傅鶴林,熊毅

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隧道中特大型廳堂式巖溶處理方案比選

傅鶴林,熊毅

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南長沙, 410075)

位于湖南省永吉高速第4合同段的那丘隧道左線主洞掌子面施工至K14+513處, 發(fā)現(xiàn)K14+350～520段大型溶洞, 為廊道廳堂式大型巖溶。通過對水文地質(zhì)分析, 提出了改橋、回填和改線3種方案對溶洞進行處理, 以排除隱患。用施工難度和工程造價2個主要因素對3種方案進行了比選, 最終選擇了最優(yōu)的回填方案對溶洞進行處理。

那丘隧道; 廳堂式巖溶; 處理方案; 比選

那丘隧道, 位于湖南省永吉高速第4合同段, 為長隧道。左線K12+060～K14+935, 長2 875 m, 右線K12+060～YK14+920, 長2 860 m。隧道基本為東西走向, 西端永順端洞口位于猛洞河岸邊, 接猛洞河大橋。該隧道所處地貌屬于巖溶中低山地貌, 隧道沿線地形起伏較大, 地面高程在427.06～640.27 m之間, 隧道最大埋深約185 m。隧道段不良地質(zhì)為巖溶, 巖溶型態(tài)以豎直方向的巖溶塌陷為主, 其次有淺表的溶蝕溝槽。詳勘時發(fā)現(xiàn)隧道出口段發(fā)育有4個較大的巖溶塌陷坑, 1號巖溶塌陷坑發(fā)育于K13+730左90 m, 2號巖溶塌陷坑發(fā)育于K14+000右85 m, 3號巖溶塌陷坑發(fā)育于K14+360左20 m, 4號巖溶塌陷坑發(fā)育于K14+600左100 m。本次發(fā)現(xiàn)的廳堂式溶洞基本位于3, 4號塌陷坑的下方, 其平面圖見圖1。該溶洞具有規(guī)模大(縱向長度近200 m)、走向基本與左洞軸線一致、部分段落存在高位半隧道掛壁、溶洞底板較隧底落差較大(最高達(dá)38 m、縱向長度近90 m)和處治風(fēng)險極高等特殊性。

圖1 廳堂式隧道與線路的平面關(guān)系

根據(jù)以往的工程處置經(jīng)驗, 當(dāng)隧道基地溶洞縱向發(fā)育范圍較大, 基底的深度達(dá)到20～30 m時, 可采用橋梁的方式進行處治[1], 如宜萬鐵路魯竹壩2#隧道DK204+610～+775特大型溶洞采用了橋梁的形式進行處治。當(dāng)溶洞規(guī)模大時, 也常采用填充回填的形式進行處治[2–3], 如龍麟宮隧道出口處DK232+467～+397特大型巖溶處治就是采取分層填筑的方法進行處治的[4–6]。

針對所發(fā)現(xiàn)的特大型廳堂式巖溶, 結(jié)合以往特大型巖溶隧道的處治經(jīng)驗, 該工程設(shè)計了橋梁、回填和改線3種處理方案。本文將對以上3種方案從技術(shù)經(jīng)濟及施工難度等角度進行比選, 以找出最合適的處理方案, 為工程提供技術(shù)支持, 并為類似工程提供參考。

1 巖溶介紹及補堪情況

根據(jù)測繪成果, 廊道廳堂式溶洞位于那丘隧道左洞K14+350～520段, 平面上溶洞的走向與隧道走向基本重合, 長170 m, 溶洞東西兩端均發(fā)育有過水通道, 雨季時水流各自流向兩端。因過水?dāng)嗝孑^小, 人員進入極為困難, 因此永順端通道前方情況暫未探明。

K14+350～370段, 溶洞底板在隧道設(shè)計高程下32 m左右, 溶洞頂板在隧道設(shè)計高程下10～28 m, 洞底基本呈水平狀。K14+ 370～420段, 溶洞底板高程以35°左右的坡度上升, 溶洞頂板在隧道頂以上6 m。K14+420～520段, 溶洞底板在隧道設(shè)計高程下6 m, 洞底基本呈水平狀; 溶洞頂板形狀不規(guī)則, 大部分位于隧道中部, 小部分頂板較高, 位于隧道頂以上10 m。

綜合來看, 溶洞頂板至隧道頂距離不大, 隧道開挖大部分需開挖頂板。溶洞基本在左洞左側(cè)發(fā)育, 右側(cè)隧道掘進需開挖巖壁。

K14+360～420段溶洞規(guī)模較大, 為本次處治的重點與難點。

隧道襯砌各邊線縱面分別見圖2～4。

圖2 隧道襯砌左邊線處縱面圖

圖3 隧道襯砌中線處縱面圖

圖4 隧道襯砌右邊線處縱面圖

該溶洞從地勢上看, 大致分為3個臺階, 標(biāo)高分別為430.0 m左右, 457.0～460.0 m, 466.0～470.0 m。根據(jù)鉆探成果資料, 在457.0～460.0 m的這個臺階沉積物厚度最大達(dá)10.4 m。這些現(xiàn)象表明: 該溶洞在形成過程中地殼至少經(jīng)歷了上升、穩(wěn)定、再上升、再穩(wěn)定、下降、再次上升等幾個階段。K14+ 380～480段溶洞堆積物厚度較大, 呈黃紅色, 絕大部分膠結(jié)呈軟巖狀, 表明這些堆積物形成時代久遠(yuǎn), 至少是在第四紀(jì)之前。洞內(nèi)僅在K14+360處堆有新近的黏土層, 這些黏土由大氣降水把地表的黏土帶入洞內(nèi)堆積而成, 形成時間較短。

從猛洞河河床高程200 m左右及該溶洞底板最低高程430.0 m的情況來看, 在該溶洞形成之后, 場地又經(jīng)歷了長時間的抬升過程, 現(xiàn)有的溶蝕基準(zhǔn)面為430.0 m左右, 場地若仍發(fā)育有地下暗河, 其標(biāo)高應(yīng)遠(yuǎn)低于該溶洞最低處。

大溶洞正好對應(yīng)地面K14+160～500段巖溶塌陷區(qū), 該溶洞地下水來源主要為大氣降水, 匯水面積主要為對應(yīng)的地面巖溶塌陷區(qū), 面積約23萬m2。根據(jù)詳勘報告中采用的大氣降水入滲系數(shù)法, 計算出該溶洞的平均涌水量為189 m3/d, 暴雨時日涌水量可能是平均值的數(shù)倍或數(shù)十倍。

大氣降水主要通過豎向巖溶通道進入該溶洞內(nèi), 在溶洞內(nèi)肉眼可看到部分豎向流水通道。大部分地表水進入溶洞后, 最終在地勢最低的K14+360右側(cè)附近的小溶洞(洞口標(biāo)高約為430.0 m)流入更深的巖溶通道內(nèi), 最終流入猛洞河(河床標(biāo)高約為200 m)。K14+360右側(cè)下部的溶洞對隧道無影響。

2 巖溶處置方案比選

2.1 橋梁方案

橋梁方案采用了預(yù)應(yīng)力砼現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。施工樁號范圍ZK14+368～418, 采用離壁式襯砌結(jié)構(gòu), 箱梁與隧道襯砌結(jié)構(gòu)分離, 襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖分離。隧道襯砌結(jié)構(gòu)支撐在兩側(cè)縱向托梁上, 托梁與箱梁共同由蓋梁支撐。橋型布置及典型橫斷面如圖5及圖6所示。

圖5 橋梁處置方案

圖6 橋梁處置方案橫斷面

采用橋梁方案的好處很明顯, 就是不存在差異性沉降[7], 并且不會影響溶洞內(nèi)地下水的排泄。但同時也會帶來諸多問題和難題, 如: (1) 離壁式襯砌開挖斷面大, 對溶洞穩(wěn)定性影響大; (2) 洞頂及巖壁防護工程量大; (3) 施工及運營期間溶洞頂及洞壁會發(fā)生掉塊、坍塌的風(fēng)險高[8]; (4) 受溶洞形態(tài)影響, 離壁式襯砌采用非對稱結(jié)構(gòu), 受力較復(fù)雜; (5) 橋墩高, 存在崩塌掉塊對橋墩的沖擊風(fēng)險[9]; (6) 箱梁結(jié)構(gòu)需承受重型模板臺車荷載, 結(jié)構(gòu)尺寸大; (7) 滿堂支架架設(shè)困難; (8) 預(yù)應(yīng)力箱梁施工工藝要求高[10]。

2.2 回填方案

由于該溶洞已停止發(fā)育, 僅在雨季時洞內(nèi)存在地下水。洞底地質(zhì)條件較好, 地基承載力較大, 僅K14+360～380段存在承載力較差的新近黏土層。考慮到以上因素, 故提出回填方案。

采用回填方案, 處置范圍為K14+358～514, 處置巖溶縱斷面如圖7所示, 具體的處置方案如下。

(1) K14+358～385段, 隧道從完整圍巖中通過, 巖溶孔洞位于隧道左下方, 對隧道影響不大。對該段溶洞采取全部回填密實的方案, 自下而上分別回填干砌片石、洞渣, 溶洞頂板下不規(guī)則段泵送C20砼填充密實。

(2) K14+385～415段, 溶洞規(guī)模較大, 隧道左側(cè)懸空, 右側(cè)需開挖巖壁。對該段隧道底板下孔洞進行回填, 同時對溶洞頂板進行支撐。自下而上分別回填干砌片石、洞渣、級配碎石、1.5 m厚C20片石砼。該段隧道存在偏壓, 故襯砌兩側(cè)設(shè)置了帶樁基礎(chǔ)的C30鋼筋砼偏壓擋墻對溶洞頂板進行支撐。地基存在縱橫向不均勻沉降, 故襯砌底板下設(shè)置C30鋼筋砼縱橫梁及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對襯砌進行支撐。橫梁底面與隧道底板底面之間采用C20片石砼填充密實。

(3) K14+415～484段, 溶洞規(guī)模小, 位于隧道底板下方。該段溶洞采取全部回填密實的方案。仰拱下1.5 m范圍內(nèi)采用C20片石砼回填, 其余采用干砌片石回填。

(4) K14+484～514段, 溶洞位于隧道洞身左側(cè), 規(guī)模較大, 隧道存在偏壓。對該段洞身左側(cè)施做C30鋼筋砼擋墻, 對溶洞頂板進行支撐, 擋墻左側(cè)預(yù)留排水通道。

(5) 巖溶洞底板全縱向施工鋼筋砼拱涵, 保持排水的順暢。

圖7 處置巖溶縱斷面

回填方案所需注意的關(guān)鍵技術(shù)點如下。

(1) 洞渣回填質(zhì)量控制。洞渣回填按現(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》中填石路堤的相關(guān)技術(shù)要求進行施工。施工前應(yīng)通過鋪筑試驗路段確定合適的填筑層厚、粒徑、壓實工藝以及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)等。同時對洞渣是否能夠滿足填筑路基的強度和變形要求要進行現(xiàn)場試驗。嚴(yán)格做好清表工作后方可進行填石路基施工。填石路基的石料強度不應(yīng)小于15 Mpa。洞渣回填壓實度不小于93%。攤鋪層厚不大于 600 mm, 最大粒徑小于層厚的2/3, 孔隙率不大于25%, 分層壓實。洞渣與級配碎石回填層之間設(shè)置一道土工布。

路堤施工完畢后應(yīng)進行沉降監(jiān)測。觀測點宜布設(shè)于垂直路堤中線的橫軸上, 且要注意保護設(shè)置的測點。根據(jù)施工過程中的反饋信息監(jiān)測施工質(zhì)量, 控制施工速率; 同時定量分析評價路堤的工后沉降, 以確定合理的后續(xù)結(jié)構(gòu)施工時間。應(yīng)采用地表型沉降計對沉降進行監(jiān)控。水平分層填筑, 先低后高, 個別不平處應(yīng)配合人工用細(xì)石塊找平。

填石路基的壓實質(zhì)量通過檢測施工參數(shù)(壓實功率、碾壓速度、碾壓遍數(shù)、鋪筑層厚度)確認(rèn)。建議對壓實沉降差或空隙率進行檢測, 壓實沉降差作為質(zhì)量控制指標(biāo)時, 其平均值不大于5 mm, 標(biāo)準(zhǔn)差不大于3 mm。其他要求按《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

(2) 排水。填石路堤本身具有一定孔隙率, 有一定的過水功能。溶洞底全縱向設(shè)鋼筋砼拱涵, 拱涵洞壁打孔, 外鋪土工布反濾層, 匯集路堤內(nèi)的地下水, 排入K14+360右側(cè)原溶洞泄水通道, 涵洞兩端順接原過水通道, 保持過水的通暢?？v向間隔6 m設(shè)置一道豎向排水波紋管, 管壁打孔, 外鋪土工布反濾層, 用于排出洞身側(cè)溶洞空腔內(nèi)積水, 同時可起到排除路堤內(nèi)地下水的作用。路堤表層采用150 cm厚C20片石砼封閉, 保證路堤表面的水不下滲至路堤內(nèi)部, 利于路堤的穩(wěn)定性。采用凈空面積為4.8 m2,壁厚為25 cm的現(xiàn)澆C30鋼筋砼拱涵進行排水, 結(jié)合對溶洞排水通道的現(xiàn)場調(diào)查及水文計算, 該凈空面積可滿足雨季的排水要求。

(3) 不均勻沉降控制。K14+385～415段, 橫向, 隧道襯砌基礎(chǔ)部分位于填方路堤上, 部分位于原溶洞巖壁上; 縱向, 路堤的填方高度不同, 溶洞底的地基承載力亦不同; 隧道襯砌大部分存在偏壓現(xiàn)象。以上因素會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生縱、橫向的不均勻沉降, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形開裂等危害的發(fā)生。

因此, 本段襯砌采用了抗偏壓襯砌, 襯砌兩側(cè)設(shè)置C30鋼筋砼偏壓擋墻對溶洞頂板進行支撐, 抵抗隧道承受的偏壓, 同時偏壓擋墻采用樁基礎(chǔ); 襯砌底板下設(shè)置C30鋼筋砼縱橫梁及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對襯砌進行支撐, 采用樁基礎(chǔ)將上部荷載傳至穩(wěn)定基巖上; 縱向每隔10 m設(shè)置一道沉降縫[11]。

(4) 不良地質(zhì)處理。溶洞底的不良地質(zhì)主要為K14+360～380段的新近黏土層, 體積約2 600 m3, 采用清除黏土層并換填干砌片石進行處治。

(5) 采用回填方案的造價約為1 650萬元。

2.3 改線方案

以繞避溶洞, 且改線規(guī)模最小為原則, 擬定了A、B 2種改線方案, 2種方案的改線均位于原左線偏右的位置(圖8)。

若采用A方案進行改線施工, 則需要改線的范圍是K12+760～K15+141, 共計2 381 m, 且不能完全避開溶洞, 部分段落緊貼溶洞壁。在左右洞中夾巖柱內(nèi)施工, 800 m長小凈距段, 與原左洞出口已開挖段干擾嚴(yán)重, 施工難度很大。線性指標(biāo)差, 長大下坡段, 為控制規(guī)模, 指標(biāo)均取為極限值, 行車安全性較差。A方案的工程造價約為5 100萬元。

若采用B方案進行改線施工, 則需要改動的范圍是K13+830～K15+055, 共計1 225 m。該方案可以完全避開溶洞, 距離溶洞最近為7 m。在左線左側(cè)施工, 相當(dāng)于重新開挖左洞, 施工難度小, 與原左洞出口已開挖段無干擾, 線性指標(biāo)較好。B方案的工程造價約為1 800萬元。

圖8 改線方案示意圖

2.4 比選結(jié)果

采用橋梁方案施工及運營期間風(fēng)險均較高, 故不建議采用橋梁方案。在未進行詳細(xì)地勘的前提下, 改線范圍內(nèi)再遇大溶洞可能性較大, 改線方案無法完全繞避溶洞, 因此, 改線方案也不建議采用。

從工程造價的角度看, 回填方案的造價在1 650萬元左右, 而改線方案最低的工程造價為1 800萬元。以上的改線方案是在改線范圍內(nèi)不再存在類似大溶洞等不良地質(zhì)的前提下進行的, 要探明地質(zhì)情況需耗費大量的人力、物力和財力, 技術(shù)精度要求高, 所需工期也較長。綜合上述分析, 回填方案為該工程最優(yōu)的巖溶處理方案。

3 結(jié)論

隧道中巖溶處理方案的比選是一個系統(tǒng)、復(fù)雜、考慮因素多的課題。地域不同, 自然環(huán)境的差異也較大, 因此施工難度和工程成本通常是方案選擇首先需要考慮的因素。

本文對那丘隧道中的特大型廳堂式巖溶的處理方案進行了比選, 考慮到施工難度與工程成本因素, 最終選擇了回填方案對隧道中的巖溶進行處理。該方案的工程造價最低, 且對已施工完成的隧道影響最小, 施工難度相較于其他方案也最低。該研究成果為那丘隧道巖溶處理工程提供了技術(shù)支持, 并可為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1] 焉學(xué)永. 基于CSD的龍永高速公路高架橋和隧道方案比選研究[J]. 公路工程, 2014, 39(6): 189–192.

[2] 劉招偉, 張民慶, 王樹仁. 巖溶隧道災(zāi)變預(yù)測與處治技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007: 117–120.

[3] 劉彬. 宜萬鐵路魯竹壩2號隧道“+960”溶洞治理技術(shù)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2010(8): 107–110.

[4] 陳濤, 馬濤, 蔣穎. 宜萬鐵路魯竹壩2號隧道的主要工程問題及其處理措施[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2009(9): 90–93.

[5] 鄧誼明. 宜萬鐵路大型巖溶洞穴發(fā)育特征及整治[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2011(4): 58–66.

[6] 傅鶴林. 隧道襯砌荷載計算理論及巖處治技術(shù)[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2005.

[7] 李鳴沖. 宜萬鐵路龍麟宮隧道穿越大型半充填溶洞綜合處理技術(shù)研究[J]. 鐵道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn), 2010(8): 119–121.

[8] 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范: TB10003-2005/J449-2005[S].

[9] 朱顯鎮(zhèn). 長株潭躍進湖段橋改隧方案評價與施工安全控制研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2014.

[10] 傅鶴林, 李凱, 彭學(xué)軍, 等. 梅關(guān)隧道工程技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009: 37–48.

[11] 劉周禮, 李磊, 寧德好. 巖溶隧道溶洞處理施工技術(shù)[J]. 中國港灣建設(shè), 2014(5): 67–70.

(責(zé)任編校:江河)

The research of oversize hall type karst of scheme comparison in tunnel

Fu Helin, Xiong Yi

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Naqiu tunnel is a long tunnel, which located in the fourth contract section, Yongji express highway, Hunan province. A large cave has been found in the K14+350 to 520, which is a gallery hall type karst. By the analysis of hydrological geology, 3 kinds of schemes for the processing of the cave, bridge, backfill and changing the line, are put forward. After considering the two main reasons of the difficulty of construction and cost and comparing the advantages and disadvantages of each scheme, the optimal scheme is put forward.

Naqiu tunnel; hall type karst; treatment scheme; scheme comparison

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.011

U 442.5+4

1672–6146(2015)03–0042–05

傅鶴林, 517336864@qq.com; 熊毅, 375859829@qq.com。

2015–05–24

湖南省交通廳課題(201225)。