公路隧道側穿大型非充填型溶腔處治方案研究

張 雷

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230088;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 合肥市 230088)

0 引言

我國西南地區是巖溶強發育區,約占國土面積的1/3,擁有種類最多的巖溶地貌,包括溶蝕、溶蝕-侵蝕和溶蝕-構造[1]。巖溶既是寶貴的自然資源,也是棘手的工程問題。近年來,西南地區交通建設快速發展,地下工程建設中不可避免會遇到巖溶地貌,如何降低復雜巖溶給工程建設帶來的不利影響,成為學界和業界關注的重要問題。

目前,國內外學者已對隧道穿越溶洞處治方案進行了大量研究,如余龍選取隧道頂部、邊墻和底板三處代表性位置的溶洞處治案例進行了詳細分析[2]。趙少忠等以齊岳山隧道為依托,闡述施工過程中遇到不同位置溶洞時的處治方案[3]。聶信輝根據高速鐵路蘭花隧道施工過程中揭露的溶洞發育規模及隧址區水文地質條件,分別提出了合理的處治方案[4]。劉旭斌等提出在特長深埋巖溶隧道中應使用物探為主、鉆探為輔,中長距離與短距離探測相結合的預報技術,降低隧道施工風險[5]。

關于隧道穿越大型溶洞的研究相對較少。何省等以工程實例為依托,分析大型空溶洞和充填型溶洞的處治思路及措施[6]。林本濤等通過對比分析認為,大體積混凝土空心回填處治方案比橋梁跨越、棄渣回填兩種方案更安全,具有沉降易控制、經濟節約、施工難度低等優點[7]。袁永才等針對尚家灣隧道特大下伏無充填型溶洞,分別采取填堵法和跨越法進行治理[8]。王建等針對貴州某隧道底面巨型溶洞難以回填的情況,采取工字鋼加鋼筋混凝土板的新型處治方案[9]。

西南地區由于其特殊的喀斯特地貌,工程建設中不可避免遇到大型溶洞。由于隧址區地質及水文條件不同,揭露出的溶洞規模、位置及形態也不盡相同,因此需要結合實際工程情況具體分析。文章以西南某隧道側穿大型空腔溶洞工程為例,詳細介紹處治方案及注意事項,以期為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某特長隧道隧址區地處北回歸線以北,屬亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風立體氣候,區域垂直氣候分帶明顯,氣候干濕季明顯,每年降水多集中在6月至10月。

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)可知,隧址區的地震動反應譜特征周期為0.45s,地震動峰值加速度分區為0.10g,地震烈度Ⅶ度區。

隧址區主要地層為第四系殘坡積(Q4el+dl)層,二疊系下統茅口組(P1m)灰巖,隧道灰巖段巖溶較為發育,隧道區地表水較發育,區內沖溝溝向主要沿西南至東北向,溝內常年流水,隧道區地下水為第四系孔隙潛水類型、基巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶裂隙水類型。

2 溶洞揭露過程

溶洞段巖性為灰巖,Ⅳ級圍巖,采用兩臺階法施工,施工中發現掌子面右側揭露溶洞,初步揭露大小約8m×4m,溶洞頂部有少量裂隙滲水,無突泥涌水跡象。由于初始揭露溶洞處在此前一次與下一次預報搭接范圍內,且位于隧道側邊,故施工預報未提前發現。同時,嚴格按照臺階法施工,降低了一次性揭露溶洞的風險。后續在保證施工安全的前提下,將溶洞全部揭露。

經現場測量,確定溶洞縱向最大長度約35m,最大寬度約38m,隧道拱頂至以上最大高度約22m,溶洞揭露最大深度為隧道路面層以下,約12m。揭露溶洞區灰巖巖層為中～厚層,巖層產狀相對穩定,但頂部存在較多尖銳針狀鐘乳石,局部處于不穩定狀態;溶洞底部濕潤,凹凸不平,多為大塊石;底部凹陷,有巖溶水匯集,沿隧道開挖方向右前側排出,具體見圖1。

圖1 溶洞與隧道相對位置關系圖(單位:m)

3 溶腔底部物探分析

由于巖溶發育具有隱蔽性,且溶腔底部溶洞發育情況將直接影響處治方案的安全性,為了查明場地巖溶發育基本情況,需采取物探手段。

地質雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是一種用于探測地下介質分布的廣譜(10MHz～1GHz)電磁技術,基于該技術的現場物探方法簡單、快速、成熟,已廣泛應用于淺部巖溶、洞穴的探測工程[10]。其原理是利用一個天線(T)發射高頻電磁波,另一個天線(R)接收來自地下介質界面的反射波,通過對點反射體的圖像為雙曲線,而面反射體保持原形狀這一特性,對接收的反射波形態進行解譯,從而推斷地層結構及地質異常體,達到巖溶探測的目的。

該項目在溶腔底部布設3條縱測線,通過測線解釋結果推斷探測范圍內潛在地質異常的分布趨勢。進行物探前,需開展溶腔內水文情況調查,確定處治范圍內溶腔底部無排水通道后,采用C15混凝土將凹凸處填平,為物探工作提供工作平臺,隨后即可開展物探工作。

通過該項目溶腔底部布設的3條物探測線,結合物探剖面和物探解釋圖可知,底部并未存在較大溶腔,僅局部位置存在小溶腔,物探結果見圖2。

圖2 隧道溶洞段物探解釋圖

4 處治方案

考慮揭露的溶腔為非充填型,且溶腔內部整體狀態較穩定,根據地質雷達對溶腔底部進行探測的解譯成果,最終確定“固底-強腰-穩頂”的處治方案,處治設計圖如圖3。

圖3 隧道溶洞處治設計圖

4.1 固底

固底處治方案主要包括三方面,一是對已揭露溶腔底部的處理,二是對隧道底部的處理,三是對基地水的疏導。

(1)通過對物探資料的解譯,發現在隧道底板5m范圍內存在少量無填充型溶洞。施工過程中,通過施作灌漿孔驗證其實際深度,設計最終采用C15混凝土填充,處理后再次進行物探,確定處治效果。

(2)該隧道溶腔底部無隱伏性溶洞,故隧道仰拱底部揭露溶洞采用C15混凝土回填,利用回填形成的施工平臺,清理溶腔周邊危石,同時在隧道結構底部采用長4.0m,Φ 42mm×4mm的注漿小導管對隧道底部進行注漿加固處理,保證隧道底部穩定,防止后期發生不均勻沉降。

(3)固底過程中,單獨修筑了寬1.0m,高0.6m的排水溝,起到收集、引排作用,將巖溶裂隙水引至原有排水通道處,防止基礎被水清泡。

4.2 強腰

強腰主要體現在兩方面,一是對隧道襯砌結構的加強,共分三段,分別為已開挖段、穿越溶洞段及穿越溶洞后開挖段,二是對隧道穿越溶洞外側進行強腰設計。

(1)考慮現場施工二襯臺車長度及相關規范對加強段的最小長度要求,該處治方案對已開挖初期支護已施作段12m范圍內的襯砌進行加強處理。由于現場已施作二襯仰拱,為確保結構安全,對拱墻二襯進行配筋,對穿越溶洞后期開挖段落12m范圍內襯砌進行升級加強,同時對穿越溶洞區結構進行整體加強,具體加強參數見表1。

表1 溶洞段加強襯砌設計參數

(2)在隧道掘進方向右側溶洞較大位置設置偏壓式明洞擋墻及護拱,擋墻最小厚度2.0m,擋墻墻面坡率為1:0.3,其余段落在溶洞段襯砌外設置護拱,護拱厚度2.0m,掩護施工操作,保護隧道襯砌結構。穿越溶洞段應及時施作溶洞段初期支護和二次襯砌,最終與溶洞側擋墻及護拱共同發揮作用,起到強腰作用。

為便于護拱混凝土泵送和吹填細沙施工,可預留輸送管,梅花形交錯布置,橫縱向間距2.0m;C25擋墻底部設置長度0.5m,間距0.5m×1.0m的C22mm鋼筋與C15混凝土基礎進行錨固連接。

4.3 穩頂

穩頂是保證施工安全和保護運營期間隧道結構的重要一環。穩頂主要體現在兩個方面,一是已施作結構的頂部、擋墻頂部及護拱頂部,二是溶腔頂部。

(1)施工前對溶腔頂部進行清危,并在溶腔周邊初噴2cm C25早強混凝土,起到臨時封閉作用。對于經過后期處治仍外露的溶腔頂部,采用C25早強混凝土(厚8cm)、φ8mm鋼筋網(間距0.2m×0.2m)和C22砂漿錨桿(長3m,間距1.0m×1.0m)進行加固,最終形成錨網噴綜合防護系統,對溶腔頂部起到穩頂作用。

(2)隧道結構設計使用年限為100年,故仍需考慮已處理溶腔后期的溶蝕變化。設計中,要求待護拱達到承載力要求后,吹填約2.0m厚細沙作為緩沖層,對后期鐘乳石或掉塊起到緩沖作用,保證護拱和隧道結構運營期安全。

5 結論

(1)隧道穿越大型非充填型溶腔時,采用“固底-強腰-穩頂”的處治方案可加快施工進度,保證隧道結構安全。

(2)隧道穿越大型非充填型溶腔時,應加強區域水文地質特性調查。巖溶水處治應貫徹“宜疏不宜堵”的理念,同時加強穿越溶洞段落結構防排水措施。

(3)隧道穿越可溶性巖區易出現巖溶,施工中應堅持長短預報相結合,避免因預報搭接導致發現不及時。同時,巖溶發育區開挖不宜采用全斷面法,應避免一次暴露溶腔帶來的直接傷害。

(4)巖溶發育具有無規則性和隱蔽性,施工過程中應保證系統錨桿及超前支護加固圍巖的同時,對隧道周邊溶洞發育情況起到預探作用。