基的压实质量通过检测施工参数(压实功率、碾压速度、碾压遍数、铺筑层厚度)确认。建议对压实沉降差或空隙率进行检测, 压实沉降差作为质量控制指标时, 其平均值不大于5 mm, 标准差不大于3 mm。其他要求按《公路路基施工技术规范》《公路工程质量检验评定标准》等相关规定执行。

(2) 排水。填石路堤本身具有一定孔隙率, 有一定的过水功能。溶洞底全纵向设钢筋砼拱涵, 拱涵洞壁打孔, 外铺土工布反滤层, 汇集路堤内的地下水, 排入K14+360右侧原溶洞泄水通道, 涵洞两端顺接原过水通道, 保持过水的通畅。纵向间隔6 m设置一道竖向排水波纹管, 管壁打孔, 外铺土工布反滤层, 用于排出洞身侧溶洞空腔内积水, 同时可起到排除路堤内地下水的作用。路堤表层采用150 cm厚C20片石砼封闭, 保证路堤表面的水不下渗至路堤内部, 利于路堤的稳定性。采用净空面积为4.8 m2,壁厚为25 cm的现浇C30钢筋砼拱涵进行排水, 结合对溶洞排水通道的现场调查及水文计算, 该净空面积可满足雨季的排水要求。

(3) 不均匀沉降控制。K14+385～415段, 横向, 隧道衬砌基础部分位于填方路堤上, 部分位于原溶洞岩壁上; 纵向, 路堤的填方高度不同, 溶洞底的地基承载力亦不同; 隧道衬砌大部分存在偏压现象。以上因素会导致隧道结构发生纵、横向的不均匀沉降, 导致结构变形开裂等危害的发生。

因此, 本段衬砌采用了抗偏压衬砌, 衬砌两侧设置C30钢筋砼偏压挡墙对溶洞顶板进行支撑, 抵抗隧道承受的偏压, 同时偏压挡墙采用桩基础; 衬砌底板下设置C30钢筋砼纵横梁及桩基础结构对衬砌进行支撑, 采用桩基础将上部荷载传至稳定基岩上; 纵向每隔10 m设置一道沉降缝[11]。

(4) 不良地质处理。溶洞底的不良地质主要为K14+360～380段的新近黏土层, 体积约2 600 m3, 采用清除黏土层并换填干砌片石进行处治。

(5) 采用回填方案的造价约为1 650万元。

2.3 改线方案

以绕避溶洞, 且改线规模最小为原则, 拟定了A、B 2种改线方案, 2种方案的改线均位于原左线偏右的位置(图8)。

若采用A方案进行改线施工, 则需要改线的范围是K12+760～K15+141, 共计2 381 m, 且不能完全避开溶洞, 部分段落紧贴溶洞壁。在左右洞中夹岩柱内施工, 800 m长小净距段, 与原左洞出口已开挖段干扰严重, 施工难度很大。线性指标差, 长大下坡段, 为控制规模, 指标均取为极限值, 行车安全性较差。A方案的工程造价约为5 100万元。

若采用B方案进行改线施工, 则需要改动的范围是K13+830～K15+055, 共计1 225 m。该方案可以完全避开溶洞, 距离溶洞最近为7 m。在左线左侧施工, 相当于重新开挖左洞, 施工难度小, 与原左洞出口已开挖段无干扰, 线性指标较好。B方案的工程造价约为1 800万元。

图8 改线方案示意图

2.4 比选结果

采用桥梁方案施工及运营期间风险均较高, 故不建议采用桥梁方案。在未进行详细地勘的前提下, 改线范围内再遇大溶洞可能性较大, 改线方案无法完全绕避溶洞, 因此, 改线方案也不建议采用。

从工程造价的角度看, 回填方案的造价在1 650万元左右, 而改线方案最低的工程造价为1 800万元。以上的改线方案是在改线范围内不再存在类似大溶洞等不良地质的前提下进行的, 要探明地质情况需耗费大量的人力、物力和财力, 技术精度要求高, 所需工期也较长。综合上述分析, 回填方案为该工程最优的岩溶处理方案。

3 结论

隧道中岩溶处理方案的比选是一个系统、复杂、考虑因素多的课题。地域不同, 自然环境的差异也较大, 因此施工难度和工程成本通常是方案选择首先需要考虑的因素。

本文对那丘隧道中的特大型厅堂式岩溶的处理方案进行了比选, 考虑到施工难度与工程成本因素, 最终选择了回填方案对隧道中的岩溶进行处理。该方案的工程造价最低, 且对已施工完成的隧道影响最小, 施工难度相较于其他方案也最低。该研究成果为那丘隧道岩溶处理工程提供了技术支持, 并可为类似工程提供参考。

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(责任编校:江河)

The research of oversize hall type karst of scheme comparison in tunnel

Fu Helin, Xiong Yi

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Naqiu tunnel is a long tunnel, which located in the fourth contract section, Yongji express highway, Hunan province. A large cave has been found in the K14+350 to 520, which is a gallery hall type karst. By the analysis of hydrological geology, 3 kinds of schemes for the processing of the cave, bridge, backfill and changing the line, are put forward. After considering the two main reasons of the difficulty of construction and cost and comparing the advantages and disadvantages of each scheme, the optimal scheme is put forward.

Naqiu tunnel; hall type karst; treatment scheme; scheme comparison

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.011

U 442.5+4

1672–6146(2015)03–0042–05

傅鹤林, 517336864@qq.com; 熊毅, 375859829@qq.com。

2015–05–24

湖南省交通厅课题(201225)。