大型补给式富水泥沙块石充填溶洞治理
2022-05-26张万斌王国军徐昆杰
张万斌,王国军,徐昆杰
(中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 401121)
0 引言
我国西南地区工程地质情况较为复杂,长大隧道在施工过程中常常遭遇煤层瓦斯、岩溶、软岩大变形等不良地质。岩溶作为一种常见的不良地质条件,其规模和分布规律常具有不确定性,因此岩溶工程的设计必须采用动态的方法,才能不断适应各种工程情况。孙正兵[1]采用“保持既有岩溶通道通畅”的原则,对溶洞进行局部注浆;谭力[2]采用加强超前地质预报、加强洞内支护及溶洞注浆回填的方式,在溶洞处理中取得了良好的效果;杜凯[3]分析了“掌子面微台阶开挖+边墙及基底超前注浆加固”的施工方案;方振华[4]研究了隧底采用桩板结构跨越成贵铁路大型溶洞技术,现场取得了良好的整治效果。
岩溶地质复杂多变,国内外对大型补给式富水泥沙块石充填溶洞的研究相对较少。本文以叙大铁路中坝隧道为工程案例,结合其地质条件,对溶洞的处理提出可靠方案,可供相关工程参考。
1 工程概况
新建铁路叙永至大村线线路全长约87km,采用国铁Ⅲ级标准设计,设计时速80km/h,单线内燃(预留电化条件)。中坝隧道位于四川省古蔺县护家乡,全长4001m,隧道最大埋深为415m。
隧道地质条件复杂,洞身穿越三叠系中统雷口坡组(T2l)灰岩、泥灰岩,三叠系下统嘉陵江组(T1j)灰岩、白云质灰岩,地表多见溶洞、溶蚀凹地、漏斗、竖井、落水洞,岩溶水丰富,施工遇隐伏溶洞易发生坍塌、突水、突泥等危害,围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。隧道主要不良地质为岩溶。
中坝隧道D9K53+613~D9K55+365段穿越三叠系下统嘉陵江组(T1j)灰岩、白云质灰岩,该段地表岩溶较发育。由于隧道顶部存在暗河管道,正洞及平行导洞掌子面的溶腔水主要来自于岩溶水水平径流带,掌子面前方溶腔主要受到层间节理裂隙的控制而发育,即沿掌子面向隧洞出口方向斜上方展布,岩溶水主要赋存于溶洞、溶槽、溶缝及层间溶壑内,地表多见溶洞、溶蚀凹地、落水洞、坚井。
2 溶洞情况描述
隧道D9K53+800~D9K55+350段穿越三叠系下统嘉陵江组(T1j)中厚层状灰岩,可溶岩段长1550m。隧道掘进至D9K55+221处揭示一大型补给式富水泥沙块石充填溶洞,溶洞处隧道埋深约347m,处在嘉陵江组(T1j)灰岩与飞仙关组(T1f)钙质页岩接触带,施工中溶洞发生多次涌泥,其中有8次大规模涌水涌泥,累计涌泥沙量超过3万m3,其中4次涌泥超过3000m3,最大一次涌泥达1万m3。该溶洞涌水量基本在0.15~0.27 m3/s,降雨过后明显增加。2013年8月25日,连续暴雨引起溶洞涌水量最大达2.3 m3/s。溶洞爆破揭开后发生较大规模的涌泥沙块石,揭示一从右向左倾覆的直径约25m的井状溶洞空腔,空腔往上下发育高度及深度不明。溶洞涌泥石规律不定,雨季发生次数最多,旱季也有发生,不规律地涌泥沙块石对施工安全造成极大威胁。
隧道正穿一大型充填溶洞(突泥沙后为半充填),推测溶洞主要成因:岩体结构面中存在基岩裂隙水,在其作用下裂隙逐渐张开,较破碎处的灰岩在水的作用下发生溶蚀,进而发生泥化,随着一段时间的地质作用,裂隙沿着结构面伸展方向发育进而形成溶腔,由于中坝隧道顶部存在暗河管道,暗河的高程便是该区域地下水的排泄面,因此该溶腔与暗河相连通,而中坝隧道DK55+221处第一次涌水主要是由掌子面左上角一条陡倾裂隙所致,是主要的突水点。所以根据判断,水位高程明显大于隧道高程,溶腔来水属于水平循环带,岩溶水从隧道右侧流往隧道左侧[5]。
推测隧道顶部发育有一个从线路右侧流往左侧的暗河(图1),暗河管道沿线地表发育的落水洞、洼地和溶蚀槽谷均是很好的汇水区域,为地下暗河的补给提供了良好的导水通道[6-7]。
图1 中坝隧道D9K55+221溶洞与顶部暗河关系简图
经超前地质预报和钻探,探明溶洞发育情况。隧道正穿溶洞(突泥沙后为半充填),溶洞纵向长约28m,横向宽约18m,上下发育高度及深度不明,溶洞水主要从线路右侧往左侧流出[8]。
3 溶洞治理
根据成都理工大学出具的《中坝隧道D9K55+221突水突泥灾害形成机制、环境影响及工程措施研究》和《中坝入口平导PD9K55+231.5段超前钻孔补充报告》以及地勘报告,结合屡次突泥水后清方距溶洞20~30m处又发生泥水突出的情况,确定采取泄水降压、回填、注浆、管棚支护、结构加强、隧底桩基托梁及设泄水洞排水等措施对溶洞进行综合治理。
3.1 泄水降压
溶洞多次涌水及泥夹石 (涌入隧道泥石长度最大超过100m),涌泥石封堵掌子面,溶洞水不能排出,溶洞水封堵后压力增大,直接清除涌泥石至掌子面处理溶洞的风险极大,屡次突泥水后清方距溶洞20~30m处又发生泥水突出。因此,研究设置一平导泄水降压:于掌子面后方线路右侧设一平行导坑至掌子面溶洞,平导具超前探测、排水泄压及向正洞注浆的作用。
右侧平行导坑保持与正洞净距10m,与正洞交点里程为D9K55+068(距正洞掌子面156m),平导坡度与正洞基本一致,坑底高程比正洞内轨顶面高约1.5m,平导断面尺寸4.7m(宽)×5.5m(高)。
平导施工至溶洞附近,施作φ108排水孔排水泄压,将溶洞涌水引入平导排出。
3.2 回填
由于溶洞多次突泥水后上部为空腔,为抵挡上部孤石及涌泥掉落冲击,在右侧导洞D9K55+226、D9K55+231,左侧导洞D9K55+237、D9K55+244里程处,分别设置2个输送孔向正洞溶洞空腔范围泵送C20混凝土进行回填(图2),回填由大里程向小里程进行,填充高度为开挖轮廓线外5~8m范围,回填区长度30m,平均横断面面积116㎡,回填混凝土量3480m3(现场实际回填3420m3)。
图2 溶洞回填示意图
3.3 注浆
由于溶洞下部多为淤泥,为加固隧道外围岩,确保隧道安全,通过右侧导洞向正洞溶洞段注浆加固溶洞充填物,注浆分两段完成。由于工期要求,先于右侧平行导洞向正洞D9K55+222~+232段进行注浆,待左侧平行导洞施作完成后,在左侧平行导洞向D9K55+232~+250段注浆加固(后期左侧导洞因遇溶洞停止施工,仅采用右侧导洞进行注浆)。注浆以水泥浆液为主,双液浆为辅,自下而上注浆,下部和周边加固采用双液浆,上部固结与中部加固采用水泥浆。加固范围为开挖轮廓线外5~8m范围内溶洞充填物(图3),设计注浆量1857.6m3;同时正洞内尽可能往溶洞方向清除涌泥,并设置止浆封堵墙,实施超前大管棚注浆,根据需要实施超前帷幕注浆及开挖后径向补注浆。
图3 溶洞注浆示意图
3.4 衬砌结构加强
根据现场溶洞情况对隧道D9K55+219~D9K55+257段衬砌作特殊加强(图4、图5),二衬结构考虑承担40m高水土压力设计。
图4 溶洞段加强衬砌断面图
图5 三台阶法施工方案横断面图
(1)初期支护:拱墙设置长40m的φ127超前大管棚加强支护(拱部双层管棚、边墙单层管棚);全环工25b型钢钢架1榀/0.5m;全环径向φ42小导管注浆加固。
(2)二次衬砌:考虑到初支承载能力较弱,二次衬砌采用双层衬砌,两层衬砌厚度皆为50cm,第一层衬砌紧跟初支;隧底充填物较深,采取桩基托梁方式,底板厚度1.7m,左右纵梁2.6m(宽)×1.7m(高),左右侧桩直径1.5m,桩纵向间距6m。二衬主筋8根28mm HRB400钢筋;纵梁主筋上侧33根32mm HRB400钢筋,下侧各53根32mm HRB400钢筋。
(3)施工方法:注浆加固完毕后取芯检验注浆加固效果,达到设计要求并施作完成大管棚后,破除止浆墙施工正洞,采用三台阶法开挖(图5),上、中台阶设临时横撑,初期支护钢架开挖后尽快封闭成环。每步开挖后施作径向注浆φ42小导管注浆加固围岩,并取芯检验注浆效果,确保注浆效果。
3.5 泄水洞
由于雨季溶洞涌水量最大达2.3m3/s,大大超过隧道侧沟过水能力,为确保运营期间的隧道安全,将右侧平导延伸至隧道进口作为永久排水通道。
中坝隧道施工过程中采用泄水降压、局部充填、超前注浆等方式,施工过程中未产生大型突水突泥等地质灾害。目前中坝隧道已竣工近两年,隧道二次衬砌未出现渗漏水、裂缝等病害,表明溶洞治理取得了显著效果。
4 结论
(1)溶洞的存在具有隐蔽性、不可预见性,岩溶突泥突水是施工过程中的重大安全隐患,在施工中应全面开展综合超前地质预报工作,探明溶洞位置、形态、岩溶分布规模、富水段落,全面开展动态设计,尽可能减少溶洞带来的施工风险。
(2)岩溶处理要按照“早预报、常观测、强支护、快封闭、早衬砌”的综合处理措施,在施工穿越富水型溶洞时,可利用超前注浆、局部注浆等方式进行注浆和堵水。
(3)根据中坝隧道施工经验,岩溶水处理作为溶洞治理的关键之一,可采用排、堵及排堵结合的治理方案进行处理,其中对于补给型溶洞,宜排不宜堵。
(4)隧道穿越水平循环带时,衬砌结构设计需考虑水压荷载作用,加强衬砌结构设计,确保隧道结构安全。
(5)类似溶洞段,多层衬砌即两层模筑的结构型式值得推荐,第一层衬砌(可采用格栅钢架混凝土衬砌)紧跟初支,既为隧道开挖安全创造了条件,也保证了隧道永久结构安全。