周大勇

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)

1 工程概況

某高速鐵路蔡家寨隧道全長(zhǎng)3108m，隧區(qū)地貌為高原溶蝕峰叢洼地地貌，峰頂渾圓，多呈圓錐狀，洼地呈長(zhǎng)條形，不規(guī)則。沿線地面高程為1420～1580m，相對(duì)高差50～120m。隧道進(jìn)口端為深切河谷左岸斜坡，出口端隧道兩側(cè)為溶蝕槽谷，隧道洞身行進(jìn)在溶蝕峰叢及洼地之下，基巖裸露，植被不發(fā)育，溶蝕槽谷、洼地為旱地。隧道最大埋深約120m，最淺埋深約3m。

2 隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

該隧道上覆地層為第四系全新統(tǒng)坡殘積黏土，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組三段灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r，二段泥巖、白云質(zhì)泥巖及泥質(zhì)灰?guī)r、一段灰?guī)r。隧道穿越區(qū)屬于單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造痕跡。層面較平整，產(chǎn)狀平緩。

隧道區(qū)域內(nèi)地表水主要為大氣降水，雨季個(gè)別溝槽內(nèi)有少量流水，平時(shí)無(wú)其他地表水體。降雨后很快以蒸發(fā)、下滲和徑流等形式排泄，地表缺水嚴(yán)重。

地下水主要為巖溶水和基巖裂隙水，主要靠大氣降水補(bǔ)給，由于距深切的河谷較近，隧道底至河谷高差達(dá)200m，排泄基準(zhǔn)面低，雨季地表水補(bǔ)給后有個(gè)別性泉點(diǎn)出水，大部分雨水沿節(jié)理裂隙、溶蝕管道以垂直的排泄形式排入河中，隧道位于巖溶水的垂直循環(huán)帶內(nèi)，總體地下水不發(fā)育。隧道洞身存在泥巖，泥質(zhì)白云巖，起到隔水作用，雨季局部溶洞可能存在積水，淺埋地段溝槽內(nèi)地下水易進(jìn)入隧道，雨季局部溶洞積水可能會(huì)造成突水事故。計(jì)算的隧道正常涌水量：Q總=11837m3/d，最大涌水量Qmax=23674m3/d。

3 巖溶揭示及判識(shí)

隧道施工采用三臺(tái)階法由小里程向大里程方向開(kāi)挖，上臺(tái)階開(kāi)挖至隧道里程D3K417+565時(shí)，正對(duì)隧道掘進(jìn)工作面的左側(cè)加深炮孔、左側(cè)局部炮孔鉆探突進(jìn)，無(wú)水，經(jīng)判識(shí)前方安全后爆破開(kāi)挖，后在里程D3K417+567處上臺(tái)階左側(cè)爆破揭示溶洞，呈垂直向發(fā)育，溶洞壁較光滑，見(jiàn)圖1溶腔發(fā)育狀態(tài)。

溶腔上部狀態(tài)

溶腔上部狀態(tài)

溶洞位于隧道掘進(jìn)工作面左側(cè)，直徑約8m，侵入隧道左側(cè)開(kāi)挖輪廓線約3m；隧道拱頂發(fā)育溶洞支洞，巖體較破碎。溶洞從上臺(tái)階開(kāi)挖線向上發(fā)育可見(jiàn)約30m(該處埋深約45m)，溶腔頂有掉塊及滲水現(xiàn)象；從上臺(tái)階開(kāi)挖線向下發(fā)育推測(cè)深度大于200m(拋石估算深度)，具體深度不詳，溶洞與隧道位置關(guān)系見(jiàn)圖2溶洞平面示意圖。

圖2 溶洞平面示意圖

隧道位于巖溶水的垂直循環(huán)帶內(nèi)，該溶洞洞壁發(fā)現(xiàn)過(guò)水痕跡且有滲水現(xiàn)象，拋石估算深度時(shí)可聽(tīng)見(jiàn)水響。無(wú)線地震波三維成像地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的報(bào)告顯示隧道里程D3K417+560～D3K417+607段圍巖以中風(fēng)化為主，層理或裂隙很發(fā)育，破碎夾層發(fā)育；巖石以較硬巖石為主；完整性很差、穩(wěn)定性很差、自穩(wěn)性差；地下水不發(fā)育。隧道里程D3K417+563～D3K417+574段圍巖溶槽(洞)發(fā)育，含有泥質(zhì)充填物。超前預(yù)報(bào)的地質(zhì)情況與隧道掘進(jìn)工作面實(shí)際情況基本相同。結(jié)合該段水文地質(zhì)條件，判識(shí)該溶洞為一大型豎向過(guò)水巖溶管道。

4 巖溶處理

4.1巖溶處理原則

確保隧道掘進(jìn)工作面安全。位于隧道左側(cè)的溶洞，寬度及高度均較大，在隧道掘進(jìn)工作面開(kāi)挖方向延伸。處理后，應(yīng)使隧道在掘進(jìn)工作面能保持圍巖的相對(duì)穩(wěn)定，防止工作面坍塌。溶洞處理應(yīng)結(jié)合補(bǔ)勘地質(zhì)資料及施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料來(lái)進(jìn)行。溶洞揭示前，在靠近溶洞處的掘進(jìn)工作面加深炮孔進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，勘探前方圍巖情況，確定溶洞是否向線路右側(cè)發(fā)育。

在中、下臺(tái)階開(kāi)挖前，采用風(fēng)槍鉆孔等方法，探測(cè)隧道臺(tái)階范圍垂直向下方向圍巖地質(zhì)情況，確定溶洞在臺(tái)階范圍內(nèi)是否發(fā)育，保證施工人員及機(jī)械在施工過(guò)程中的安全。

滿足永久隧道結(jié)構(gòu)的承載力、變形要求。溶洞填充物和巖層承載力有很大的差別，溶洞延伸至隧道底的部分，其填充物承載力較低，不能保證隧道底部的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)填充物處理，應(yīng)提高該處地層的承載力，減小不同地層之間的差異沉降。

滿足隧道防排水要求。隧道穿越區(qū)溶洞范圍內(nèi)均發(fā)現(xiàn)有水痕跡或少量的積水，溶洞內(nèi)有季節(jié)性巖溶水。溶洞處理后，隧道結(jié)構(gòu)需滿足防水要求，不影響溶洞原有過(guò)水通道。

處理前在溶洞口周邊做好警戒，加強(qiáng)照明，并設(shè)置固定欄桿防護(hù)。對(duì)溶洞段附近地表進(jìn)行詳細(xì)的勘查，地表存在漏斗時(shí)進(jìn)行地表處理。核實(shí)地質(zhì)情況，進(jìn)行巖溶、塌方、突泥突水危險(xiǎn)性評(píng)估。對(duì)溶洞處理施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的塌方、突泥突水等情況制定可靠的處理措施。利用圍巖量測(cè)系統(tǒng)做好溶洞洞頂?shù)某两涤^測(cè)工作，對(duì)地表對(duì)應(yīng)范圍進(jìn)行警戒、標(biāo)示，加強(qiáng)巡視，防止地表坍陷后造成次生災(zāi)害。溶洞處理流程見(jiàn)圖3溶洞處理流程圖

圖3 溶洞處理流程圖

4.2初期支護(hù)施工

上臺(tái)階施工超過(guò)溶腔范圍外3m時(shí)，掘進(jìn)工作面停止掘進(jìn)。拱部范圍溶腔壁噴射C25混凝土封閉，厚度為10cm。

隧道拱頂120°范圍內(nèi)的超前支護(hù)采用管棚法。管棚為壁厚6mm的Φ89熱軋無(wú)縫花鋼管,管棚中心環(huán)向間距40cm,外插角為1°～3°，管棚長(zhǎng)度為15m, 內(nèi)設(shè)鋼筋籠，管棚注漿漿液采用P·O 42.5型。管棚與小里程已支護(hù)完成的鋼拱架進(jìn)行搭接，搭接長(zhǎng)度不小于2m，并焊接牢固。

溶洞段在確保安全后于開(kāi)挖范圍外施工2m 厚混凝土護(hù)拱，內(nèi)設(shè)I20b工字型鋼鋼架，護(hù)拱嵌入基巖以下0.5m并預(yù)留5根Φ150管作為泵送混凝土孔，同時(shí)預(yù)留吹砂孔，護(hù)拱完成后，及時(shí)進(jìn)行施工初期支護(hù)。該處初期支護(hù)采用型鋼鋼架加強(qiáng)，鋼架預(yù)留沉降量加大至15cm，鋼架間距0.5m/榀； 鋼架鎖腳處每個(gè)接頭增設(shè)2根Φ42鎖腳錨桿，每根長(zhǎng)4m，鋼架鎖腳處需滿足承載力要求，若巖體不滿足，采取換填、注漿加固等措施。系統(tǒng)支護(hù)采用Φ42注漿錨桿代替系統(tǒng)錨桿。待初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，通過(guò)泵送孔泵送混凝土至拱頂以上2m，泵送混凝土達(dá)到工程要求后，利用預(yù)留吹砂孔吹砂至泵送混凝土以上3m, 預(yù)留吹砂孔后期兼做排水孔，吹砂孔采用Φ100的PVC管，周邊打孔并外裹無(wú)紡布，采用6根Φ80環(huán)向排水管引水至隧道側(cè)溝。

溶洞段支護(hù)施工完成并確認(rèn)拱部巖體穩(wěn)定后，前方采用“短進(jìn)尺、快循環(huán)、弱爆破、少擾動(dòng)、緊封閉”的方法，進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。

開(kāi)挖過(guò)程中采用豎向支撐來(lái)保證溶洞范圍內(nèi)半幅初支拱架的安全與穩(wěn)定，豎向支撐為間距1m的雙I18工字型鋼鋼架，鋼架底部焊接16mm厚50cm×50cm鋼板撐腳。施工時(shí)先將地面虛碴清理干凈，然后在地面打入1m深Φ22錨桿，將錨桿與鋼架撐腳牢固連接，支撐鋼架頂部與初支鋼架連接，見(jiàn)圖4溶腔豎向支撐示意圖。

溶洞段上臺(tái)階拱腳處施工一座長(zhǎng)15m、寬1m跨溶洞簡(jiǎn)支鋼梁棧橋，棧橋向左側(cè)巖壁伸入80cm，兩端采用混凝土固結(jié)，左側(cè)上臺(tái)階拱架立于棧橋上。左側(cè)拱架每榀增設(shè)5組鎖腳錨管，拱架背后與溶洞壁之間的空隙采用噴射混凝土回填密實(shí)。

圖4 溶腔豎向支撐示意圖

隧道中臺(tái)階開(kāi)挖至距離溶洞位置7m時(shí)暫時(shí)停止掘進(jìn)，在該處線路右側(cè)及上臺(tái)階掘進(jìn)工作面與線路方向45°施工一長(zhǎng)30m的探孔，進(jìn)一步探查溶洞及周邊地質(zhì)條件。經(jīng)過(guò)探查，鉆探范圍內(nèi)無(wú)溶洞發(fā)育，圍巖完整，為保證施工進(jìn)度及安全，正洞采用小斷面先行通過(guò)的施工方案，溶洞區(qū)影響范圍內(nèi)不施工襯砌，待溶洞處理完成后再組織施工。

4.3溶洞處理

由于隧道揭示溶洞影響到隧道拱頂和隧道左側(cè)大部分圍巖，致使上臺(tái)階拱架左側(cè)拱腳無(wú)支撐點(diǎn)，拱腳底部采用棧橋作為底梁跨越溶洞，上臺(tái)階型鋼拱腳落至棧橋上，然后對(duì)隧道該溶洞段采用左右側(cè)下臺(tái)階開(kāi)挖，開(kāi)挖時(shí)，底部仍然采用棧橋作為底梁跨越溶洞，將下臺(tái)階型鋼焊接至上臺(tái)階棧橋的靠邊墻側(cè)型鋼上，與此同時(shí)，割除上臺(tái)階棧橋未焊接到拱架上的工字型鋼。

結(jié)合該段水文地質(zhì)條件，首先對(duì)該處溶洞采用石塊進(jìn)行回填，為下一步溶洞處理形成作業(yè)平臺(tái)?？紤]該溶洞為過(guò)水溶洞，前期利用隧道棄碴對(duì)溶洞進(jìn)行回填，棄碴采用大型鋼絲籠裝裹石塊拋填，石塊直徑不小于2m，3至4個(gè)為一體，整體拋填，以便石塊可以卡住溶洞形態(tài)變化處，減少拋填量，同時(shí)留出排水通道。當(dāng)大型石塊拋填至距隧道底面約150m時(shí)(通過(guò)測(cè)繩測(cè)量)，直接將隧道內(nèi)棄碴拋填至溶洞內(nèi)，拋填至距隧道底面約5m，其上部采用干凈的碎石回填。

利用碎石回填面作為溶洞處理的施工平臺(tái)，對(duì)溶洞周邊噴射混凝土封閉，以防止小的松散體掉落，局部增設(shè)錨桿和鋼筋網(wǎng)片。

溶洞段采用2榀縱向托梁跨越，預(yù)留該處仰拱填充段，襯砌段不施工，為后期托梁施工預(yù)留工作面。托梁截面2m×2m，置于隧道邊墻底及邊墻左側(cè)。碎石回填面上托梁范圍施工厚10cm 的混凝土找平層。找平層施工時(shí)留出過(guò)水通道，不封閉托梁以外范圍。仰拱開(kāi)挖后，確定托梁基礎(chǔ)位置，使托梁梁端置于穩(wěn)固可靠的基礎(chǔ)上。托梁基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。在基礎(chǔ)頂面上澆筑鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁?；A(chǔ)梁寬度為12m，厚度為100cm。鋼筋的主筋(縱向筋)采用Φ25 mm的螺紋鋼，間距為10cm；橫向筋采用Φ14mm螺紋鋼，間距為15cm；架立筋采用Φ10mm的圓鋼。搭接長(zhǎng)度不小于1 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，再增加C25鋼筋混凝土路面板。施工時(shí)每2 m預(yù)埋高密度聚乙烯透水管。襯砌拱墻范圍外施工C30混凝土護(hù)拱及護(hù)墻，厚1.5m，內(nèi)設(shè)I20b型鋼鋼架，縱向間距0.8m。工字型鋼鋼架與巖面接觸處設(shè)置2根鎖腳錨桿，長(zhǎng)4m/根；與托梁接觸處設(shè)置墊板及錨栓固結(jié)。護(hù)墻施作前預(yù)留橫向PVC排水管至隧道側(cè)溝，于溶洞影響范圍里程起點(diǎn)、中點(diǎn)、終點(diǎn)各設(shè)置一道，共計(jì)3道，護(hù)拱護(hù)墻完成后及時(shí)施作襯砌。

結(jié)語(yǔ)

探明溶洞周邊地質(zhì)后，通過(guò)初期支護(hù)增加豎向鋼支撐，預(yù)留溶洞段襯砌，掘進(jìn)施工小斷面先行通過(guò)，保證過(guò)水通道暢通的方案，在不耽誤工期的情況下，巖溶管道得到了有效的處理。經(jīng)過(guò)鐵路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，巖溶管道處理效果良好，該段隧道未出現(xiàn)質(zhì)量病害。豎向溶洞管道處理時(shí)探明周邊的地質(zhì)情況及保證巖溶管道的過(guò)水通暢是關(guān)鍵，這樣才能保證施工中及運(yùn)營(yíng)后的安全與質(zhì)量。