隧道底板下富水溶洞處治技術(shù)

馮海暴，曲俐俐，楊鑫普，張 駿，孟令德，蔣萬德

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071;2.江西省交通設(shè)計院，南昌 330002;3.山東大學，濟南 250101)

0 引言

近年來，我國鐵路、公路不斷向軟弱富水、巖溶等復(fù)雜地區(qū)延伸，施工難度不斷增加，特別是在富水、巖溶地區(qū)修建隧道，經(jīng)常會發(fā)生涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。目前從事巖溶地質(zhì)隧道施工技術(shù)研究的國內(nèi)學者對巖溶地區(qū)、大型溶洞處理技術(shù)進行了研究，結(jié)合地質(zhì)探測技術(shù)［1－4］，分別采用回填注漿［5］、套殼［6］等方法。回填注漿一般應(yīng)用于小型無水溶洞、溶隙［5］，而套殼法則應(yīng)用于隧道拱頂部位大型無水溶洞［6］。對于隧道地表落水洞群和底板下富水、大型溶洞同時存在的復(fù)雜情況，目前國內(nèi)比較少見。本文結(jié)合了國內(nèi)外溶洞處理技術(shù)，針對南陽一隧道底板下超大富水溶洞和落水洞群的復(fù)雜情況，運用多種探測技術(shù)，深入分析研究，制定了處治方案。該方案的成功應(yīng)用，可為底板下超大富水溶洞處治技術(shù)提供參考依據(jù)，豐富了巖溶地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工技術(shù)。

1 工程概況

南陽一隧道位于江西省瑞昌市桂林辦事處與南陽鄉(xiāng)分界處。左線長2 340 m，右線長2 345 m。隧道處于2個平面曲線中，隧道縱坡為－2.25%，進出口均為1∶1.5削竹式洞門。

沿線屬于亞熱帶溫潤性季風區(qū)，具有氣候溫暖、雨量充沛、光照充足、四季分明等氣候特點，年平均氣溫為17.0℃，極端最高氣溫為40.2℃，極端最低氣溫為－9.7℃，年平均降雨量為1 420.4 mm，年平均蒸發(fā)量為1 495.9 mm。

隧道出洞口表層以含碎石黏土為主，呈松散結(jié)構(gòu)，下伏為三系嘉陵江組白云質(zhì)灰?guī)r，巖體較完整，中厚層結(jié)構(gòu)為主，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。洞身穿越中古生代碳酸鹽巖類地層，各層位內(nèi)部不同程度地發(fā)育著巖溶和巖溶地下水。隧道上部地表植被茂盛，且有河流和村莊橫跨隧道頂部。隧道出口處附近有金雞鋪河流，水位標高為49.561 m。經(jīng)過對隧道溶洞區(qū)頂部進行多次勘察，發(fā)現(xiàn)有5處落水洞。1#洞在出口左側(cè)，距右洞K37+900的水平距離為457 m，該落水洞附近有條天然水溝，在隧道施工前下雨時水量很大，隧道在雨季施工時水量變小，該洞可能和隧道的溶洞相通。2#洞位于曹何家，距右洞K37+900的水平距離為355 m，該洞較小，水量不大。3#洞在山頂處的曹何家附近，距右洞K37+900的水平距離為647 m，該落水洞較大，周圍匯水面積較大，水量較多。4#洞在K37+800附近，距右洞K37+900的水平距離為146 m，該洞為天然干枯，周圍匯水面積不大。5#洞在K37+800附近，距右洞K37+900的水平距離為225 m，洞內(nèi)干枯無水流跡象。落水洞位置見圖1。

圖1 落水洞位置圖Fig.1 Distribution of sinkholes

2 溶洞揭露

2009年1月21日南陽一隧道右洞施工至K37+930(距離出口418 m)位置時，在隧道掌子面中上部揭露出一溶洞，洞口寬約1 m，高2 m，溶洞下部有4個通道，溶洞底存有大量積水，水面至發(fā)現(xiàn)溶洞邊緣下22.3 m，溶洞底在右洞隧道底板以下逐漸擴大，呈布袋狀。為確保勘察精確，便于工程方案的制定，利用下人查看和地質(zhì)鉆探、地質(zhì)雷達及高密度電法等探測手段［1，4，7］，發(fā)現(xiàn)從 K37+930 處溶洞斜向隧道出口方向，巖層最小厚度約8 m，溶洞總深度約33 m，水深約8 m。

3 溶洞位置及形狀探測

3.1 初步探測

通過采用物探手段初探［1］，發(fā)現(xiàn)溶洞主要分布在右洞左側(cè)，縱向長38 m(YK37+917～+955)，橫向最寬處達11 m，右洞右側(cè)壁無溶洞，溶洞頂板距隧道底板8～10 m。其中，YK37+916～+928段溶洞深3 m，YK37+928～+955段溶洞深未見底，如圖2所示。

3.2 溶洞內(nèi)探測

經(jīng)過初步探測，已確定溶洞的基本結(jié)構(gòu)情況，進入洞下進一步核實溶洞內(nèi)的積水情況，是否存在補給水源，這就需要搭建溶洞底部平臺，為此，決定對溶洞底部回填石渣。在回填過程中，所掌握的回填方量與水位上升關(guān)系見圖3，回填數(shù)據(jù)見表1。

圖2 溶洞斷面預(yù)報分析圖(單位:m)Fig.2 Position of karst cave(m)

由圖3中的水位上升速率線可以看出:該溶洞滲水量較小或無滲水現(xiàn)象，底部52.9～55.4 m處溶洞面積較小，55.4～60.7 m處溶洞空腔較大，60.7～62.9 m處溶洞空腔相對減小，在62.9 m處形成一個回填平臺。

然后，進行洞內(nèi)二次探測。發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)巖石較完整，在隧道進口方向上方有1個明顯的水路通道，由于水路處于62.9～84.0 m標高，由隧道上部直流而下，直接匯入溶洞底部，溶洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 溶洞水位隨回填石渣上升關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the water level in the karst cave and the backfilled rock volume

表1 溶洞水位隨回填石渣上升關(guān)系數(shù)據(jù)表Table 1 Relationship between the water level in the karst cave and the backfilled rock volume

圖4 超大溶洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)Fig.4 Internal structure of super-large karst cave(m)

溶洞洞渣回填完成后不久當?shù)叵铝艘粓霰┯辏琘K37+930處溶洞內(nèi)涌水量約為7 993 m3/h，由于提前采取了預(yù)防措施，隧道施工幾乎沒有受到影響;但溶洞內(nèi)已經(jīng)回填的洞渣出現(xiàn)了下沉，最大沉降量為6.3 m，沉降24 h后穩(wěn)定，為了保證施工的有序進行，需要對穩(wěn)定后的洞渣再次回填。

3.3 溶洞區(qū)鉆探探測

在隧道YK37+930溶洞區(qū)域內(nèi)，對以前地質(zhì)雷達探測到的部位進行二次鉆孔探測，布孔區(qū)域［8－9］以YK37+930為中心，沿隧道縱向34 m設(shè)置了10個探孔，探孔及溶洞分布見圖5。

圖5 溶洞取芯平面布孔圖(單位:m)Fig.5 Layout of coring holes(m)

經(jīng)過鉆孔分析，ZK2～ZK9孔29 m范圍內(nèi)底板厚度達不到12 m，ZK1孔取芯厚度為15 m，為完整巖體，ZK10孔取芯厚度為13.5 m，為完整巖體，可以滿足設(shè)計要求。

4 溶洞處理方案

為了保證隧道溶洞區(qū)的長期穩(wěn)定，超大溶洞的永久處理采取了地表和洞內(nèi)相結(jié)合的處理方案。

4.1 地表處理方案

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溶洞區(qū)域涌水和地表部分落水洞有關(guān)，為防止雨季洪水通過落水洞流入溶洞，采取了以下處理方案。

1#落水洞附近有條天然水溝距離較近，且斷面較小。為防止雨季洪水流入落水洞，將天然水溝進行了改道和加寬處理，并在落水洞周圍設(shè)置了混凝土墻。

2#落水洞較小，用混凝土進行回填，并在周圍進行了隔水處理。

3#落水洞較大，周圍匯水面積也較大，采取了鋼筋混凝土進行灌注封堵，在落水洞旁邊開挖了排水溝引導排水，并在落水洞旁邊設(shè)置了隔水墻，確保周圍匯水沿水溝排出。

4#落水洞天然干枯，周圍匯水面積不大，對該洞進行了封堵和隔水處理。

5#落水洞距溶洞水平距離為225 m，雖然干枯無水流，也進行了封堵和隔水處理。

隧道出口處金雞鋪河水位標高為49.561 m，經(jīng)測量，隧道內(nèi)溶洞揭露時水位標高為61.7 m，比金雞鋪河高12.14 m，該溶洞和金雞鋪河沒有直接關(guān)系，不做處理。

4.2 隧道內(nèi)處理方案

為防止隧道底板下溶洞對隧道運營期間的主體結(jié)構(gòu)造成破壞，決定采用拱橋跨越方案，即在南陽一隧道底板溶洞區(qū)域采用單跨40 m拱橋作為路基支撐結(jié)構(gòu)，中部和邊墻預(yù)留泄水孔，以防止地下水對隧道形成壓力。ZK1孔和ZK10孔處作為兩端橋臺，采用擴大基礎(chǔ)，拱橋沿隧道軸線方向結(jié)構(gòu)見圖6，拱橋與隧道斷面關(guān)系見圖7。

圖6 拱橋沿隧道軸線方向跨越溶洞圖(單位:m)Fig.6 Arch bridge crossing karst cave along axis of the tunnel(m)

圖7 拱橋與隧道斷面關(guān)系圖(單位:cm)Fig.7 Relationship between arch bridge and tunnel(cm)

結(jié)構(gòu)分為2大部分。

第1部分為襯砌加固。在靠近隧道左側(cè)邊墻部位采用拱式圈梁跨越溶洞區(qū)，圈梁上主要承受隧道二次襯砌的受力。二次襯砌左邊墻改為直墻，厚度由拱頂?shù)?5 cm漸變至左側(cè)起拱位置的40 cm。邊墻襯砌基礎(chǔ)通過圈梁傳力于完整基巖上，在拱橋橋臺及主體之間設(shè)置沉降縫，沉降縫內(nèi)塞填瀝青麻絮。

考慮到該隧道位于地震區(qū)，在人行踏步部位處通過間距為0.2 m的I14工字鋼挑梁，將隧道襯砌錨固于完整基巖上。在挑梁上部采用I18工字鋼作縱向連接加固，尾部設(shè)置方型鋼套，內(nèi)部填充高硬度彈性材料起緩沖作用。發(fā)生地震災(zāi)害時，隧道二次襯砌錨固于完整基巖上，主體結(jié)構(gòu)可以滿足抗震設(shè)計要求。

第2部分為拱橋主體結(jié)構(gòu)。拱橋跨越溶洞頂部橋面寬度為5.21 m，厚度為1.7 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在橋面配筋部分采用了I18工字鋼作為加強，主要承受隧道路面以及車輛荷載。橋面兩側(cè)和底部均采用2 cm瀝青麻絮隔開。

因隧道水量較大，為緩解雨季溶洞區(qū)域內(nèi)的排水壓力，在隧道襯砌左側(cè)邊墻處設(shè)置預(yù)留洞，與板拱下溶洞貫通，并設(shè)置中心排水溝。將預(yù)留洞、邊溝、中心水溝通過鋼管連通，確保排水通暢。

4.3 拱橋施工

拱橋施工流程為:拱橋基坑開挖—鋼筋綁扎—混凝土澆筑—路面澆筑。

4.3.1 拱橋基坑開挖

在基坑開挖前，為防止周圍塊石的脫落，對隧道拱部進行了噴射混凝土加固，在拱頂和邊墻設(shè)置了監(jiān)測點，對圍巖變形進行量測，設(shè)置區(qū)域為100 m。在基坑爆破過程中，對炮孔的深度、爆破裝藥量等參數(shù)進行精確計算，避免溶洞的板殼遭受破壞。

4.3.2 立模、鋼筋綁扎

拱橋采用石渣堆作為拱橋底模支架，為保證混凝土澆筑完成后拱橋底部和底模順利脫離，采用了底部三維千斤頂支架方法。拱橋圈梁和板拱配筋密度較大，在2層鋼筋間還配置了I18工字鋼作為加強，綁扎鋼筋通過底層綁扎后，進行工字鋼鋪設(shè)，分層驗收后再進行頂層鋼筋綁扎，確保綁扎質(zhì)量。

4.3.3 混凝土澆筑

拱橋混凝土澆筑量約為500 m3，需一次連續(xù)完成，混凝土內(nèi)部采用冷卻管降溫的方法確保混凝土內(nèi)部質(zhì)量，澆筑時用2臺地泵自兩端進行施工，并在墩臺位置設(shè)置了溜槽配合作業(yè)。

4.3.4 路面澆筑

在拱橋澆筑完成后，鋪設(shè)泄水管線，然后打水試壓，確定管路通暢后，進行路面混凝土澆筑。

4.4 施工監(jiān)測

為了保證隧道溶洞施工及后期安全，監(jiān)控及信息反饋技術(shù)是巖溶隧道施工不可或缺的重要內(nèi)容。通過監(jiān)測信息反饋，掌握結(jié)構(gòu)的變形動態(tài)，為高壓富水巖溶底端動態(tài)設(shè)計施工管理提供依據(jù)［10］。對處治后的溶洞結(jié)構(gòu)和圍巖變形進行監(jiān)測，在溶洞拱橋承臺頂部、溶洞交界處的溶洞頂部和承臺基礎(chǔ)安裝3個監(jiān)測點。

在拱橋施工中，通過對1，2，3號測點進行監(jiān)測，得出豎向位移為0.011 mm，側(cè)向位移為0.025 mm。在開挖爆破時變化量較大，為了保證溶洞區(qū)安全，施工時對該段初期支護進行加強。在拱橋施工完成并待圍巖穩(wěn)定后，進行二次襯砌施工。

5 處理效果

南陽一隧道底板下超大富水溶洞和落水洞群處理后，經(jīng)過1年多的運營監(jiān)測，雨季跨橋區(qū)中心水溝排水量明顯增大，引水通暢，滿足規(guī)范要求［11－12］。通過溶洞區(qū)地表查看，引水溝水流通暢，落水洞附近無積水，周圍無任何異常。洞內(nèi)溶洞區(qū)監(jiān)測結(jié)果顯示，底板下富水溶洞區(qū)跨橋和隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何異常和遺留問題。

6 結(jié)論與建議

在巖溶地區(qū)修建隧道，針對底板下超大富水溶洞的復(fù)雜情況，準確地掌握地貌、水文、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等資料十分重要，制定方案時必須要對其探測清楚。

首先，要利用探測技術(shù)確定溶洞的結(jié)構(gòu)形態(tài)，找出水源，為制定方案提供依據(jù);然后，采取地表落水洞封堵、水流引排、洞內(nèi)拱橋跨越等內(nèi)外相結(jié)合的綜合處理方案，并在拱橋處預(yù)留泄水孔，防止形成壓力水對隧道和拱橋結(jié)構(gòu)造成損壞。通過采取內(nèi)外相結(jié)合的處理方案，對南陽一隧道YK37+930底板大型富水溶洞的處理達到了預(yù)期的效果，實踐證明該處理方案及施工方法是成功的，可為今后類似工程提供借鑒。

巖溶地質(zhì)是十分復(fù)雜的，在設(shè)計和施工過程中應(yīng)充分考慮巖溶特點、圍巖條件以及周圍環(huán)境等因素，特別是富水區(qū)隧道溶洞施工，制定方案時應(yīng)從作業(yè)空間、造價、風險等方面進行深入分析研究。本文對富水超大溶洞進行了內(nèi)外結(jié)合的有效處理，但考慮到外部山體縫隙匯集形成的滲水不可能完全封閉，只能以加強溶洞區(qū)結(jié)構(gòu)和引排、泄水的方式進行處理。希望在以后的研究中，能不斷地完善超大富水復(fù)雜地質(zhì)溶洞處治技術(shù)。

［1］ 鐘世航，孫宏志，李術(shù)才，等.隧道施工時探查、預(yù)報斷層、巖溶、地下水的技術(shù)新進展——將隱患變成明示，將危險消滅在發(fā)生之前［J］.隧道建設(shè)，2008，28(5):22 －30.(ZHONG Shihang，SUN Hongzhi，LI Shucai，et al.New progress in detection and forecasting of faults，karst caves and ground water during tunnel construction:Making hidden danger clearly and preventing danger from happening［J］.Tunnel Construction，2008，28(5):22 －30.(in Chinese))

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