公路隧道侧穿大型非充填型溶腔处治方案研究

张 雷

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 合肥市 230088;2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心 合肥市 230088)

0 引言

我国西南地区是岩溶强发育区,约占国土面积的1/3,拥有种类最多的岩溶地貌,包括溶蚀、溶蚀-侵蚀和溶蚀-构造[1]。岩溶既是宝贵的自然资源,也是棘手的工程问题。近年来,西南地区交通建设快速发展,地下工程建设中不可避免会遇到岩溶地貌,如何降低复杂岩溶给工程建设带来的不利影响,成为学界和业界关注的重要问题。

目前,国内外学者已对隧道穿越溶洞处治方案进行了大量研究,如余龙选取隧道顶部、边墙和底板三处代表性位置的溶洞处治案例进行了详细分析[2]。赵少忠等以齐岳山隧道为依托,阐述施工过程中遇到不同位置溶洞时的处治方案[3]。聂信辉根据高速铁路兰花隧道施工过程中揭露的溶洞发育规模及隧址区水文地质条件,分别提出了合理的处治方案[4]。刘旭斌等提出在特长深埋岩溶隧道中应使用物探为主、钻探为辅,中长距离与短距离探测相结合的预报技术,降低隧道施工风险[5]。

关于隧道穿越大型溶洞的研究相对较少。何省等以工程实例为依托,分析大型空溶洞和充填型溶洞的处治思路及措施[6]。林本涛等通过对比分析认为,大体积混凝土空心回填处治方案比桥梁跨越、弃渣回填两种方案更安全,具有沉降易控制、经济节约、施工难度低等优点[7]。袁永才等针对尚家湾隧道特大下伏无充填型溶洞,分别采取填堵法和跨越法进行治理[8]。王建等针对贵州某隧道底面巨型溶洞难以回填的情况,采取工字钢加钢筋混凝土板的新型处治方案[9]。

西南地区由于其特殊的喀斯特地貌,工程建设中不可避免遇到大型溶洞。由于隧址区地质及水文条件不同,揭露出的溶洞规模、位置及形态也不尽相同,因此需要结合实际工程情况具体分析。文章以西南某隧道侧穿大型空腔溶洞工程为例,详细介绍处治方案及注意事项,以期为类似工程提供一定参考。

1 工程概况

某特长隧道隧址区地处北回归线以北,属亚热带、暖温带共存的高原季风立体气候,区域垂直气候分带明显,气候干湿季明显,每年降水多集中在6月至10月。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)可知,隧址区的地震动反应谱特征周期为0.45s,地震动峰值加速度分区为0.10g,地震烈度Ⅶ度区。

隧址区主要地层为第四系残坡积(Q4el+dl)层,二叠系下统茅口组(P1m)灰岩,隧道灰岩段岩溶较为发育,隧道区地表水较发育,区内冲沟沟向主要沿西南至东北向,沟内常年流水,隧道区地下水为第四系孔隙潜水类型、基岩裂隙水及碳酸盐岩岩溶裂隙水类型。

2 溶洞揭露过程

溶洞段岩性为灰岩,Ⅳ级围岩,采用两台阶法施工,施工中发现掌子面右侧揭露溶洞,初步揭露大小约8m×4m,溶洞顶部有少量裂隙渗水,无突泥涌水迹象。由于初始揭露溶洞处在此前一次与下一次预报搭接范围内,且位于隧道侧边,故施工预报未提前发现。同时,严格按照台阶法施工,降低了一次性揭露溶洞的风险。后续在保证施工安全的前提下,将溶洞全部揭露。

经现场测量,确定溶洞纵向最大长度约35m,最大宽度约38m,隧道拱顶至以上最大高度约22m,溶洞揭露最大深度为隧道路面层以下,约12m。揭露溶洞区灰岩岩层为中～厚层,岩层产状相对稳定,但顶部存在较多尖锐针状钟乳石,局部处于不稳定状态;溶洞底部湿润,凹凸不平,多为大块石;底部凹陷,有岩溶水汇集,沿隧道开挖方向右前侧排出,具体见图1。

图1 溶洞与隧道相对位置关系图(单位:m)

3 溶腔底部物探分析

由于岩溶发育具有隐蔽性,且溶腔底部溶洞发育情况将直接影响处治方案的安全性,为了查明场地岩溶发育基本情况,需采取物探手段。

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种用于探测地下介质分布的广谱(10MHz～1GHz)电磁技术,基于该技术的现场物探方法简单、快速、成熟,已广泛应用于浅部岩溶、洞穴的探测工程[10]。其原理是利用一个天线(T)发射高频电磁波,另一个天线(R)接收来自地下介质界面的反射波,通过对点反射体的图像为双曲线,而面反射体保持原形状这一特性,对接收的反射波形态进行解译,从而推断地层结构及地质异常体,达到岩溶探测的目的。

该项目在溶腔底部布设3条纵测线,通过测线解释结果推断探测范围内潜在地质异常的分布趋势。进行物探前,需开展溶腔内水文情况调查,确定处治范围内溶腔底部无排水通道后,采用C15混凝土将凹凸处填平,为物探工作提供工作平台,随后即可开展物探工作。

通过该项目溶腔底部布设的3条物探测线,结合物探剖面和物探解释图可知,底部并未存在较大溶腔,仅局部位置存在小溶腔,物探结果见图2。

图2 隧道溶洞段物探解释图

4 处治方案

考虑揭露的溶腔为非充填型,且溶腔内部整体状态较稳定,根据地质雷达对溶腔底部进行探测的解译成果,最终确定“固底-强腰-稳顶”的处治方案,处治设计图如图3。

图3 隧道溶洞处治设计图

4.1 固底

固底处治方案主要包括三方面,一是对已揭露溶腔底部的处理,二是对隧道底部的处理,三是对基地水的疏导。

(1)通过对物探资料的解译,发现在隧道底板5m范围内存在少量无填充型溶洞。施工过程中,通过施作灌浆孔验证其实际深度,设计最终采用C15混凝土填充,处理后再次进行物探,确定处治效果。

(2)该隧道溶腔底部无隐伏性溶洞,故隧道仰拱底部揭露溶洞采用C15混凝土回填,利用回填形成的施工平台,清理溶腔周边危石,同时在隧道结构底部采用长4.0m,Φ 42mm×4mm的注浆小导管对隧道底部进行注浆加固处理,保证隧道底部稳定,防止后期发生不均匀沉降。

(3)固底过程中,单独修筑了宽1.0m,高0.6m的排水沟,起到收集、引排作用,将岩溶裂隙水引至原有排水通道处,防止基础被水清泡。

4.2 强腰

强腰主要体现在两方面,一是对隧道衬砌结构的加强,共分三段,分别为已开挖段、穿越溶洞段及穿越溶洞后开挖段,二是对隧道穿越溶洞外侧进行强腰设计。

(1)考虑现场施工二衬台车长度及相关规范对加强段的最小长度要求,该处治方案对已开挖初期支护已施作段12m范围内的衬砌进行加强处理。由于现场已施作二衬仰拱,为确保结构安全,对拱墙二衬进行配筋,对穿越溶洞后期开挖段落12m范围内衬砌进行升级加强,同时对穿越溶洞区结构进行整体加强,具体加强参数见表1。

表1 溶洞段加强衬砌设计参数

(2)在隧道掘进方向右侧溶洞较大位置设置偏压式明洞挡墙及护拱,挡墙最小厚度2.0m,挡墙墙面坡率为1:0.3,其余段落在溶洞段衬砌外设置护拱,护拱厚度2.0m,掩护施工操作,保护隧道衬砌结构。穿越溶洞段应及时施作溶洞段初期支护和二次衬砌,最终与溶洞侧挡墙及护拱共同发挥作用,起到强腰作用。

为便于护拱混凝土泵送和吹填细沙施工,可预留输送管,梅花形交错布置,横纵向间距2.0m;C25挡墙底部设置长度0.5m,间距0.5m×1.0m的C22mm钢筋与C15混凝土基础进行锚固连接。

4.3 稳顶

稳顶是保证施工安全和保护运营期间隧道结构的重要一环。稳顶主要体现在两个方面,一是已施作结构的顶部、挡墙顶部及护拱顶部,二是溶腔顶部。

(1)施工前对溶腔顶部进行清危,并在溶腔周边初喷2cm C25早强混凝土,起到临时封闭作用。对于经过后期处治仍外露的溶腔顶部,采用C25早强混凝土(厚8cm)、φ8mm钢筋网(间距0.2m×0.2m)和C22砂浆锚杆(长3m,间距1.0m×1.0m)进行加固,最终形成锚网喷综合防护系统,对溶腔顶部起到稳顶作用。

(2)隧道结构设计使用年限为100年,故仍需考虑已处理溶腔后期的溶蚀变化。设计中,要求待护拱达到承载力要求后,吹填约2.0m厚细沙作为缓冲层,对后期钟乳石或掉块起到缓冲作用,保证护拱和隧道结构运营期安全。

5 结论

(1)隧道穿越大型非充填型溶腔时,采用“固底-强腰-稳顶”的处治方案可加快施工进度,保证隧道结构安全。

(2)隧道穿越大型非充填型溶腔时,应加强区域水文地质特性调查。岩溶水处治应贯彻“宜疏不宜堵”的理念,同时加强穿越溶洞段落结构防排水措施。

(3)隧道穿越可溶性岩区易出现岩溶,施工中应坚持长短预报相结合,避免因预报搭接导致发现不及时。同时,岩溶发育区开挖不宜采用全断面法,应避免一次暴露溶腔带来的直接伤害。

(4)岩溶发育具有无规则性和隐蔽性,施工过程中应保证系统锚杆及超前支护加固围岩的同时,对隧道周边溶洞发育情况起到预探作用。