浅谈某铁路隧道溶洞处理技术
摘要:溶洞为岩溶洞穴,是地表水和地下水对溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的地下溶蚀现象。岩溶对隧道的影响主要表现为是结构物部分及全部悬空,大大降低隧道使用的可靠度;季节性的岩溶洞穴涌水,给隧道施工和体系带来不安全和不稳定因素。因此,制定合理、科学、有效的溶洞处理方案对隧道顺利穿越岩溶地段极为重要。论文根据某铁路隧道溶洞分布的具体情况,介绍了此溶洞处理方法,以期对溶洞处理的设计与施工有一定借鉴意义。
关键词:铁路 隧道 溶洞 处理
0 引言
某隧道为云南省某新建单线铁路隧道,全长8435m,设计行车速度为120km/h。该隧道位于云贵高原边缘与横断山脉交接的大理、丽江地区,地势东高西低,北高南低,山脉和水系多呈南北向展布。属溶蚀、剥蚀构造中山、低中山地貌。沿线各时代地层分布较为齐全,沉积类型繁多,其间岩浆活动剧烈,岩浆岩规模巨大。沉积岩、早期火成岩因受高温高压动力变质作用普遍有不同程度的变质。测区构造复杂,断裂、褶皱发育,致使岩体节理发育、破碎。主要不良工程地质有富水断层破碎带、错落体、危岩落石、泥石流、岩溶、岩堆。水文地质条件复杂,地表水、地下水发育不均,部分地下水、地表水对混凝土具侵蚀性。
1 溶洞的概况
该隧道出口段施工至某里程时,掌子面围岩为Ⅲ级,岩性为灰岩、白云质灰岩,厚层状,岩层层理清晰,岩体完整。上半断面发育有一个溶洞,洞内充填块石、碎石夹黏土随爆破开挖自溶洞洞口涌出,涌出量于80m3,洞径约3.5米,块石直径为0.2～1.2m,最大块经3m,含泥量约占90%;有少量的浑浊的岩溶水沿洞壁流出。经在掌子面布设3个水平探孔探明,前方溶洞无水,充填物主要为块石、碎石及黏土等,判断为充填型溶洞。溶洞形态见图1。
2 隧道溶洞处理方案
2.1 处理方案选择原则
2.1.1 安全性。确保施工安全与运营安全,围岩累计变形量不大于10cm,衬砌完工后隧道不渗不漏。
2.1.2 可操作性强。要充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平,并尽可能降低施工难度。
2.1.3 灵活性好。根据断面形状和尺寸,因地制宜地选择施工方案,而不局限于一种固定的模式,一旦一种方案不能实时或实时效果差时,能较好地转换为替代方案。
2.1.4 具有可连续性。需兼顾溶洞段前后的施工方案的不同,能顺利地进行施工工艺、工序的转换。
2.1.5 经济性强。即在保证安全、质量并不破坏环境的条件下的投入最节约。
2.2 处理施工方案 首先保留并加固坍塌体,防止坍方扩大,然后施做套拱和超前大管棚,保证正洞开挖施工安全;管棚施做完成后挖除坍塌体,进入隧道正常开挖、支护工序,并对隧道基底进行注浆加固处理,增强隧底承载力;溶洞段通过后,进行拱部坍腔回填处理。
处理顺序为:封闭掌子面→施作套拱→施作超前大管棚→挖除坍塌体→洞身开挖、支护→边墙及基底加固处理→坍塌溶腔回填处理。
3 溶洞处理关键施工技术
3.1 喷射混凝土封闭掌子面 在未探明前方地质情况之前,为防止前方出现涌水突泥情况发生,首先保留并加固坍塌体,依靠坍塌体的支撑掌子面,防止塌方进一步扩大,立即对掌子面进行封闭处理。采用喷射C20钢纤维混凝土封闭坍塌体表面,厚度为20cm,掌子面前方自溶腔内涌出块石、碎石夹黏土等充填物稳定掌子面作用,坍体暂不挖除。
3.2 施作套拱和超前大管棚 为保证施工安全,拱部采用φ108大管棚超前支护并注浆加固溶洞填充物,从而形成复合稳定的固结体,使周围地层的力学性质得到改变,稳定性能加强;管棚尾端设钢格栅混凝土套拱,前端打入稳定岩层,形成有效的“棚护”作用。
首先在DK79+185位置施作导向墙。导向墙长1.5m,厚80cm,采用两榀格栅钢架定位,并起到增强刚度的作用。在钢格栅加上焊接37根1.5m长φ127的无缝钢管作为导向管,间距及外插角同大管棚,完成后浇注C25模筑混凝土。大管棚共37根,每根长20m,外插角为5°,大管棚环向间距为0.3m,注浆材料采用1:1的水泥浆,注浆压力为0.8～1.0Mpa。导向墙及超前大管布置见图2。
管棚钢管采用φ108无缝钢管,节长3m和6m两种,第一根钢管加工呈锥形,采用丝扣连接(丝扣长15cm,必须使用标准地质丝扣)。同一横断面内接头数量不超过50%,相邻钢管的接头相错量不小于1m,机械顶进。钢管前部四周钻注浆孔,孔径15mm,孔间距15～20cm,呈梅花型布置,钢管尾部留1.5m的止浆段不钻孔。
3.3 洞身开挖及支护 注浆完成后洞身采用微台阶法开挖,台阶长3～5m,开挖后立即施做初期支护结构,并采用喷射混凝土立即封闭掌子面。
初期支护采用加强支护参数。参数如下:全环设I20工字钢加强支护,钢架间距@=0.6m,拱墙增设φ42小导管注浆加固溶洞充填物,每根长l=4m,间距为1m(纵向)×0.8 m(环向),C25早强喷射混凝土厚度为25cm,φ8钢筋网网格20×20cm。
溶洞处理段围岩大部分为溶洞充填物,采用人工配合挖掘机开挖;对于石质围岩部分则采用松动爆破开挖,以尽量减小对溶洞充填物的扰动,避免引发二次坍塌。
3.4 边墙及基底加固处理 对隧道顶部进行注浆预加固处理仅保证隧道拱部开挖安全,边墙及基底围岩力学性能得不到改善,并且曾受到过扰动,极有可能会发生坍塌事故;另外,即使开挖安全通过溶洞段,也会因溶洞段与溶洞前后隧底岩性不同,使后期隧道衬砌结构沉降不均,从而造成衬砌严重开裂,甚至影响行车安全。因此,必须对边墙及基底进行加固处理。
3.4.1 边墙采用φ42超前小导管注浆加固溶洞充填物。小导管每根长L=4.5m,间距@=0.4m(环向)×2.4m(纵向),外插角α=25°,浆液采用1:1水泥单浆液,采用劈裂注浆方式,注浆压力为2MPa。
3.4.2 基底采用φ75钢管桩对隧底围岩注浆加固,加固范围为仰拱开挖轮廓线以下5m。钢管桩间距为1.0m,梅花形布置。钢管桩采用φ75 mm、δ=6mm的无缝钢管加工制作,每根长L=5.5m,尾端50cm伸入仰拱支护结构内,同时为增强结构的纵向刚度,钢管桩尾端之间采用I16工字钢连接,以增强整体受力性能。浆液采用1:1水泥单浆液,亦采用劈裂注浆方式,注浆压力2.0MPa。
3.5 拱部坍塌溶腔回填处理 为确保隧道衬砌结构安全,保证运营安全,需对拱部坍塌的溶腔进行回填处理。在综合考虑周边环境及溶洞状态,并结合隧道结构特点,采用C15泵送混凝土回填。为减小流塑态的泵送混凝土对支护结构的冲击力和侧压力,回填应对称、分次、分层施工完成,隧道支护结构两侧混凝土面每次施工高差不得超过0.5m,层厚不大于30cm,每次泵送混凝土厚度不得超过2m,且方量不超过50m3。
3.6 监控量测 在洞身开挖施工过程中,每5m设一组监测点,主要监测项目为拱顶下沉和周边收敛,密切监视每一工况下隧道支护结构的变形情况并及时反馈,指导下一步施工。
4 结束语
通过以上处理措施的实施,安全通过了此处溶洞,经长时间不间断量测表明,该段围岩变形已稳定,支护结构表面无明显渗漏水现象。尽管安全通过了此处溶洞,并且此次处理方案也直接为后面的几处溶洞的处理提供了借鉴经验,但是在今后的岩溶隧道施工中,必须加强地质超前预探、预报工作,对隧道前方岩溶进行准确预测,并提前做好穿越岩溶溶洞的应急预案,防止突泥和突水的发生。需要引起广大业内人员注意的是,溶洞处理一般只注重结构的环向刚度的加强,较为忽视结构的纵向刚度的加强,这样会因溶洞前后侧结构基底刚度差异而导致后期运营时衬砌病害的产生。
参考文献:
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