宜万铁路龙麟宫隧道穿越大型半充填溶洞综合处理技术研究

李鸣冲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

宜万铁路龙麟宫隧道穿越大型半充填溶洞综合处理技术研究

李鸣冲

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

宜万铁路龙麟宫隧道DK231+700～DK231+800段大型半充填溶洞纵向长100m,横向宽100m,溶洞规模宏大、各段形态各异,隧道整个洞身均位于溶洞内。设计采用立柱支顶与锚喷网结合的溶洞防护方案,防止了溶洞顶板大面积剥落、垮塌,为下部安全施工提供必要条件;根据溶洞与隧道的不同空间关系,采用了复合地基+整体结构、单压式结构及框架结构等特殊隧道结构;针对隧底溶洞充填物承载力偏低的问题,采用了换填、钢管桩注浆加固及深孔注浆加固的措施,提高了承载力,减小了工后沉降。经过2年多的连续监测,溶洞顶板、隧道结构均处于正常工作状态,说明处理方案安全、可靠。

宜万铁路;岩溶隧道;溶洞;处理技术;特殊结构

1 工程概况

宜万铁路龙麟宫隧道(图1)位于恩施市白果镇,为双线隧道,全长3421m,最大埋深328m,洞身位于白果坝背斜南东翼,洞身穿越寒武系上统灰岩、白云质灰岩地层,高程位于垂直渗流带内,位于隧道下部100m深的龙麟宫风景区出水洞为区域最低排泄基准面。

图1 龙麟宫隧道纵断面

隧道施工中共揭示溶洞、溶槽50余处,其中容积大于100m3的溶洞10处,容积大于1.0×104m3的大型溶洞2处,大部分溶洞位于前期勘探的物探异常区。受地下水排泄基准面影响,揭示溶洞以贫水空洞、半充填溶洞为主,不聚集水压。DK231+700～DK231+ 800段揭示大型半充填溶洞,揭示过程中溶洞顶板出现大面积剥落,处理过程十分困难。

目前我国学者进行的岩溶对隧道工程的影响研究多集中在溶洞对隧道围岩应力场、变形场的影响,即溶洞引起的隧道围岩及支护结构的变形、开裂和失稳[1～7],而较少涉及大型溶洞内隧道结构的研究。本文结合龙麟宫隧道DK231+700～DK231+800段大型溶洞处理进行溶洞防护、特殊隧道结构、隧底处理方案选择的研究。

2 溶洞规模、形态、工程水文地质条件

溶洞纵向长100m,横向宽大于150m,其中DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m为空洞,溶洞顶板位于隧道拱顶附近;DK231+735～DK231+ 755段隧道线路位置被巨石侵入,形成“鹰嘴”;DK231+ 755～DK231+796段溶洞顶板发育在轨面以上10～20m,隧底发育隐伏溶洞,形成溶洞大厅。溶洞规模宏大、各段形态各异,隧道整个洞身均位于溶洞内[8]。

溶洞周边地层为灰岩、白云质灰岩局部夹薄层泥质白云岩,中厚～厚层,节理较发育。开挖揭露的灰岩层厚为50～80cm,泥质白云岩软弱层厚度为10～20cm。由于溶洞顶部岩层倾角较小,层间发育软弱夹层,节理裂隙较发育以及受施工振动等原因影响,溶洞顶部不稳定,已有大块岩石沿软弱层面剥落,剥落层面厚度为80cm,最大面积达50m2。DK231+705～DK231+735段隧底以下9～23m为空洞,揭示后充填溶洞坍塌后形成的堆积物,局部地段存在较大块石,块径1.8～2.3m。DK231+735～DK231+800段隧底以下为溶洞充填物及隧道弃砟,最深处发育至隧道以下15m[9]。

溶洞拱顶局部有滴、渗水现象,分析认为该溶洞为古暗河通道,雨季时承接部分过路水,估算过路水最大流量在6000m3/d左右,向溶洞小里程方向排泄。

3 溶洞处理方案

DK231+700～DK231+800溶洞纵、横向跨度均超过100m,揭示过程中溶洞顶板不断出现剥落现象,对现场施工造成很大威胁,DK231+735～DK231+755段隧道线路位置被巨石侵入,巨石下部悬空,形成“鹰嘴”,极可能出现整体坍塌。根据溶洞形态、规模及工程地质、水文地质条件,综合考虑隧道施工及运营安全,经多方案比较,采用如下处理方案。

3.1 迂回导坑绕行(图2)

为解决掌子面施工受阻难题,溶洞段采用迂回导坑绕行,迂回导坑长206.4m。

图2 DK231+700～DK231+800段溶洞平面(单位:cm)

3.2 溶洞防护

由于溶洞顶板稳定性差,不断出现剥落,为保证溶洞顶板的稳定性,防止出现大范围坍塌,采用“分段清危、立柱支顶、锚喷防护”的溶洞防护方案(图3)。

图3 溶洞立柱支顶防护

(1)采用机械逐段清除溶洞顶部可能塌落的危石。

(2)为尽量减小隧道工程活动范围内溶洞顶板的跨度,同时考虑防护工作是逐段进行(每段长度5m),设计中借鉴了无梁楼盖的设计方法,在DK231+750～DK231+800溶洞大厅段采用φ1.4m的C25钢筋混凝土立柱支顶,根据“永临结合”的原则,隧道左右两侧各设置2排,靠近隧道2排立柱距隧道中线9m,纵向间距6m,其余立柱根据溶洞顶板稳定情况,必要时在距隧道中线17m处设置;立柱采用独立基础,基础尺寸为3m×3m×2m(长×宽×高),采用C20混凝土灌注;立柱与溶洞顶板间隙采用M10水泥砂浆压密,确保立柱与溶洞顶板密贴。

(3)为增强溶洞拱顶的自承能力,对 DK231+ 705～DK231+800段溶洞顶板进行锚喷网防护, DK231+705～DK231+755段溶洞防护范围为隧道中线外20m以内,DK231+755～DK231+800段溶洞防护范围为隧道中线外15m以内,参数为:φ25mm自进式锚杆,长8m,间距2.0m×2.0m;C20网喷混凝土15cm厚,钢筋网采用φ8mm钢筋,网格为20cm× 20cm。

3.3 隧底空洞段处理方案(图4)

(1)隧底溶洞处理:DK231+705～DK231+735段隧底以下10～20m为空洞,溶洞揭示后,随溶洞顶板不断剥落及部分隧道弃砟堆填,隧底空洞已被塌落的巨、块石堆积,空隙较大,易发生不均匀沉降,堆积体难以达到规范规定的无砟轨道工后沉降控制值。为有效控制工后沉降量,该段采用复合地基加固处理,隧道结构下部2.0m厚采用C20混凝土填筑,其下部则采用复合地基混凝土桩加固。桩径1.25m,桩间距2.5m,三角形布置,桩长1.24～17.06m,深入基岩不小于0.5m,桩内填充C15混凝土,桩顶铺0.6m的碎石垫层,其内铺设2层TGSG50土工格栅(桩顶以上0.2、0.5m各1层),土工格栅的极限抗拉强度不小于50kN/m。

图4 隧底空洞段处理设计

(2)隧道结构:为防止隧道两侧溶洞壁剥离落石对隧道结构造成损坏,隧道左右边墙外施作1m厚混凝土护墙,同时考虑高填路基工后沉降的影响,隧道轨上内轮廓在原设计的基础上适当加高,采用加强型复合式衬砌,25cm厚C25网喷混凝土初期支护+60cm厚C35钢筋混凝土二次衬砌[10]。

3.4 “鹰嘴”段溶洞处理方案(图5)

(1)稳固“鹰嘴”:由于巨石悬空,为保证施工安全,首先在线路右侧施作混凝土挡墙支顶,以起到支顶、防护效果,并将挡墙内侧巨石悬空部分采用混凝土回填密实,以保证巨石不出现倾覆,为下一步开挖创造条件。

(2)隧道结构:根据侵入隧道开挖线内巨石形态、工程地质条件,隧道采用单压式结构,以对巨石形成支撑的作用。

图5 “鹰嘴”段处理设计

3.5 溶洞大厅段处理方案(图6)

(1)隧底溶洞处理:溶洞大厅段隧道溶洞充填物分为2层,浅层溶洞充填弃砟及块石土,下部为隐伏溶洞,充填黏土及块石土,为提高地基承载力及减小工后沉降,DK231+755～DK231+796段隧底以下2m以内浅层溶洞采用C20片石混凝土换填,8m以内浅层溶洞采用φ89mm钢管桩加固,桩间距1.0m×1.0m,注0.6∶1～1∶1水泥浆加固溶洞内填充物,注浆压力1.5～3.0MPa,通过混凝土换填层将钢管桩联为一个整体,以增强钢管桩的整体稳定性。隧底及立柱基础下隐伏溶洞采用注浆加固,立柱基础下采用斜孔注浆,注浆材料采用0.6∶1～1∶1水泥浆,注浆孔间距2.0m×2.0m,注浆压力1.5～3.0MPa。

图6 溶洞大厅段处理设计

(2)隧道结构:鉴于溶洞顶板最高处高于隧道拱顶10m,为防止运营期间拱顶落石对隧道结构产生破坏,首先在隧道拱顶设置框架结构支顶,减少溶洞顶板跨度,后在隧道拱顶施作轻质砖+高聚物缓冲层,高聚物具有质轻(重度为水重度的1/10～1/20)、闭孔、承载力大、缓冲效果好等工程特点,可以大幅度减少落石的冲击荷载,以保证隧道运营安全。

4 结论

龙麟宫隧道DK231+700～DK231+800溶洞处理完成后即开展监测工作,经过2年多的连续监测,溶洞顶板、隧道结构均处于正常工作状态,说明处理方案是安全、可靠的,经以上工程实践,有如下认识。

(1)对大跨度溶洞大厅顶板的加固,立柱支顶与锚喷网结合的方案技术是可行、有效的,可防止溶洞顶板大面积剥落、垮塌,为下部安全施工提供必要条件。

(2)根据溶洞与隧道的不同空间关系,设计中分别采用了复合地基+整体结构、单压式结构及框架结构等特殊隧道结构,可有效保证铁路施工、运营的安全。

(3)针对隧底溶洞充填物承载力偏低的问题,分别采用了换填、钢管桩注浆加固及深孔注浆加固的措施,提高了承载力,减小了工后沉降,达到了设计要求。

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U452.2+7

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1004 -2954(2010)08 -0119 -03

2010-05-17

铁道部科技研究开发计划课题(2003G036)

李鸣冲(1972—),男,高级工程师,1996年毕业于西南交通大学地下工程及隧道工程专业,工学学士,E-mail:tsylmc123@126.com。