隧道底部大型溶洞處治設(shè)計(jì)

王貴波，李 箐，曲道來(lái)

(1.中鐵十三局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧大連 116033; 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008;3.湖南省吉茶高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南吉首 416000)

0 引言

巖溶問(wèn)題是一個(gè)世界性的課題，各國(guó)在工程建設(shè)中，均遇到了各種各樣的巖溶地質(zhì)災(zāi)害。我國(guó)是多山國(guó)家，三分之二的國(guó)土由不同類(lèi)型的山脈、高原組成，在基礎(chǔ)建設(shè)大發(fā)展的今天，有著大量隧道、隧洞的修建。由于隧道、隧洞都處于地下各種復(fù)雜的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)巖體中，因此對(duì)各類(lèi)巖溶問(wèn)題的處理尤為顯得重要。在灰?guī)r地區(qū)，如何既經(jīng)濟(jì)又安全地處理好隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)的巖溶問(wèn)題，成為了該工程是否能順利完工的關(guān)鍵因素。本文結(jié)合溆浦至懷化高速公路控制性工程關(guān)虎沖隧道出現(xiàn)的突發(fā)問(wèn)題，對(duì)采用橋梁跨越隧道底部大型溶洞的處理方案進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明、分析與設(shè)計(jì)，可供同類(lèi)工程參考，運(yùn)用。

1 工程及地質(zhì)概況

關(guān)虎沖隧道是溆浦至懷化高速公路的控制性工程，該隧道為雙洞單向特長(zhǎng)交通隧道，隧道長(zhǎng)度為4 944 m。隧道區(qū)地質(zhì)復(fù)雜，頻繁穿越不同巖性地層、斷層帶，巖性變化大。而且該地區(qū)巖溶水系發(fā)育，地下暗河與巖溶泉水及巖溶裂隙水交錯(cuò)分布，情況復(fù)雜。該隧道懷化端圍巖主要為弱—微風(fēng)化薄—中厚狀白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾薄層紫色、灰色泥巖及層間錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的角礫巖，局部發(fā)育紫色鈣泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖及粉砂質(zhì)泥巖，為堅(jiān)硬巖夾軟巖。

2 巖溶發(fā)育情況說(shuō)明

右線懷化端上半斷面開(kāi)挖掘進(jìn)50 m處時(shí)，掌子面偏左位置發(fā)現(xiàn)一豎向發(fā)育的溶洞，該溶洞頂部位于隧道頂部開(kāi)挖輪廓線以下，上口垂直隧道走向?qū)捈s8 m，平行隧道走向長(zhǎng)約10 m，溶洞水平長(zhǎng)軸與隧道中線夾角約60°～70°(如圖1)。經(jīng)下到洞內(nèi)實(shí)地勘測(cè)，溶洞深度25～30 m，向下溶洞逐步擴(kuò)大呈葫蘆型，線路右側(cè)溶洞壁距仰拱底以下15 m左右有大股狀出水，呈瀑布狀跌落洞底(如圖2)。

該溶洞發(fā)育于斷層帶附近，溶洞下方多處見(jiàn)透鏡狀煤及砂巖，灰?guī)r中角礫狀結(jié)構(gòu)發(fā)育，巖石扭曲痕跡十分明顯，巖層產(chǎn)狀變化大，洞室附近灰?guī)r總體傾向SSW，傾角15°～30°;發(fā)育多組節(jié)理、裂隙。溶洞形狀發(fā)育不規(guī)則，走向總體NNE－SSW，掌子面以約20°～30°相交;至頂部以下20 m時(shí)，洞室逐漸向NNE一側(cè)擴(kuò)大，該處一側(cè)出現(xiàn)一寬約1.5～2.0 m的溶蝕平臺(tái)，暗河水從該平臺(tái)同一高度的NNE側(cè)壁上側(cè)小溶洞口流出，水流小時(shí)(3 000 t/d)呈面狀漫流;水流大時(shí)(15 000 t/d)，呈大股狀噴射而出。

3 設(shè)計(jì)方案

考慮到溶洞豎向深度為25～30 m，并且仰拱底以下15 m左右有大股狀出水，不宜采用封堵的方式，以免堵塞地下水流水通道，以致地下水從更不利的位置流出，影響隧道安全。綜合考慮采用架橋跨越的方式通過(guò)溶洞。

3.1 橋梁跨度及橋臺(tái)與支座的設(shè)計(jì)

溶洞上口垂直隧道走向?qū)捈s8 m，平行隧道走向長(zhǎng)約10 m，豎向呈葫蘆型發(fā)育，上窄下寬，最寬處位于設(shè)計(jì)標(biāo)高下16 m的位置，縱向?qū)挾葹?6 m，因此采用25 m T梁一跨跨越。兩端橋臺(tái)臺(tái)帽直接落于隧道底部巖層上。橋梁支座采用GPZ系列支座，支座型號(hào)分別為:GPZ1GD，GPZ1DX。

3.2 隧道開(kāi)挖下臺(tái)階前的加固措施

由于溶洞拱頂裂隙發(fā)育，多為灰?guī)r夾青灰色泥巖，巖體破碎。為了確保周?chē)鷰r體的密實(shí)性以及能與初期支護(hù)有效的結(jié)合，在溶洞段隧道頂部進(jìn)行注漿加固。

同時(shí)，為了提高該段的初支強(qiáng)度，使工字鋼與周?chē)鷰r體有機(jī)的結(jié)合起來(lái)共同受力，每品工字鋼環(huán)向增設(shè)14根4.5 m長(zhǎng)Φ42鎖腳小鋼管，一頭焊在工字鋼上，一頭交叉打入巖體中。

3.3 隧道支護(hù)基礎(chǔ)梁的設(shè)計(jì)

在隧道兩側(cè)拱腳處設(shè)置一鋼筋混凝土基礎(chǔ)托梁，左側(cè)采用1.5 m×1.64 m矩形托梁，右側(cè)采用1.5 m×1.9 m矩形托梁，二襯落于此基礎(chǔ)梁上。同時(shí)，由于左側(cè)初期支護(hù)懸空，在左側(cè)初支工字鋼下底前架設(shè)2榀32b普通工字鋼托梁，工字鋼采用高強(qiáng)螺栓連接，初支工字鋼與此托梁采用鋼板焊接。

3.4 防排水設(shè)計(jì)

關(guān)虎沖隧道為特長(zhǎng)隧道，隧道穿越多座相連的不規(guī)則山體，中間位置分布多處地勢(shì)低洼地段。水系發(fā)育，多為巖溶水與裂隙水。設(shè)計(jì)遵循“防、排、堵、截，因地制宜，綜合治理”的原則，做到“清濁分流”。

路緣溝在橋臺(tái)尾部?jī)啥嗽O(shè)置路緣溝檢查井，用φ 20鋼管聯(lián)通，跨越溶洞，將水排出洞外。

中心水溝在右側(cè)基礎(chǔ)梁中預(yù)留水溝槽，在溶洞兩端設(shè)置中心水溝檢查井，將中心水溝的來(lái)水轉(zhuǎn)到右側(cè)水溝預(yù)留槽中，然后接入洞口段中心排水溝，將水排出洞外。

襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3，跨越段平面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

4 施工步驟

隧道分3個(gè)臺(tái)階按設(shè)計(jì)線形進(jìn)行掘進(jìn)，上臺(tái)階和中臺(tái)階開(kāi)挖完成后，用工字鋼架設(shè)便橋，滿(mǎn)足臨時(shí)施工運(yùn)輸要求，等隧道掘進(jìn)至第一個(gè)車(chē)行橫洞，施工運(yùn)輸車(chē)輛繞行左洞。然后開(kāi)挖下臺(tái)階，并處理溶洞。

1)該段開(kāi)挖下臺(tái)階以前，首先上臺(tái)階鎖腳小導(dǎo)管以及對(duì)該段巖體進(jìn)行注漿加固。

2)施作右側(cè)基礎(chǔ)梁下臺(tái)階，首先將該側(cè)初支工字鋼下底，拆除現(xiàn)有臨時(shí)便橋，然后開(kāi)挖該側(cè)下臺(tái)階，施作該側(cè)底部豎向加固錨桿，架設(shè)該側(cè)下臺(tái)階臨時(shí)便橋，施作該側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁。

3)施作左側(cè)基礎(chǔ)梁下臺(tái)階，先架設(shè)溶洞縱向前后非懸空段工字鋼，拆除現(xiàn)有臨時(shí)便橋，然后開(kāi)挖該側(cè)下臺(tái)階，施作該側(cè)底部豎向加固錨桿，架設(shè)該側(cè)下臺(tái)階臨時(shí)便橋，然后施作懸空段，懸空段先施作32b工字鋼托梁，然后將初支工字鋼焊接于托梁上，施作該側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁。

4)開(kāi)挖出橋臺(tái)位置，施作橋臺(tái)，架設(shè)橋梁支座。

5)拆除臨時(shí)便橋，架設(shè)預(yù)制T梁。

6)施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。

5 施工注意事項(xiàng)

1)在溶洞口附近進(jìn)行施工時(shí)，存在安全隱患，施工時(shí)特別要注意施工安全，做好施工人員的各項(xiàng)安全措施。

2)下臺(tái)階開(kāi)挖后，根據(jù)實(shí)際情況可對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)高以下10 m的溶洞周壁局部破碎位置進(jìn)行噴混掛網(wǎng)加固。

3)中心水溝經(jīng)檢查井轉(zhuǎn)到右側(cè)基礎(chǔ)梁預(yù)留水溝槽，在銜接處應(yīng)開(kāi)槽留口。

4)注意爆破控制，采用弱爆破，少擾動(dòng)的原則，尤其是在橋臺(tái)施工期間，盡可能地減少對(duì)臨時(shí)便橋的擾動(dòng)。

5)嚴(yán)格控制隧道開(kāi)挖過(guò)程，防止洞渣以及在噴混過(guò)程中的混凝土掉入溶洞內(nèi)，對(duì)溶洞內(nèi)水系發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

6)考慮到T梁與二襯可能有較長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)架設(shè)，在這段期間內(nèi)要定期對(duì)該段初支以及便橋的情況進(jìn)行安全巡查與監(jiān)測(cè)，確保施工期間的安全。

6 總結(jié)

1)隧道內(nèi)處理有水溶洞時(shí)，在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下，應(yīng)盡量的不破壞其原有水路。

2)巖溶問(wèn)題是灰?guī)r區(qū)隧道一個(gè)比較突出、復(fù)雜的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)隧道掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況有個(gè)預(yù)判，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及早處理。

3)隧道內(nèi)巖溶處治設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮經(jīng)濟(jì)因素和結(jié)構(gòu)可靠度，還要結(jié)合能否有效施工以及施工安全來(lái)綜合考慮。

［1］彭立敏，劉小兵.交通隧道工程［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2003.

［2］JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］湖南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.關(guān)虎沖隧道施工圖［Z］.

［4］王夢(mèng)恕.水下交通隧道的設(shè)計(jì)與施工［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2009，11，(7):3 －10.

［5］王建宇.對(duì)隧道襯砌水壓力荷載的討論［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006(增):67－73.

［6］雷 華，等.灣田3號(hào)隧道巖溶處治方案設(shè)計(jì)［J］.公路，2009，4，(4):41－45.