公路隧道側(cè)穿大型非充填型溶腔處治方案研究

張 雷

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司 合肥市 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運輸行業(yè)研發(fā)中心 合肥市 230088)

0 引言

我國西南地區(qū)是巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū),約占國土面積的1/3,擁有種類最多的巖溶地貌,包括溶蝕、溶蝕-侵蝕和溶蝕-構(gòu)造[1]。巖溶既是寶貴的自然資源,也是棘手的工程問題。近年來,西南地區(qū)交通建設(shè)快速發(fā)展,地下工程建設(shè)中不可避免會遇到巖溶地貌,如何降低復(fù)雜巖溶給工程建設(shè)帶來的不利影響,成為學(xué)界和業(yè)界關(guān)注的重要問題。

目前,國內(nèi)外學(xué)者已對隧道穿越溶洞處治方案進(jìn)行了大量研究,如余龍選取隧道頂部、邊墻和底板三處代表性位置的溶洞處治案例進(jìn)行了詳細(xì)分析[2]。趙少忠等以齊岳山隧道為依托,闡述施工過程中遇到不同位置溶洞時的處治方案[3]。聶信輝根據(jù)高速鐵路蘭花隧道施工過程中揭露的溶洞發(fā)育規(guī)模及隧址區(qū)水文地質(zhì)條件,分別提出了合理的處治方案[4]。劉旭斌等提出在特長深埋巖溶隧道中應(yīng)使用物探為主、鉆探為輔,中長距離與短距離探測相結(jié)合的預(yù)報技術(shù),降低隧道施工風(fēng)險[5]。

關(guān)于隧道穿越大型溶洞的研究相對較少。何省等以工程實例為依托,分析大型空溶洞和充填型溶洞的處治思路及措施[6]。林本濤等通過對比分析認(rèn)為,大體積混凝土空心回填處治方案比橋梁跨越、棄渣回填兩種方案更安全,具有沉降易控制、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、施工難度低等優(yōu)點[7]。袁永才等針對尚家灣隧道特大下伏無充填型溶洞,分別采取填堵法和跨越法進(jìn)行治理[8]。王建等針對貴州某隧道底面巨型溶洞難以回填的情況,采取工字鋼加鋼筋混凝土板的新型處治方案[9]。

西南地區(qū)由于其特殊的喀斯特地貌,工程建設(shè)中不可避免遇到大型溶洞。由于隧址區(qū)地質(zhì)及水文條件不同,揭露出的溶洞規(guī)模、位置及形態(tài)也不盡相同,因此需要結(jié)合實際工程情況具體分析。文章以西南某隧道側(cè)穿大型空腔溶洞工程為例,詳細(xì)介紹處治方案及注意事項,以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某特長隧道隧址區(qū)地處北回歸線以北,屬亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風(fēng)立體氣候,區(qū)域垂直氣候分帶明顯,氣候干濕季明顯,每年降水多集中在6月至10月。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)可知,隧址區(qū)的地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s,地震動峰值加速度分區(qū)為0.10g,地震烈度Ⅶ度區(qū)。

隧址區(qū)主要地層為第四系殘坡積(Q4el+dl)層,二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r,隧道灰?guī)r段巖溶較為發(fā)育,隧道區(qū)地表水較發(fā)育,區(qū)內(nèi)沖溝溝向主要沿西南至東北向,溝內(nèi)常年流水,隧道區(qū)地下水為第四系孔隙潛水類型、基巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水類型。

2 溶洞揭露過程

溶洞段巖性為灰?guī)r,Ⅳ級圍巖,采用兩臺階法施工,施工中發(fā)現(xiàn)掌子面右側(cè)揭露溶洞,初步揭露大小約8m×4m,溶洞頂部有少量裂隙滲水,無突泥涌水跡象。由于初始揭露溶洞處在此前一次與下一次預(yù)報搭接范圍內(nèi),且位于隧道側(cè)邊,故施工預(yù)報未提前發(fā)現(xiàn)。同時,嚴(yán)格按照臺階法施工,降低了一次性揭露溶洞的風(fēng)險。后續(xù)在保證施工安全的前提下,將溶洞全部揭露。

經(jīng)現(xiàn)場測量,確定溶洞縱向最大長度約35m,最大寬度約38m,隧道拱頂至以上最大高度約22m,溶洞揭露最大深度為隧道路面層以下,約12m。揭露溶洞區(qū)灰?guī)r巖層為中～厚層,巖層產(chǎn)狀相對穩(wěn)定,但頂部存在較多尖銳針狀鐘乳石,局部處于不穩(wěn)定狀態(tài);溶洞底部濕潤,凹凸不平,多為大塊石;底部凹陷,有巖溶水匯集,沿隧道開挖方向右前側(cè)排出,具體見圖1。

圖1 溶洞與隧道相對位置關(guān)系圖(單位:m)

3 溶腔底部物探分析

由于巖溶發(fā)育具有隱蔽性,且溶腔底部溶洞發(fā)育情況將直接影響處治方案的安全性,為了查明場地巖溶發(fā)育基本情況,需采取物探手段。

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是一種用于探測地下介質(zhì)分布的廣譜(10MHz～1GHz)電磁技術(shù),基于該技術(shù)的現(xiàn)場物探方法簡單、快速、成熟,已廣泛應(yīng)用于淺部巖溶、洞穴的探測工程[10]。其原理是利用一個天線(T)發(fā)射高頻電磁波,另一個天線(R)接收來自地下介質(zhì)界面的反射波,通過對點反射體的圖像為雙曲線,而面反射體保持原形狀這一特性,對接收的反射波形態(tài)進(jìn)行解譯,從而推斷地層結(jié)構(gòu)及地質(zhì)異常體,達(dá)到巖溶探測的目的。

該項目在溶腔底部布設(shè)3條縱測線,通過測線解釋結(jié)果推斷探測范圍內(nèi)潛在地質(zhì)異常的分布趨勢。進(jìn)行物探前,需開展溶腔內(nèi)水文情況調(diào)查,確定處治范圍內(nèi)溶腔底部無排水通道后,采用C15混凝土將凹凸處填平,為物探工作提供工作平臺,隨后即可開展物探工作。

通過該項目溶腔底部布設(shè)的3條物探測線,結(jié)合物探剖面和物探解釋圖可知,底部并未存在較大溶腔,僅局部位置存在小溶腔,物探結(jié)果見圖2。

圖2 隧道溶洞段物探解釋圖

4 處治方案

考慮揭露的溶腔為非充填型,且溶腔內(nèi)部整體狀態(tài)較穩(wěn)定,根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)對溶腔底部進(jìn)行探測的解譯成果,最終確定“固底-強(qiáng)腰-穩(wěn)頂”的處治方案,處治設(shè)計圖如圖3。

圖3 隧道溶洞處治設(shè)計圖

4.1 固底

固底處治方案主要包括三方面,一是對已揭露溶腔底部的處理,二是對隧道底部的處理,三是對基地水的疏導(dǎo)。

(1)通過對物探資料的解譯,發(fā)現(xiàn)在隧道底板5m范圍內(nèi)存在少量無填充型溶洞。施工過程中,通過施作灌漿孔驗證其實際深度,設(shè)計最終采用C15混凝土填充,處理后再次進(jìn)行物探,確定處治效果。

(2)該隧道溶腔底部無隱伏性溶洞,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臺,清理溶腔周邊危石,同時在隧道結(jié)構(gòu)底部采用長4.0m,Φ 42mm×4mm的注漿小導(dǎo)管對隧道底部進(jìn)行注漿加固處理,保證隧道底部穩(wěn)定,防止后期發(fā)生不均勻沉降。

(3)固底過程中,單獨修筑了寬1.0m,高0.6m的排水溝,起到收集、引排作用,將巖溶裂隙水引至原有排水通道處,防止基礎(chǔ)被水清泡。

4.2 強(qiáng)腰

強(qiáng)腰主要體現(xiàn)在兩方面,一是對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的加強(qiáng),共分三段,分別為已開挖段、穿越溶洞段及穿越溶洞后開挖段,二是對隧道穿越溶洞外側(cè)進(jìn)行強(qiáng)腰設(shè)計。

(1)考慮現(xiàn)場施工二襯臺車長度及相關(guān)規(guī)范對加強(qiáng)段的最小長度要求,該處治方案對已開挖初期支護(hù)已施作段12m范圍內(nèi)的襯砌進(jìn)行加強(qiáng)處理。由于現(xiàn)場已施作二襯仰拱,為確保結(jié)構(gòu)安全,對拱墻二襯進(jìn)行配筋,對穿越溶洞后期開挖段落12m范圍內(nèi)襯砌進(jìn)行升級加強(qiáng),同時對穿越溶洞區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加強(qiáng),具體加強(qiáng)參數(shù)見表1。

表1 溶洞段加強(qiáng)襯砌設(shè)計參數(shù)

(2)在隧道掘進(jìn)方向右側(cè)溶洞較大位置設(shè)置偏壓式明洞擋墻及護(hù)拱,擋墻最小厚度2.0m,擋墻墻面坡率為1:0.3,其余段落在溶洞段襯砌外設(shè)置護(hù)拱,護(hù)拱厚度2.0m,掩護(hù)施工操作,保護(hù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)。穿越溶洞段應(yīng)及時施作溶洞段初期支護(hù)和二次襯砌,最終與溶洞側(cè)擋墻及護(hù)拱共同發(fā)揮作用,起到強(qiáng)腰作用。

為便于護(hù)拱混凝土泵送和吹填細(xì)沙施工,可預(yù)留輸送管,梅花形交錯布置,橫縱向間距2.0m;C25擋墻底部設(shè)置長度0.5m,間距0.5m×1.0m的C22mm鋼筋與C15混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行錨固連接。

4.3 穩(wěn)頂

穩(wěn)頂是保證施工安全和保護(hù)運營期間隧道結(jié)構(gòu)的重要一環(huán)。穩(wěn)頂主要體現(xiàn)在兩個方面,一是已施作結(jié)構(gòu)的頂部、擋墻頂部及護(hù)拱頂部,二是溶腔頂部。

(1)施工前對溶腔頂部進(jìn)行清危,并在溶腔周邊初噴2cm C25早強(qiáng)混凝土,起到臨時封閉作用。對于經(jīng)過后期處治仍外露的溶腔頂部,采用C25早強(qiáng)混凝土(厚8cm)、φ8mm鋼筋網(wǎng)(間距0.2m×0.2m)和C22砂漿錨桿(長3m,間距1.0m×1.0m)進(jìn)行加固,最終形成錨網(wǎng)噴綜合防護(hù)系統(tǒng),對溶腔頂部起到穩(wěn)頂作用。

(2)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100年,故仍需考慮已處理溶腔后期的溶蝕變化。設(shè)計中,要求待護(hù)拱達(dá)到承載力要求后,吹填約2.0m厚細(xì)沙作為緩沖層,對后期鐘乳石或掉塊起到緩沖作用,保證護(hù)拱和隧道結(jié)構(gòu)運營期安全。

5 結(jié)論

(1)隧道穿越大型非充填型溶腔時,采用“固底-強(qiáng)腰-穩(wěn)頂”的處治方案可加快施工進(jìn)度,保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

(2)隧道穿越大型非充填型溶腔時,應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域水文地質(zhì)特性調(diào)查。巖溶水處治應(yīng)貫徹“宜疏不宜堵”的理念,同時加強(qiáng)穿越溶洞段落結(jié)構(gòu)防排水措施。

(3)隧道穿越可溶性巖區(qū)易出現(xiàn)巖溶,施工中應(yīng)堅持長短預(yù)報相結(jié)合,避免因預(yù)報搭接導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)不及時。同時,巖溶發(fā)育區(qū)開挖不宜采用全斷面法,應(yīng)避免一次暴露溶腔帶來的直接傷害。

(4)巖溶發(fā)育具有無規(guī)則性和隱蔽性,施工過程中應(yīng)保證系統(tǒng)錨桿及超前支護(hù)加固圍巖的同時,對隧道周邊溶洞發(fā)育情況起到預(yù)探作用。