巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道拱蓋填充進洞技術研究

2021-03-31 01:01:52劉光

四川建筑 2021年1期

劉光

(中國中鐵四局集團有限公司, 安徽合肥 232000)

國內各省區都有不同面積的石灰巖分布，廣西地區出露的面積最大，達12×104km2，約占廣西全區總面積的60 %。新建南崇(南寧-崇左)鐵路是中國與東盟半島的交通大動脈的重要組成部分，具有巨大的戰略、社會和經濟價值。南崇鐵路途經我國巖溶最為發育的廣西中西部地區，分布著連綿成片、形態各異、挺拔峻峭的石灰巖山峰，如圖1所示，隧道施工過程中隱伏溶洞數量多、規模大、分布無規律、施工難度大，特別是洞口段存在隱伏溶洞的情況下，施工難度將進一步增加[1-2]。

圖1 廣西巖溶發育山峰

由于溶洞的不可預見性，對于溶洞的探測技術不斷發展，從傳統的鉆探逐漸向鉆探與物探相結合[3-4]的方式，以提高溶洞探測的精確性。對于不同溶洞的施工方法也有一定的差異，溶洞的類型，特別是填充物的形態對隧道結構的安全性將產生極其重要的影響[5]。施工與溶洞處治的相互關系對于施工的安全性及施工進度有直接關系[7]。

本文針對洞口存在溶洞的情況，進行溶洞與施工正洞先后順序的利弊分析，提出拱蓋填充進洞施工技術，有效解決了該工程難題，具有顯著的經濟優勢。

1 依托工程背景

南崇鐵路渠那隧道位于廣西自治區扶綏線境內，全長1 345 m，隧道進口外側1條斷層，與線路斜交夾角約38 °，該斷層影響下隧道進口巖體破碎，基巖大面積出露，地表分布有黏土，下伏基巖為灰巖，白云質灰巖，溶溝、溶槽發育，充填黏土，縱斷面如圖2所示，隧道進洞里程邊仰坡開挖后出現巖溶溶槽揭露，并根據洞口超前大管棚的鉆孔及物探探明，巖溶侵入了隧道拱腰一側，如圖3所示，斷面情況如圖4所示。

圖2 渠那隧道進口縱斷面

圖3 洞口溶腔侵入隧道現場

圖4 溶腔與開挖輪廓立面

通過分析，該工程存在如下的難點：

(1)隧道斷面屬于超大斷面，未見巖溶侵入隧道洞口的類似工程案例，無施工經驗可遵循參考。

(2)洞口段巖溶溶腔發育侵入拱腰，填充物極破碎，若施工不當，易造成拱頂坍塌，安全隱患大。

(3)超大斷面隧道在拱腰處出現大溶洞將會出現超挖嚴重，后期處理費用大，同時也要做好后期運營期間滲漏水預防。

(4)關鍵部位支護參數如何設計直接影響到施工方案的成敗，需要對支護結構受力進行深入研究。

(5)隧道支護與溶洞填充的先后順序，直接關系到施工安全與否，也關系到施工工期，因此需要分析最佳的施工時機。

針對以上的施工重難點問題，為安全、快速地在洞口揭露溶洞溶隙的情況下完成渠那隧道進口進洞，通過認真研究和成功的施工實踐，形成了本文所述的巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道拱蓋填充進洞技術。

2 進洞方案比選

2.1 方案介紹

綜合以往隧道施工經驗，結合本隧道的圍巖情況、溶洞情況，形成以下2套施工方案進行對比分析。

2.1.1 先處治溶腔再進洞掘進方案

根據已經揭露的圍巖情況，地表進行注漿后，一榀一榀開挖隧道洞口段，噴射混凝土支護后，形成初期支護，同時將空溶洞注漿填滿，再進行隧道主體的開挖和施工。

2.1.2 拱蓋+填充方案

(1)隧道正洞遇到空溶腔處，利用上一榀拱架作支承點，通過超前錨桿(管)+網片組合以小角度向外側懸挑出去，通過噴射混凝土支護后，提前形成拱蓋的方式，先對侵入了隧道拱腰的溶腔進行跨越。

(2)在巖溶溶槽中選擇較大的巖體采用砂漿錨桿進行固定，利用砂漿錨桿的黏結作用將圍巖與穩定巖體結合在一起而產生懸吊效果、組合梁效果、補強效果，在已插打的錨桿上掛設鋼筋網進行錨噴加固。

(3)洞口邊仰坡揭露巖溶溶槽巖石破碎、裂隙發育，采用超前小導管前進式注漿，即鉆孔一段注漿一段,清孔鉆進后再注漿,這樣循環往復至注漿孔終深，以達到填充裂隙，提高巖體整體穩定性的目的。

2.2 方案優缺點對比分析

從技術可行性、安全性、經濟性、工期等方面分析如表1所示。

表1 巖溶溶腔侵入拱腰高鐵隧道洞口段施工方案對比

從表1的分析可知，拱蓋+填充方案在技術可行性、安全性、經濟性及工期上都具有顯著的優勢，故在施工中選擇該方案。

3 施工流程及技術要點

3.1 施工工藝流程

基于依托工程的實際情況，采用拱蓋填充方案時，整體施工工藝流程如圖5所示。

圖5 施工工藝流程

3.2 施工技術要點

3.2.1 超前地質預報

在進洞前，針對洞口揭露溶洞，采用地質雷達及超前鉆孔的方式進行探查，探明巖溶裂隙的走向，結合隧道地質鉆孔資料及地質雷達掃描資料對圍巖狀況進行預判，從而為下一步確定整治方案做好指導工作。

3.2.2 邊仰坡加固注漿

根據洞口邊仰坡巖溶揭露及超前地質預報情況，20 m縱深范圍內洞身位于巖溶破碎帶中，為確保進洞安全，對線路右側13 m范圍采用φ42 mm小導管注漿加固，洞門段斷面圖及小導管構造圖如圖6和圖7所示。

圖6 洞門段斷面(單位：cm)

圖7 小導管構造(單位：cm)

3.2.2.1 小導管插打

在設計孔位上做好標記，用管棚鉆機進行鉆孔，孔徑較設計導管管徑大 20 mm 以上成孔后，將小導管按設計要求插入孔中，或用鑿巖機直接將小導管從型鋼鋼架上部、中部打入，外露20 cm支撐于開挖面后方的鋼架上，與鋼架共同組成預支護體系。

3.2.2.2 小導管注漿

前進式分段注漿工藝是針對成孔困難的特殊地質條件下的一種可行性較高的注漿技術，遇水即注漿，再掃空，再注漿，直至設計孔深。先注外圈、后注內圈，同一圈由下而上間隔施作。當鉆孔涌水量不小于50 L/min時，注入速度80～150 L/min；當涌水量不大于50 L/min時，注入速度35～80 L/min。注漿壓力：一般為 0.5～1.0 MPa。

注漿結束標準根據注漿壓力和注漿量來控制。一般采用定壓注漿。當注漿壓力逐步升高，達到設計終壓并繼續注漿10 min以上，進漿量小于初始進漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結束本孔注漿；全段注漿結束標準：所有注漿孔均符合單孔結束條件，注漿后隧道預測涌水量小于1 m3/(d·m),可結束本循環段注漿；全部注漿孔注漿結束后，于斷面上下左、右及中部各設一檢查孔，每孔長約20 m,孔徑與注漿孔相同，測孔內涌水量或進行壓水試驗，若滿足設計要求，則可以開挖，否則進行補注漿。

3.2.3 隧道管棚施工

3.2.3.1 套拱施工

套拱采用先墻后拱方法施工，先做基礎底部邊墻，待邊墻強度滿足要求后施工拱圈部分。套拱基礎開挖分三步開挖，挖至基礎底部時立即對基坑進行封閉。

洞口端用1 m 長套拱(C20混凝土) 作為管棚導向墻。套拱施工采用先墻后拱法，在1 m套拱內架立2榀I18型鋼拱架(縱向間距0.5 m)。在鋼支撐上安裝φ140×5 mm,長1 m的孔口管，導向管(即孔口管)沿拱圈環向布設，間距中對中40 cm，部分根據超前地質預報的判斷對隱伏溶洞范圍內的管棚進行加密，間距20～40 cm，見圖8和圖9所示。

圖8 管棚施工正面示意

圖9 管棚施工側面示意

3.2.3.2 管棚鉆孔頂管施工

長管棚施工主要工序有：搭鉆孔平臺、安裝鉆機、鉆孔、清孔、驗孔、安裝管棚鋼管、注漿、清孔、充填M10水泥砂漿。

通過管棚的施工技術參數的反饋，判斷隱伏溶洞的大小和范圍，通過鉆出的芯樣判斷填充物的情況，本隧道拱部右上部分20 m范圍為少量黏土為填充物的溶洞。

3.2.3.3 管棚注漿

注漿采用單液注漿，并采取分段注漿方式保證注漿能充分填充至圍巖內；注漿壓力達到2 MPa，并持壓5 min以上，注漿漿液達到設計80 %以上時，可停止注漿，并及時封堵注漿口，防止空氣進入管內；注漿結束后，對鋼管口進行清孔，清孔完畢后立即用M10砂漿進行充填，增加鋼管強度，并注意注漿管口埋入砂漿深度不得少于30 cm。

3.2.4 隧道洞身開挖

3.2.4.1 開挖方法

隧道進洞采用三臺階法進行開挖，開挖進尺調整為1榀鋼架縱向間距，開挖方式采用弱爆破，爆破時嚴格控制炮眼深度及裝藥量，嚴格控制超、欠挖，加強鋼架之間的縱向連接。

3.2.4.2 溶腔的初步處治

揭示溶洞后，對溶洞的形態、位置、填充物類型進行分析，針對此處洞內為右側拱頂位置、封閉溶洞、填充物為黏土的情況，及時采用挖機配合人工對填充物進行清理，清理完成后對封閉溶洞的完整溶腔壁部采用噴射混凝土封閉溶洞表面，防止掉塊的發生。

3.2.4.3 初期支護

在溶洞范圍內利用上一榀鋼架作為支撐點，通過超前錨桿(管)+網片組合形成縱向連接，并采用徑向錨桿(管)對鋼架徑向進行固定，徑向錨桿(管)的另一端深入溶洞壁面以內0.5 m；架設鋼架及鋼筋網，進行噴射混凝土支護，將徑向錨桿(管)、超前錨桿(管)、鋼架、鋼筋網共同形成拱蓋先行通過溶洞空腔，并預留注漿管，如圖10和圖11所示，現場施作如圖12所示。

圖10 洞身溶洞處治及支護立面

圖11 洞身支護側面示意

圖12 “拱蓋”結構

3.2.4.4 正洞掘進及溶洞處治

待正洞穿過溶腔處，開始正面向溶腔內灌入砂漿，避免了因先處理溶腔而耽誤正洞施工進度。

4 施工安全數值分析

4.1 數值計算模型

根據實際情況模擬隧道所處的地形、隧道埋深及隧道開挖的開挖過程，模擬計算采用FLAC3D有限差分元通用程序。為充分模擬隧道的三維空間效應，計算模型所取范圍是：根據實際工程情況沿縱向取50 m，沿橫向取50 m，深度取隧道仰拱下方15 m，隧道縱深10 m，埋深15 m；約束情況為前后、左右方向受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由面；計算中地層采用彈塑性實體單元模擬，初期支護、加強初期支護采用彈性實體單元模擬。模型的地層采用IV級圍巖地層。整體模型圖如圖13和圖14所示。