隧道拱頂半填充大溶洞處治施工技術

鄭寰宇

(1.廣西路建工程集團有限公司,廣西 南寧 530001;2.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著廣西公路建設規模與數量的增長,在喀斯特地貌區建設隧道越來越多遇到大型溶洞,而大型溶洞極易在施工過程及運營期間引發安全與質量問題,因此采用何種處治方案對其進行處治就尤其重要。廣西武宣至忻城高速公路(來賓至忻城段)巖溶區內的來賓三號隧道采用護拱法穿越大溶洞,其具體處治方法為:先做護拱,在護拱外回填混凝土作為人造圍巖保護殼,并設置隧道外排水設施保留溶洞的原來過水通道。該方法適用性強,施工簡單、便捷、快速,既能最大限度地保證施工安全與質量,且能隨時進入溶洞內對溶洞發展變化情況進行觀察與進一步處治,從而更好地保障隧道運營期的質量安全。本文從襯砌結構、溶洞內排水、施工方法等方面對護拱法穿越隧道拱頂大溶洞的具體處治方案進行闡述。

1 工程概況

來賓三號隧道設計為高速公路雙向四車道分離式隧道,從進口端左洞開挖至ZK56+330(隧道埋深約152 m)時,在掌子面右上部位揭露出1個半填充大溶洞,溶洞與隧道走向呈斜交,溶腔長度約為120 m、最寬處約為20 m、最高處約為15 m。溶洞頂部有石鐘乳,下部有約10 m充填物(充填物頂標高至隧道拱頂距離約為0.9～1.6 m),以黏土為主,表部為角礫(厚度為0.2～2.0 m)。隧道溶洞段巖質為中風化灰巖,溶洞內圍巖級別為Ⅴ級,產狀為276°∠36°,呈中厚層狀。溶洞離掌子面遠端走向為180°、近端走向為35°(隧道走向為85°)。溶洞頂近端石鐘乳古老,巖石干燥,已停止發育;遠端石鐘乳新鮮,有滴水,正在發育。無暴雨時溶洞內有小股狀洞周裂隙滲水,流量約為5 L/min,水清澈;降大雨后出現大量涌水,最大涌水量為27 592 m3/d。

2 處治設計參數

來賓三號隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段受溶洞影響,從最大限度保證隧道穿越溶洞施工過程安全和后期隧道運行安全的角度綜合考慮,確定了襯砌結構參數,采用Ⅰ20B工字鋼拱架間距為50 cm,C25噴涂混凝土厚度為26 cm,直徑8 mm鋼筋網間距為20 cm×20 cm,直徑為42 mm、壁厚為4 mm、長度為6 m系統注漿小導管間距為50 cm(縱向)×100 cm(環向)梅花布置作為初期支護;C35防水鋼筋混凝土厚度為50 cm作為二次襯砌,預留變形量為15 cm。處治方法采用從ZK56+330處掌子面開始往大樁號開挖襯砌結構頂部溶洞填充物形成的薄弱覆蓋層,每3 m為1個循環,開挖后立即施作護拱(護拱采用間距為100 cm Ⅰ20b工字鋼+50 cm厚C25噴射混凝土),再以護拱為底模,在護拱外泵送回填C20混凝土(護拱頂部回填混凝土厚度≥1 m)作為人造圍巖保護殼,再在護拱的保護下,采用兩臺階預留核心土法開挖掘進并施作初支及二襯結構。同時,在ZK56+335處右側與ZK56+360處左側分別設置集水槽,集水槽向上連通溶洞與隧道中央排水溝,確保原有排水通道順暢。溶洞處治斷面設計圖見圖1。

圖1 溶洞處治斷面設計圖

3 施工工藝流程

巖溶勘探→危巖排查與清除→溶洞臨時排水施工→逐段開挖溶洞底部填充物施作護拱(3 m/段)→逐段護拱外溶洞泵送回填混凝土→逐段護拱范圍隧道洞身逐榀開挖及初支(在設集水槽的地方,一并開挖施作集水槽)→隧底承載力檢測(若不足進行基底處理)→仰拱施工→隧道防排水施工→二襯施工。

4 施工關鍵及要點

4.1 巖溶勘探

溶洞揭露出來后,應結合地勘資料,采取綜合超前地質預報手段,探清巖溶規模、溶洞分布、巖溶充填、地下水及其流向等情況,核實巖溶與隧道空間位置關系等[1]。

4.2 危巖清排

從ZK56+330處掌子面溶洞口開始,對溶洞內進行排險工作。溶洞處治采用逐段施工,每段施工前必須先排險,以安全第一為原則。排險主要以清理松動圍巖為主,不能過大擾動溶洞內圍巖,優先采用挖機緩慢清理溶洞口的淤泥、黏土以及松動的巖石,清理后立即采用C25噴射混凝土防護,視溶洞口圍巖的穩定性而決定是否增加錨桿或注漿小導管,防止塌方。溶洞口圍巖穩定后,才可進入溶洞內進行排險。在溶洞內人工使用鋼釬進行排險,排除溶洞內的浮石、險石。

4.3 溶洞臨時排水

在隧道左側溶洞內設置攔水壩,攔截雨天溶洞內流水,減少溶洞內流水對施工的影響,用水泵與排水管(帶)將攔截的水抽排到隧道洞外。攔水壩位置要結合溶洞內地形及地基情況等綜合選取,修建在溶洞較窄處,與溶洞軸線正交,能縮短攔水壩的長度。

4.4 溶洞底部填充物開挖

從掌子面揭露的溶洞口往掌子面正前方采用放坡開挖的方式沿隧道縱向逐段開挖溶洞底部填充物,每段縱向開挖長度控制為≤3 m[2]。采用挖機開挖溶洞內的淤泥、松軟的黏土等巖溶填充物,控制臨時邊坡坡比為1∶0.5。在開挖過程中,溶洞內逐漸形成方便人員、機械通行的施工通道。填充物開挖后立即進行危石清排。

4.5 護拱施工

逐段的溶洞底部填充物開挖及溶洞排險后,進行該段的護拱施工。護拱工字鋼拱架要穩固架立在基巖上,根據測量放樣確定每榀拱架兩端在基巖上的架立位置,以測量數據來確定工字鋼拱架的加工弧長。在護拱拱架兩端向圍巖內打設各2根無縫鋼管,長為5 m,直徑為42 mm,壁厚為4 mm,作為鎖腳。拱架用鎖腳鋼管焊接固定。每榀拱架之間通過直徑22 mm螺紋鋼筋焊接相連,拱架背后設置間距為20 cm×20 cm的直徑8 mm圓鋼鋼筋網,增強護拱的整體性。

4.6 溶洞混凝土回填

護拱外的溶洞回填混凝土前應清理干凈回填范圍內溶洞壁的黏土、淤泥等,直至露出硬質巖層。逐段護拱施作完成后立即對該段護拱外溶洞進行C20混凝土回填,混凝土回填至護拱頂以上≥1 m的厚度。在端頭模處預埋螺紋鋼筋作為前后段回填混凝土的連接。最后一段回填混凝土施工時,溶洞內為密閉空間,護拱頂部要預留好排氣孔,排氣孔距離護拱頂的高度應等于回填混凝土的澆筑高度,當回填混凝土澆筑到規定標高后,混凝土會從排氣孔流出,以表示回填混凝土已澆筑到位。

4.7 隧道開挖及結構施工

待溶洞混凝土回填完成后即可進行隧道開挖。采用三步七步開挖法進行開挖,應及時進行仰拱施作,及早封閉成環。仰拱至掌面距離控制在20 m內。隧底開挖后,要對隧底地基承載力進行檢測,如不滿足設計要求,根據具體情況可采用換填混凝土淺層或微型鋼管樁深層進行處理,避免隧道結構下沉。

4.8 監控量測

針對該段落的溶洞處治,在施工期間制定了支護結構狀態觀察、初支周邊位移、初支拱頂下沉和拱腳下沉等4個監控量測項目,每3 m一個斷面,按照2次/d的頻率進行監測。經過監測,支護結構無開裂,初支周邊位移的最大變形速率為2.3 mm/d、最大累計變形量為18.2 mm;初支拱頂下沉最大變形速率為4.2 mm/d、最大累計變形量為33.2 mm;初支拱腳下沉最大變形速率為1.4 mm/d、最大累計變形量為12.7 mm。隧道運營期,在溶洞內設立永久監測點和監控攝像頭對溶洞的洞內情況進行長期監控。

5 結語

運用該方案對來賓三號隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段拱頂半填充大溶洞進行處治,施工過程中監控量測數據正常,施工安全質量符合要求,隧道襯砌結構施工完成后穩定可靠。經過連續5 d的大雨天,溶洞及隧道排水通暢。在施工中應重點關注:施工過程中盡量避免或減少作業人員無防護暴露在溶洞施工;隧道左洞溶洞段施工過程中,須避免右洞爆破施工擾動;溶洞未封閉前,應留有方便作業人員進出溶洞的通道,以便緊急情況時人員可快速撤離;施工過程中,應加強對溶洞、護拱、初支情況的巡查與監測,發現異常,及時反饋設計及相關方,做到動態設計,動態施工;對可能出現的各類施工問題提前做好應急預案,防患于未然。施工前對應急預案進行研究、完善、細化、交底,確保預案能夠及時有效實施,最大限度保障人員安全。