薛 斌,申志軍

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路隧道巖溶規(guī)?；幹渭夹g(shù)

薛 斌1,2,申志軍2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

宜萬鐵路是目前國內(nèi)外已建和在建工程中巖溶及巖溶水最發(fā)育、最復(fù)雜的工程,159座隧道中巖溶隧道占91座,采取結(jié)構(gòu)措施處理的巖溶共1088處,巖溶的類型主要分為暗河、管道、貧水溶洞、富水溶洞以及裂隙和斷層,針對相同類型的巖溶,采取了規(guī)?；奶幚泶胧?主要有注漿加固、溶腔防護加固、分水降壓、釋能降壓、迂回繞避和隧底溶腔樁基、注漿、鋼管樁、加強板、拱橋等溶腔處治技術(shù)。

宜萬鐵路;巖溶隧道;規(guī)?；幹?/p>

1 工程概況

宜萬鐵路東起宜昌,西至萬州,全長377km,是我國目前在建的地質(zhì)條件最為復(fù)雜的工程,線路位于云貴喀斯特高原之東北緣的鄂西山地,在流域上主要位于長江一級支流的清江流域,該流域在大地構(gòu)造上屬于新華夏系第三隆起帶北北東向構(gòu)造帶與長江中下游東西向構(gòu)造的復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、碳酸鹽巖廣布,巖溶強烈發(fā)育,地勢陡峻、河谷深切,自然坡度一般大于30°,最高海拔1800余m,海拔最低處不足100m,相對高差一般在200～800m。

巖溶隧道分布主要集中在土城、長陽至齊岳山,該段由于碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌發(fā)育。全線隧道159座,總長約338km,巖溶隧道(隧道洞身穿越可溶巖地段)有91座,占全線159座隧道比例為57%,總長度239.349km,占全線隧道總長度的69%,其中隧道洞身位于可溶巖地層長度195.741km,占全線隧道總長度的58%。長度3km以上的巖溶隧道27座。

2 巖溶特征與分類

宜萬鐵路隧道工程巖溶強烈發(fā)育,巖溶及巖溶水極其復(fù)雜,是制約工程建設(shè)的突出問題。宜萬鐵路淺埋隧道一般都位于巖溶的垂直發(fā)育帶中、深埋隧道基本都位于巖溶季節(jié)變動帶和水平循環(huán)帶的交界部位。巖溶發(fā)育的垂向變化與水流運移交替相一致,自地表向下可分為:垂直滲流帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶和深部循環(huán)帶。垂向滲流帶以溶蝕裂隙、溶縫、管道的縱向滲流、管流為主;季節(jié)變動帶以溶洞、管道及地下河紊流為主;水平徑流帶以管道、溶隙的層流為主;飽水緩流帶以溶隙、裂隙滲流為主。巖溶水在垂直循環(huán)帶或水平循環(huán)帶內(nèi)運動的過程中,常切穿各組灰?guī)r地層,匯集于各向斜軸部、背斜的兩翼、隔水巖層界面、深切溪溝等處。

根據(jù)宜萬鐵路所揭露巖溶的規(guī)模、充填情況、水文地質(zhì)情況及對工程的影響情況,巖溶分為暗河、管道、溶腔、溶隙涌水(表1)。宜萬鐵路隧道工程揭示需采取工程措施的巖溶1088處,溶腔約占90%;裂隙約占3%;管道約占7%;暗河主要在野三關(guān)隧道和五爪觀隧道有揭露。從揭示溶腔的數(shù)量、規(guī)模及對工程的影響程度統(tǒng)計,宜萬鐵路隧道巖溶發(fā)育率與地表埋深的關(guān)系成反比,即垂向滲流帶巖溶發(fā)育程度高,深部循環(huán)帶巖溶發(fā)育程度低,但深部循環(huán)帶揭示的高壓富水溶腔,由于溶腔水壓高、水量大、充填介質(zhì)可注性差等特點,極易發(fā)生突水突泥風(fēng)險。如圖1～圖4所示。

表1 宜萬鐵路隧道揭示巖溶分類

宜萬鐵路隧道揭示大量巖溶、巖溶水地質(zhì)問題,為溶腔的規(guī)?；幹翁峁┝饲疤釛l件。在宜萬鐵路建設(shè)過程中,通過對巖溶工程的處治,形成了針對不同巖溶、巖溶水較為系統(tǒng)的處理方案。

圖1 大型富水充填淤泥溶洞

圖2 大型充填泥礫塊石溶洞

圖3 暗河水及堆積物

圖4 全充填黏土夾塊石大型溶洞

3 巖溶處治技術(shù)

宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?較為系統(tǒng)地研究了注漿、溶腔防護加固、隧底跨越、巖溶水引排、繞避迂回等技術(shù)的適用條件和技術(shù)措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法。宜萬鐵路隧道巖溶的規(guī)?；幹蔚膽?yīng)用和推廣,推動了巖溶處治技術(shù)水平的提高,增強了決策巖溶處理方案的時效性和正確性。

3.1 注漿技術(shù)

(1)注漿技術(shù)的應(yīng)用

注漿在宜萬鐵路巖溶處理中廣泛應(yīng)用,應(yīng)用范圍包括超前加固地層、超前注漿堵水、基底加固提高地基承載力、開挖后封堵裂隙水等。見表2。

表2 宜萬鐵路隧道巖溶工程注漿技術(shù)應(yīng)用情況

(2)信息化注漿技術(shù)

全斷面帷幕注漿的基本思路是,假定地層是均勻的,設(shè)計時需要對松弛區(qū)進行注漿加固(堵水加固),而實際施工過程中,地層是不均勻的,具有不均勻的透水性,外側(cè)水壓力也是不均勻分布的。因此往往造成局部孔很難注入,對地層改良效果難以達到全斷面帷幕注漿的目的,從而增加大量的鉆孔工程量,影響施工進度,增加了工程投入。因此在注漿施工過程中,必須根據(jù)地層實際情況進行合理化設(shè)計。

宜萬鐵路通過齊岳山F11高壓富水?dāng)鄬幼{研究,提出了信息化注漿技術(shù)。信息化跟蹤注漿工法是通過“分區(qū)定位、鎖定水源,外堵內(nèi)固、局部加強”的手段對高壓富水地層進行堵水和加固,注漿效果好。與全斷面帷幕注漿工法相比,在注漿循環(huán)時間上可以縮短一半,工程投入上可以節(jié)省50%。信息化跟蹤注漿工法的研究是注漿技術(shù)的一次重大飛躍,它使注漿技術(shù)由原來的粗放化過渡到精細(xì)化,填補了國內(nèi)外注漿技術(shù)的一項空白,具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 巖溶大廳溶腔防護加固

由于巖溶發(fā)育的特性、山區(qū)巖溶隧道選線的地質(zhì)復(fù)雜性、選線線位的局限性(受車站位置、線路縱坡的雙重控制),隧道線位高程位于垂直滲流帶、季節(jié)變動帶、水平徑流帶附近時,均可能遭遇與線位相交的大型巖溶大廳,巖溶大廳一般為半充填或無充填的大型溶洞,一般無水或雨季期間承接過路水。巖溶大廳處治過程中最主要的風(fēng)險源是溶腔頂部的危巖落石對施工安全的影響,由于巖溶大廳發(fā)育的不規(guī)則性、危巖落石的不確定性,極大地增加了隧道穿越巖溶大廳的處理難度和施工風(fēng)險。

巖溶大廳溶腔防護的處治技術(shù)和安全注意事項如下。

(1)揭示溶腔:通過超前預(yù)報鎖定溶腔靠開挖側(cè)的溶腔界面,通過水文分析,對無水溶腔原則采用爆破揭示,爆破揭示前做好相關(guān)安全防護工作,防止隧底隱伏巖溶塌陷造成機械人員墜落。

(2)巖溶大廳初步勘測:巖溶大廳揭示后,應(yīng)立即做好巖溶大廳周邊警戒工作。由于爆破對巖溶大廳的影響,原則上不應(yīng)立即進入大廳內(nèi)勘測。同時應(yīng)停止巖溶大廳影響范圍內(nèi)的爆破作業(yè),一般在巖溶大廳揭示2d后,經(jīng)觀察確定巖溶頂板基本穩(wěn)定后,由少量人員(3人以下)進入巖溶大廳進行初步勘察,勘察時應(yīng)做好相關(guān)安全防護措施,并選擇合理的行走線路。

(3)巖溶大廳的頂板加固與防護:根據(jù)巖溶大廳與隧道線位的空間關(guān)系,確定巖溶大廳的防護加固范圍和工程措施。

①巖溶大廳主要發(fā)育在隧頂以下高程:做好隧底防護工作,必要時可局部先回填隧底空腔形成作業(yè)平臺。

②巖溶大廳頂板位于隧頂以上:逐步推進采用機械清除隧道影響范圍溶腔頂部可能塌落的危石;對隧道范圍內(nèi)巖溶大廳頂板,一般采用護墻支頂、立柱支頂以減小凌空面進行加固;對立柱支頂高度過高,可采用拱罩防護。

③輔助坑道遭遇大型巖溶大廳,一般選擇迂回繞避通過。

3.3 隧底跨越

隧底溶腔的處理方式有基底換填、注漿(鋼管樁)、板(梁)跨越、拱橋跨越、樁基承臺、路基填筑等形式,在選擇隧底處理方案時,應(yīng)遵循以下3個原則:一是施工方案的風(fēng)險性應(yīng)小,二是施工方案的可操作性,三是盡量減少運營期間沉降的隱患。宜萬鐵路隧道巖溶工程隧底處理方案見表3。

表3 宜萬鐵路隧道巖溶工程隧底處理方案

3.4 迂回繞避

在遭遇大型溶腔時,充分認(rèn)識和利用巖溶的可繞避性,合理進行施工組織安排。

(1)正線探遇大規(guī)模溶腔時,堅持兩條腿走路:一是通過超前探測探清溶腔規(guī)模和溶腔對隧道施工的影響,確定施工方案;二是綜合分析地質(zhì)情況,通過超前探孔確定迂回方案,及時調(diào)整施工組織,確保工期目標(biāo)的實現(xiàn)。

(2)輔助坑道探遇大規(guī)模溶腔時,應(yīng)進行繞行與溶腔處理的方案比選,在不影響輔助坑道使用功能的前提下,應(yīng)優(yōu)先考慮迂回繞避,以達到節(jié)約時間、節(jié)省投資的目的。

3.5 釋能降壓

針對高壓富水充填溶腔,鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部經(jīng)過長時間研究和工程實踐探索,提出了釋能降壓法。經(jīng)專家論證,并經(jīng)野三關(guān)、大支坪、云霧山、馬鹿箐隧道高壓富水充填溶腔驗證,實現(xiàn)了高壓富水充填溶腔重大突破,保證了施工安全,節(jié)省了投資。

釋能降壓法是指在隧道施工中遇到高壓富水充填溶腔時,選擇適當(dāng)時機采取有計劃、有目的精確爆破,把溶腔爆開,釋放溶腔中儲存的高壓水,削減勢能,降低泥水壓力,從而消除隧道施工中的高風(fēng)險,然后進行安全清淤、加強支護、快速通過、及時施作底部結(jié)構(gòu)和二次襯砌等配套處治措施,來完成溶腔段施工的一種新的施工方法。釋能降壓法包括查找溶腔、判釋溶腔、鎖定溶腔、打開溶腔、處治溶腔5個階段,在釋能降壓實施過程中,通過水文監(jiān)測、洞外排水系統(tǒng)、洞外警戒系統(tǒng)、洞內(nèi)排水線路、洞內(nèi)相鄰洞室分隔、洞內(nèi)外預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)、進洞條件、進洞觀察安全撤離線路等八項專項設(shè)計的實施,確保施工安全。

釋能降壓法處理高壓富水充填溶腔是富水巖溶處治技術(shù)的思想創(chuàng)新,它突破了傳統(tǒng)的注漿法、凍結(jié)法,其技術(shù)豐富、全面、先進、可靠,是一項針對高壓富水充填溶腔處治的創(chuàng)新工法。通過宜萬鐵路多個高壓富水充填溶腔的實踐檢驗,釋能降壓法是安全的、快速的,工期和造價是合理的、科學(xué)的,它填補了國內(nèi)外高壓富水充填溶腔處治技術(shù)的一項空白。

3.6 巖溶水治理技術(shù)

宜萬鐵路巖溶水系統(tǒng)類型規(guī)模不等、形態(tài)復(fù)雜、類型各異,根據(jù)控制巖溶水系統(tǒng)的地質(zhì)構(gòu)造以及巖溶地下水系統(tǒng)的補給、徑流、排泄條件,將巖溶地下水系統(tǒng)劃分為向斜匯水集中排泄型;向斜匯水分散排泄型;背斜匯水集中排泄型;背斜匯水分散排泄型;帶狀徑流排泄型5種類型。根據(jù)巖溶水對隧道工程的影響,按垂直滲流帶過路水(過水管道)、巖溶裂隙水、高壓富水溶腔、接通暗河水等類型進行劃分。巖溶水治理技術(shù)見表4。

4 工程案例:龍麟宮隧道DK231+796溶腔處理(龍麟宮2號溶腔)

龍麟宮隧道掌子面掘進DK231+796處,揭示一特大型溶腔,溶腔縱向發(fā)展約100m,橫向發(fā)展約150m,溶腔頂板在軌面以上10～20m,溶腔底板在軌面以下12～20m。溶腔開挖揭露的灰?guī)r層厚為50～80cm,近水平產(chǎn)狀,局部軟弱夾層,溶腔頂部不穩(wěn)定,有大塊巖石巖沿軟弱層面剝落。該溶腔為古暗河通道,雨季時承接部分過路水。溶腔處理方案如下。

表4 宜萬鐵路隧道巖溶水治理對策

(1)迂回導(dǎo)坑繞行:為解決DK231+796掌子面受阻,溶腔段采用迂回導(dǎo)坑繞行。

(2)溶腔防護:①采用機械清除溶腔頂部可能塌落的危石,隧道兩側(cè)8m范圍以內(nèi)搭設(shè)滿堂支架頂至溶腔頂板進行錨噴網(wǎng)防護;②立柱支頂:溶腔大廳段采用φ1.4m的立柱支頂,根據(jù)“永臨結(jié)合”的原則,隧道每側(cè)設(shè)置2排。

(3)隧道結(jié)構(gòu):隧底空腔段(DK231+705～DK231+735)采用路基填筑+整體隧道結(jié)構(gòu);“鷹嘴”段(DK231+735～DK231+755)為控制隧道結(jié)構(gòu)的不均勻沉降,右側(cè)隧底鋼管樁加固,上部采用偏壓式隧道結(jié)構(gòu);大廳段(DK231+755～DK231+796)隧底充填洞砟及深層充填型溶腔采用鋼管樁及注漿加固相結(jié)合處理措施,上部采用框架結(jié)構(gòu)支頂。如圖5～圖11所示。

圖5 DK231+796大型溶腔平面(單位:cm)

圖6 溶腔頂板

圖7 溶腔落石

圖8 溶腔大廳立柱支頂

圖9 路基填筑段處理典型橫斷面

圖10 鷹嘴段處理典型橫斷面

圖11 溶腔大廳段處理典型橫斷面

5 體會

宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?研究了注漿技術(shù)、溶腔防護加固、隧底跨越技術(shù)、巖溶水引排、繞避迂回等技術(shù)的適用條件和技術(shù)措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法,為今后類似工程提供了借鑒。宜萬鐵路巖溶隧道在施工過程中,通過對溶腔規(guī)?；幹?較為系統(tǒng)地研究了注漿、溶腔防護加固、隧底跨越、巖溶水引排、繞避迂回等技術(shù)的適用條件和技術(shù)措施,創(chuàng)新了釋能降壓工法。宜萬鐵路隧道巖溶的規(guī)?；幹蔚膽?yīng)用和推廣,推動了巖溶處治技術(shù)的提高,增強了決策巖溶處理方案的時效性和正確性。

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[2] 朱鵬飛.宜萬線隧道工程施工地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報策劃與應(yīng)用效果評價[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005(5).

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U452.2+7

B

1004 -2954(2010)08 -0068 -04

2010 -06 -10

薛 斌(1982—),男,助理工程師,2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué),E-mail:tsyxb@vip.163.com。