巖溶區(qū)隧道泄水洞下穿充填性溶洞技術措施

熊軍

（渝涪鐵路有限責任公司，重慶 400023）

1 工程概況

渝懷鐵路增建二線新武隆隧道進口里程ZDK175+375，出口里程ZDK184+817，全長9442 m，最大埋深900 m，位于既有武隆隧道左側(cè)，兩隧間距13～80 m。新武隆隧道位于烏江右岸，隧址區(qū)地表起伏大。隧道中部為可溶巖地區(qū)，地層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組、飛仙關組灰?guī)r及二疊系灰?guī)r，巖溶及地下水發(fā)育。

新武隆隧道中部橫洞工區(qū)施工到ZDK179+900—ZDK180+100 段時揭示到2#，3#暗河，推測最大涌水量為832 萬m3/d。采用新建環(huán)行集水廊道，將暗河水引排至既有集水廊道，再通過既有泄水洞排至洞外烏江。隧道施工期間于ZDK180+300 線路左側(cè)揭示一富水巖溶管道，實測最大涌水量為2.3 萬m3/d，大于隧道側(cè)溝1.8 萬m3/d 的排水能力。通過增設長200 m 的泄水洞將巖溶水引排至新建集水廊道內(nèi)，再排至洞外，如圖1 所示。泄水洞及集水廊道的凈空斷面尺寸均為4 m（寬）×4 m（高）。原設計泄水洞支護參數(shù)為：I16型鋼拱架間距1.2 m/榀，C25 噴射混凝土厚25 cm，φ25中空注漿錨桿縱環(huán)向間距均為1.5 m，φ8 鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用厚25 cm的C25素混凝土。

圖1 既有武隆隧道與新武隆隧道、集水廊道、泄水洞平面位置關系示意

2 溶洞充填物高度估算

新武隆隧道泄水洞雙向分別掘進至YSDK0+140和YSDK0+133 時，初期支護鋼架變形失穩(wěn)垮塌，兩掌子面涌泥分別至大里程YSDK0+165 和小里程YSDK0+120，大小里程側(cè)涌泥長度分別為25 m 和13 m。涌出物為軟塑狀灰褐色粉質(zhì)黏土。單側(cè)清理涌泥3 m 后再次發(fā)生涌泥，反復多次清理均伴隨涌泥現(xiàn)象，施工中斷。

充填物在重力作用下產(chǎn)生土壓力E0［1-2]，土壓力由涌泥與支護壁間的摩阻力f平衡。根據(jù)涌泥長度，按全覆土重理論［3]采用靜力極限平衡法估算溶洞充填物高度。在重力作用下涌泥與泄水洞拱部支護壁的接觸面積較少，由此產(chǎn)生的摩阻力不計，只計算涌泥與泄水洞邊墻及底板間的摩阻力。

式中：γ為黏土重度，取18 kN/m3；h1為溶洞充填物高度，m；K0為土壓力系數(shù)，取0.4；b為泄水洞內(nèi)涌泥寬度，取4 m；h為泄水洞高度，取4 m；f1，f2分別為黏土與泄水洞側(cè)壁、底板間的摩阻力；L2為極限平衡狀態(tài)下單側(cè)涌泥長度，大小里程側(cè)分別取22 m和10 m；φ1，φ2分別為黏土與泄水洞側(cè)壁、底板間的摩擦角，分別取20°，30°；h2為泄水洞內(nèi)涌泥與邊墻接觸高度，取2 m；r為泄水洞拱部半徑，取2 m。

經(jīng)計算，泄水洞大里程、小里程掌子面處溶洞充填物高度分別為36.6，16.7 m。沿泄水洞軸線方向溶洞充填物高度大里程側(cè)大于小里程側(cè)。因溶洞充填物在兩側(cè)高度不同，導致泄水洞內(nèi)兩側(cè)涌泥長度不一。

3 下穿充填溶洞方案比選

3.1 方案的提出

根據(jù)現(xiàn)場涌泥情況及溶洞充填物高度估算值，采用清理充填物方案不可行，于是提出帷幕注漿+管棚方案和頂管涵方案。

1）帷幕注漿+管棚方案

靠近充填溶洞段原已施作的泄水洞初期支護在充填物重力作用下發(fā)生垮塌，充填物因自穩(wěn)性差而發(fā)生涌泥。若仍以鉆爆法施工泄水洞通過充填溶洞，則須對泄水洞開挖輪廊線外一定范圍內(nèi)的充填物采取超前預加固措施，以防止泄水洞開挖時充填物涌出和支護垮塌。

軟塑狀粉質(zhì)黏土的滲透性低，需通過高壓劈裂注漿的置換、壓滲等作用降低黏土含水率，提高其密實度和結(jié)石率［4]。注漿對黏土的承載力和自穩(wěn)性有所提高，但提高幅度不大［5]，在隧道工程中需配合其他措施使用。采取帷幕注漿后增設φ89 超前大管棚，通過大管棚的梁效應和拱效應［6-7]承擔部分上部荷載，降低作用于泄水洞支護結(jié)構(gòu)的荷載，以確保泄水洞支護結(jié)構(gòu)和施工安全。

帷幕注漿+管棚方案如圖2所示。在YSDK0+120和YSDK0+165處設置止?jié){墻兼作管棚導向墻，采用高壓帷幕注漿，注漿范圍為開挖輪廊線外3 m。注漿后分別于YSDK0+120 和YSDK0+165 處施作長18 m 及30 m 的φ89 超前大管棚。帷幕注漿及管棚施工完成后再進行泄水洞的開挖支護，以此通過充填溶洞段。調(diào)整后的泄水洞支護參數(shù)為：I16型鋼拱架間距0.8 m/榀，C25 噴射混凝土厚25 cm，φ25 mm 中空注漿錨桿縱環(huán)向間距均為1 m，φ8 鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用厚25 cm的C25素混凝土。

圖2 帷幕注漿+管棚方案示意

2）頂管涵方案

采用頂管涵下穿充填溶洞及涌泥段，以頂管涵連通涌泥段兩側(cè)已建成的泄水洞，形成排水通道。頂管承受土壓力［8-9]，通過頂管與黏土的摩阻力使充填物在頂管施工過程中保持穩(wěn)定和施工安全［10-11]。頂管涵既作為下穿充填溶洞的預支護措施和支護結(jié)構(gòu)，也作為排泄巖溶水的構(gòu)筑物，代替未施工段落、支護已垮塌段落以及被涌泥堵塞段落的泄水洞。

頂管涵方案如圖3 所示。在YSDK0+120 和YSDK0+165 處設置封堵墻，采用長45 mφ1.5 m 鋼筋混凝土頂管涵下穿充填溶洞段。

圖3 頂管涵方案示意

3.2 兩種方案對比分析

帷幕注漿和管棚是泄水洞施工前的超前預加固措施，其預加固效果可通過泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移間接體現(xiàn)。初期支護承受所有荷載，二次襯砌在初期支護穩(wěn)定后施工，按不承受荷載考慮。因此，可通過對比分析泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)和頂管涵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移來間接對比帷幕注漿+管棚方案和頂管涵方案，并從安全性、經(jīng)濟性等方面進行比較。

3.2.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移

圖4 計算模型

采用MIDAS 軟件分別對兩種方案的施工過程進行數(shù)值模擬，計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移。根據(jù)充填物估算高度，模型尺寸采用在結(jié)構(gòu)頂部以上40 m，底部以下15 m，左右兩側(cè)各20 m。計算模型見圖4。模型材料參數(shù)見表1。在泄水洞橫斷面選取7個監(jiān)測點，在頂管涵橫斷面上選取4 個監(jiān)測點。監(jiān)測點布置如圖5所示。

表1 模型材料參數(shù)

圖5 監(jiān)測點布置

兩種方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比見圖6。由圖6（a）和圖6（b）可知：泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)的彎矩在-40.284～94.896 kN·m，頂 管 涵 結(jié) 構(gòu) 的 彎 矩 在-33.449～36.655 kN·m。正彎矩位于結(jié)構(gòu)左右側(cè)，負彎矩位于結(jié)構(gòu)上下側(cè)。頂管涵結(jié)構(gòu)正負彎矩均小于泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)，頂管涵最大正彎矩約為泄水洞的38.6%，頂管涵最大負彎矩約為泄水洞的83.0%。

圖6 兩種方案的結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

由圖6（c）和圖6（d）可知：兩種方案結(jié)構(gòu)的軸力均為壓力，泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)的軸力在-654.875～-411.659 kN，頂管涵結(jié)構(gòu)的軸力在-647.195 ～-328.153 kN。頂管涵結(jié)構(gòu)軸力小于泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)，其最大軸力、最小軸力分別約為泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)的79.71%，98.83%。

泄水洞測點位移見表2。參看圖5，表中水平位移向右為正，垂向位移向上為正，反之則反。可知：右邊墻測點X5 水平位移最大，左邊墻測點X4 的水平位移次之，拱頂測點X1水平位移最小。測點X5與X4相向移動，根據(jù)其水平位移計算的水平凈空收斂為34.9 mm。泄水洞各測點均產(chǎn)生垂直向下的位移，測點X1 垂向位移最大，測點X7垂向位移最小。

表2 泄水洞測點位移 mm

頂管涵測點位移見表3。參看圖5，表中水平位移向右為正，垂向位移向上為正，反之則反。可知：頂管涵各測點的水平位移均較小，測點G2 水平位移最大，測點G4水平位移最小。G2與G3點的水平位移方向相反，根據(jù)其水平位移計算的水平凈空收斂為-1.109 mm。測點G1與測點G4水平位移方向相反。各測點的垂向位移均在1 mm以下。測點G1發(fā)生沉降，測點G2—G4向上隆起，測點G4的隆起量最大。

表3 頂管涵測點位移 mm

根據(jù)表2，結(jié)合泄水洞垮塌前后的初期支護參數(shù)可以看出，在采取帷幕注漿加管棚預加固措施和增加支護剛度后，泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移減小，支護效果與剛度成正比。

對比表2—表3可知，泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)最大水平位移和垂向位移均大于頂管涵結(jié)構(gòu)，其值分別為頂管涵的31.38 倍和41.18 倍，在最大值上存在數(shù)量級的差別。頂管涵4個測點的水平位移和垂向位移均小于1 mm，說明采用閉合結(jié)構(gòu)并先支護后開挖，可極大減小位移。

綜上所述：泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力及位移均大于頂管涵結(jié)構(gòu)，說明頂管涵支護效果優(yōu)于帷幕注漿+管棚；頂管涵圓形結(jié)構(gòu)力學特性優(yōu)于泄水洞結(jié)構(gòu)，閉合結(jié)構(gòu)受力優(yōu)于開口結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)斷面越小內(nèi)力越小。

3.2.2 圍巖塑性區(qū)分布

兩種方案圍巖塑性區(qū)分布見圖7?？芍横∧蛔{+管棚方案圍巖塑性區(qū)范圍顯著大于頂管涵方案。帷幕注漿+管棚方案圍巖塑性區(qū)主要集中在泄水洞拱部及以上區(qū)域；頂管涵方案圍巖塑性區(qū)位于頂管涵四周，塑性區(qū)小且對稱。說明頂管涵方案對圍巖的擾動小于帷幕注漿+管棚方案，閉合結(jié)構(gòu)的圍巖塑性區(qū)小于開口結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)斷面越小圍巖塑性區(qū)越小，由此表明頂管涵結(jié)構(gòu)承受的荷載小于泄水洞初期支護結(jié)構(gòu)。

圖7 圍巖塑性區(qū)分布

3.2.3 安全性及經(jīng)濟性

1）安全性

帷幕注漿+管棚方案施工管棚前須拆除已施作的初期支護和擴挖拱部，這會對圍巖產(chǎn)生二次擾動，且原圍巖破碎，存在掉塊坍塌的風險。泄水洞開挖支護工序多，支護封閉成環(huán)時間長；泄水洞開挖支護的安全性與注漿加固質(zhì)量、施工方法、施工質(zhì)量等密切相關，影響因素多，施工安全風險較高。

頂管涵施工工序為先頂進后開挖，循環(huán)作業(yè)至貫通。頂管涵既能起到預支護作用又可作為具排泄功能的永久結(jié)構(gòu)，施工工序少，結(jié)構(gòu)閉合，施工安全風險低。

2）經(jīng)濟性

帷幕注漿+管棚方案施工工期為：帷幕注漿20 d，初期支護拆除及管棚段擴挖支護15 d，管棚鉆進及注漿15 d，泄水洞開挖支護20 d，合計總工期70 d。頂管涵方案施工工期為：準備工作3 d，導向墻施工5 d，頂管施工30 d，合計38 d。帷幕注漿+管棚方案施工工期是頂管涵方案的1.8倍。在相同管理人員數(shù)量的條件下，其施工管理費用是頂管涵方案的1.8倍。

經(jīng)估算，帷幕注漿+管棚方案綜合單價約1.5萬元/m，頂管涵方案綜合單價約0.5萬元/m。在相同施工長度條件下，帷幕注漿+管棚方案工程造價約為頂管涵方案的3倍。

4 結(jié)論與建議

新武隆隧道增設泄水洞段采用頂管涵成功下穿充填溶洞，以45 m 頂管涵代替45 m 泄水洞，避免了采用鉆爆法施工泄水洞下穿充填溶洞時所需的帷幕注漿和管棚預支護措施，實現(xiàn)了方案的綜合效益最優(yōu)化。結(jié)論與建議如下：

1）與帷幕注漿+管棚方案相比，頂管涵方案具有結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移小、塑性區(qū)小且對稱、施工工序少、工期短、造價低、安全性高等優(yōu)點，可用于下穿充填溶洞段。

2）閉合結(jié)構(gòu)優(yōu)于開口結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)條件差、安全風險高的段落，可采用閉合型的超前預支護或支護結(jié)構(gòu)，以提升施工和結(jié)構(gòu)的安全性。

3）本文中的頂管涵用于隧道輔助工程，其在正線隧道中應用的可行性，可結(jié)合注漿、管棚等措施進一步研究論證。