劉瑞美

摘要： 新屋基隧道位于碳酸鹽巖分布區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。左線隧道ZK26+362～ZK26+381段從特大偏壓填充型溶洞中穿過，施工初期采取的常規(guī)溶洞處治措施未能達(dá)到目的。最終創(chuàng)造性地利用預(yù)應(yīng)力錨索處治滑坡的思路，成功進(jìn)行了本項(xiàng)目的大型偏壓填充型溶洞的處理，以期能給其它此類溶洞處理施工的技術(shù)人員一些啟示。

Abstract： Xinwuji Tunnel is located in the carbonate rock distribution area and the karst strong development area. ZK26+362 - ZK26+381 segment of the left-line tunnel passes through the extra-large eccentric filled bias cave. The conventional karst treatment measures used in the initial construction fail to achieve the goal. The method of using prestressed anchor cable to deal with the landslide successfully carried out the treatment of large eccentric filled cave to some enlightenment to the technical personnel of this kind of cave.

關(guān)鍵詞： 新屋基隧道；溶洞處理；填充偏壓型；預(yù)應(yīng)力錨索

Key words： Xinwuji Tunnel；treatment of karst cave；filled bias type；prestress anchorage cable

中圖分類號(hào)：U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）12-0146-03

1 工程簡介

新屋基隧道是重慶沿江高速公路重慶至涪陵段的重要工程之一，隧道方向由西向東，最大埋深471m。為深埋特長隧道分離式隧道。

其中，左線起止樁號(hào)ZK25+545～ZK31+547.077，長6002.077m其中Ⅲ級(jí)圍巖2408m，Ⅳ級(jí)圍巖2617m，Ⅴ級(jí)圍巖957m。

隧道所經(jīng)地區(qū)為構(gòu)造侵蝕一溶蝕中低山地貌。山脈多呈波狀高低起伏，欲連似斷，以坡陡、脊薄為其特點(diǎn)，山上多為植被覆蓋，碳酸鹽巖分布較廣，在山間形成南北延伸的巖溶槽谷，密集分布著溶洞、洼地、落水洞、漏斗、溶溝、溶槽等。

2 遇溶洞后的處理方案及效果

2.1 揭示溶洞

左線隧道掘進(jìn)至里程ZK26+362時(shí)揭示了填充型溶洞，掌子面揭示溶腔內(nèi)填充物為軟塑狀黏土，含小石塊，結(jié)構(gòu)松散，含水量稍高，有弱巖溶水活動(dòng)跡象。超前地質(zhì)探孔表明前方填充物的工程地質(zhì)特征與掌子面所揭示相類似，發(fā)生突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害可能性很小。

地質(zhì)鉆孔探明隧道下溶洞填充物厚度為6～7m，其工程地質(zhì)特性也較好。

2.2 初期采取的施工處理措施

根據(jù)所掌握的溶洞發(fā)育特征及填充物工程地質(zhì)情況，采取的超前支護(hù)措施為：超前帷幕預(yù)注漿+φ108大管棚。通過向溶腔內(nèi)填充物注入漿體，形成在隧道邊緣線外，厚度為5m的加固圈。以增加周邊圍巖的強(qiáng)度，使圍巖形成自穩(wěn)平衡拱。

采取短臺(tái)階法法開挖，初期噴射C25砼，厚度25cm，I16工字鋼拱架間距由1.0m加密至0.5m，拱腳處設(shè)置5m長的鎖腳錨管。

3.5m長的？準(zhǔn)25中空錨桿作系統(tǒng)錨桿。

2.3 處理效果

當(dāng)掘進(jìn)至里程ZK26+369時(shí)，發(fā)現(xiàn)位于溶腔內(nèi)的鋼拱架均出現(xiàn)變形，部分超限。等變形穩(wěn)定后進(jìn)行換拱，換拱時(shí)出現(xiàn)小面積坍塌。但過了4d后，又出現(xiàn)鋼拱架變形及部分超限，支初噴混開裂及脫落現(xiàn)象。鋼拱架變形、超限和初支噴混開裂脫落部位基本集中在隧道左側(cè)。

3 對(duì)溶腔進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘察及鋼拱架變形原因分析

3.1 詳細(xì)的地質(zhì)勘察

經(jīng)再次對(duì)隧道進(jìn)行詳細(xì)的鉆探勘察，發(fā)現(xiàn)左側(cè)填充層厚11～16.5m，填充物中含有巨型孤石。右側(cè)厚3～7m。前方洞壁位于隧身里程ZK26+381處，無法確定其堆積高度。溶洞兩側(cè)洞壁基本為垂直發(fā)育的形態(tài)。

其中ZK26+368斷面的巖溶發(fā)育情況如圖1所示。

3.2 鋼拱架變形原因分析

根據(jù)鉆探勘察結(jié)果，對(duì)鋼拱架再次發(fā)生變形超限的原因進(jìn)行了研究及分析，認(rèn)為是如下原因。

①地質(zhì)差，偏壓大。因溶腔內(nèi)填充物松散，巖溶水的存在增大了流動(dòng)性，自身不能形成自然平衡的普氏拱，且施工破壞了原來脆弱的平衡狀態(tài)，致使所有上方填充物的壓力均作用于隧道洞身上。

鋼拱架后變形侵限主要集中在隧道左側(cè)，且左上方填充物中含有巨型孤石，說明溶腔內(nèi)填充物對(duì)隧道造成較大的左側(cè)偏壓，常規(guī)處治方法無法抵抗巨大偏壓力。為本次溶洞處理的關(guān)鍵技術(shù)難題。

②填充層厚。因左側(cè)填充層厚11～16.5m，右側(cè)厚3～7m。單根長5m鎖腳錨管無法起到固定作用。

③二臺(tái)階法不適合該溶腔。為了便于機(jī)械作業(yè)，溶腔段的隧道掘進(jìn)采用二臺(tái)階法，但造成臨空面太大，不利于掌子面穩(wěn)定。

④上臺(tái)階基腳軟弱。因洞身處于溶腔內(nèi)，上臺(tái)階初支鋼架基腳落在承載能力差的軟弱填充物上，導(dǎo)致鋼拱架及拱頂下沉，易造成坍方。

4 本項(xiàng)目關(guān)鍵問題——偏壓的處理措施

鋼拱架變形超限后，邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位根據(jù)鋼拱架變形特征進(jìn)行計(jì)算，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，獲知左側(cè)隧道洞身每米承受的土體推力為350kN，右側(cè)為98kN。

本隧道溶洞處治的關(guān)鍵在于解決洞內(nèi)填充物產(chǎn)生的巨大偏壓力，本項(xiàng)目借鑒了路基處理大體積體邊坡滑坡處理的經(jīng)驗(yàn)，將預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)用于本項(xiàng)目的溶洞處理。

使用的預(yù)應(yīng)力錨索規(guī)格為3？準(zhǔn)j15.2，隧道左側(cè)錨索設(shè)計(jì)如下。

4.1 錨索數(shù)量計(jì)算

本項(xiàng)目采用7根鋼絲組成的？準(zhǔn)j15.2mm型鋼絞線，每根錨索由3根鋼絞線組成。每米隧道洞身需要錨索數(shù)量計(jì)算：n=（Fal×Pt）/（3×Pu）（1）

式中：Fal為本項(xiàng)目采用的安全系數(shù)，取2.0；Pt所承受的填充物推力（kN）；Pu為單根鋼絞線極限張拉荷載，取259kN；m為每根錨索的鋼絞線數(shù)量，本項(xiàng)目為3。

則：（2×350）/（3×259）=0.9。

本項(xiàng)目左側(cè)隧道洞身按每米設(shè)1根預(yù)應(yīng)力錨索。

4.2 錨固長度計(jì)算

①按鋼絞線與水泥砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算錨索錨固長度Lsa=（Fs2×Pt）/（π×ds×τu）（2）

式中：Lsa為錨索的錨固長度（m）；Fs2為抗拔的安全系數(shù)，取2.5；ds為錨索外表直徑，取0.03m，τu為鋼絞線與水泥砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度，取2.95MPa。

則：（2.5×350）/（3.14×0.03×2950）=3.1m

②按鋼絞線與孔壁抗剪強(qiáng)度計(jì)算錨索錨固長度。

Lsa=（Fs2×Pt）/（π×dh×τ） （3）

式中：dh為錨孔的直徑，取0.1m；τ為錨孔壁與水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，取2.0MPa。

則：（2.5×350）/（3.14×0.1×2000）=1.4m

③選定錨固長度。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，并考慮到洞壁圍巖的不完整性，取錨固長度為5.0m。

同理計(jì)算得隧道右側(cè)錨索為每3m設(shè)置1根即可。

5 針對(duì)初支變形原因采取的技術(shù)措施

采用預(yù)應(yīng)力錨索抗偏壓力，并結(jié)合以往填充型溶洞的處理方法，經(jīng)綜合比選，本項(xiàng)目溶洞處理所采取的綜合處理技術(shù)措施如圖2所示。

①采用微臺(tái)階留核心土法進(jìn)行掘進(jìn)。針對(duì)填充物夾石，易坍塌的情況，采用超前帷幕注漿+？準(zhǔn)108大管棚。注漿管采用D42超前小導(dǎo)管。穿越溶洞段設(shè)置一環(huán)管棚，為外徑108mm，壁厚6mm，外插角2°，設(shè)置范圍為拱部120°內(nèi)，注水泥漿，長度為30m。

②針對(duì)地質(zhì)差，偏壓大等特點(diǎn)。采用預(yù)應(yīng)力錨索加固初支。錨索總長按兩側(cè)填充物厚度+不少于5m的嵌巖深度。根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。在隧道左側(cè)拱腰中部及上下2m處各設(shè)置一排錨索，每根長22m，同排錨索間距為3m，排間錨索錯(cuò)開設(shè)置；右側(cè)隧道在拱腰最大跨處設(shè)置一排，錨索間距為3m，每根長12m。施加的預(yù)應(yīng)力為300kN。錨索采用水平角度施工，錨索緊扣鋼拱架。

③針對(duì)隧道承受的填充物偏壓力非常大，使鋼拱架產(chǎn)生較大的變形量。采用承載能力更強(qiáng)的大尺寸I22b工字鋼拱架代替原來的I16工字鋼拱架，按間距為50cm布設(shè)，拱腳處設(shè)置鎖腳錨管注漿。鋼架間采用間距為30cm的Φ20螺紋鋼焊接聯(lián)接。初支噴射C25混凝土。

④隧道拱部及墻身的系統(tǒng)錨桿為Φ25自進(jìn)式中空錨桿，長5m，按間距為1.5m梅形布置。仰拱底部設(shè)置長3.5m的？準(zhǔn)25中空注漿錨桿。

⑤對(duì)初支鋼架基腳進(jìn)行注漿擠密處理，以確保上臺(tái)階鋼架基腳處牢固，有足夠承載能力。同時(shí)，沿隧道縱向在拱腳處采用[22槽鋼作為墊梁，降低鋼架基腳處土體承受的壓強(qiáng)。

6 處理措施施工時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)

6.1 錨索施工

①編制了詳細(xì)的錨索施工方案報(bào)批，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)及作業(yè)人員進(jìn)行交底。

②特別加強(qiáng)監(jiān)控錨索鉆眼施工的角度問題。通常路基防護(hù)時(shí)錨索為傾斜向下鉆孔，但本項(xiàng)目需改為水平角施工，是為了避免鉆進(jìn)角度向下時(shí)，錨索張拉后會(huì)給初支鋼架一個(gè)向下分力，導(dǎo)致初支下沉的情況發(fā)生。

③加強(qiáng)錨索張拉前后的圍巖變形監(jiān)控量測(cè)工作，避免了安全事故的發(fā)生。

6.2 對(duì)松散填充層進(jìn)行鎖腳錨管注漿

①錨管第一個(gè)注漿孔距管口（注漿口）2m。管壁每隔20cm交錯(cuò)鉆眼，眼孔直徑6～8mm。②錨管注漿采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿終注壓力控制在0.2MPa。當(dāng)圍巖土體出現(xiàn)明顯變形時(shí)亦停止注漿，不受終注壓力限制。

6.3 填充物夾石的超前帷幕注漿，

①針對(duì)填充物夾石，易坍塌的情況，采用超前帷幕注漿，注漿管采用D42超前小導(dǎo)管。小導(dǎo)管單根長13m，外插角不小于30°，注漿管環(huán)向間距控制在30cm，采用雙環(huán)布置，環(huán)間距30cm，兩環(huán)注漿管梅花間距錯(cuò)開布置，漿液采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿壓力控制在0.2MPa。

②注漿時(shí)按從外向內(nèi)，由低到高的順序，并做到同一圈孔間隔注漿，注漿壓力0.2MPa。

③注漿過程中對(duì)孔位、孔徑、孔深、漿液配比、注漿壓力、注漿量等做好施工記錄。

6.4 上臺(tái)階基腳軟弱

對(duì)拱架基腳進(jìn)行注漿擠密處理。漿液采用水玻璃—水泥雙液漿，注漿終注壓力控制在0.2MPa。當(dāng)基腳土體出現(xiàn)明顯變形時(shí)亦停止注漿，不受終注壓力限制。

7 處理效果

圖3為ZK26+375斷面的隧道周邊收斂、拱頂下沉監(jiān)控量測(cè)值的S-T曲線圖。從圖中可看出第15d以后周邊收斂、拱頂下沉的曲線趨于水平，表明第15d以后周邊收斂、拱頂下沉已趨于穩(wěn)定。在第20d時(shí)隧道的周邊收斂總值為11.6mm，拱頂下沉總值為8.5mm。均小于設(shè)計(jì)及規(guī)范的規(guī)定。

表明采用預(yù)應(yīng)力錨索成功解決了隧道洞身偏壓問題，而大管棚等作為拱頂及側(cè)壁支撐，再輔以大尺寸工字鋼拱架及帷幕注漿等措施，共同確保了隧道穿越溶腔的安全施工及質(zhì)量目標(biāo)。

8 結(jié)束語

在新屋基隧道穿越特大偏壓填充型溶洞時(shí)采取了增設(shè)錨索、增設(shè)鎖腳錨管并注漿、超前帷幕注漿、使用大尺寸工字鋼拱架等綜合處理措施。確保了隧道順利穿越大型偏壓溶洞的安全施工。

在本項(xiàng)目中創(chuàng)造性地使用了預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行溶洞填充物偏壓的處理，對(duì)成功處理溶洞起到了關(guān)鍵作用。預(yù)應(yīng)力錨索可以使錨固地層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)并對(duì)加固地層起到加筋作用，可以增強(qiáng)地層的強(qiáng)度，改善地層的力學(xué)性能。同時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索使結(jié)構(gòu)與巖石地層聯(lián)結(jié)在一起，形成共同工作的復(fù)合體，使隧道洞身承受的偏壓力傳遞至穩(wěn)定整體圍巖上，確保隧道洞身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。

通過此次施工，我們創(chuàng)造并總結(jié)了一種高效優(yōu)質(zhì)完成大型填充偏壓型溶洞處治的方法，積累了施工經(jīng)驗(yàn)，為今后類似隧道施工打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐雨.齊岳山隧道大型充填溶腔處理施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006（5）.

[2]何根旺.巖溶地區(qū)隧道施工方法探討[J].公路與汽運(yùn)，2005（3）.

[3]宋秀清，劉杰.隧道施工[M].北京：人民交通出版社，2009（09）.