宜万铁路龙麟宫隧道1号大型溶洞处理技术研究

马 涛

(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1号大型溶洞处理技术研究

马 涛

(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1号大型溶洞底轴长171m,宽65m,高约100m,容量超过5.0×105m3,溶洞规模宏大,整体呈葫芦形,隧道整个洞身均位于溶洞内。经过多方案比选,设计采用的“路基+明洞”方案充分利用了边坡刷方所落下的岩块,避免了大量砟量倒运,施工工艺简单,结构安全可靠。为避免高填路基产生过多工后沉降,设计采用了强夯+注浆加固的综合地基处理方案,并在隧道结构设计中预留了部分工后沉降空间,保证了结构及运营安全。

宜万铁路;隧道工程;溶洞;明洞;强夯

1 概述

宜万铁路龙麟宫隧道位于恩施市白果镇,为双线隧道,全长3421m,最大埋深328m,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)。

隧道出口工区于2005年6月19日施工至DK232+467时揭示1号大型溶洞,溶洞长轴与线路平行,底部轴长171m,横向宽度65m,溶洞最底部距路肩高度76m,距地表高度为110m,溶洞容量超过5.0× 105m3。由于埋深较浅,纵、横向跨度较大,溶洞揭示后,地应力进行重分布,溶洞顶板不断出现规模不等的坍塌,直至坍塌至地表,形成“天窗”[1～2]。

图1 龙麟宫隧道纵断面

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],而较少涉及隧道穿越大型空溶洞处理方案研究[3～9]。本文结合龙麟宫隧道1号大型溶洞处理进行溶洞防护、隧道结构、隧底处理方案选择的研究。

2 溶洞工程水文地质条件

溶洞地层为寒武系浅灰色中厚～厚层状灰岩、白云质灰岩,局部夹薄层状泥质白云岩。溶洞位于白果坝背斜东南翼靠核部附近,岩层产状196°～236°∠18°～22°,略有揉皱现象,该段构造节理和溶蚀裂隙发育。受节理切割影响,溶洞顶部、侧壁岩体破碎,洞顶及侧壁掉块现象严重,特别是雨季掉块频繁,所掉块体最大尺寸为3m×4m×5m。溶洞底部堆积物块径0.5～5.0m,局部有少量黏土充填,堆积最大厚度30～40m(图2)。

图2 龙麟宫隧道1号溶洞仰视

溶洞底部高程为612～590m,位于地下水位之上,表明该溶洞为古暗河通道,随着地壳的抬升、溶蚀作用的下切,现在该溶洞处于垂直渗流带内。其主要承接大气降水入渗所形成的过路水,最后汇入白果坝暗河系统排泄。溶洞远程补给降雨入渗大部汇聚于现代暗河的充水管道排入主暗河,只少量汇入溶洞;近程补给汇入溶洞水流主要在溶洞底面附近通过。50mm暴雨汇入量估算为1851～3300m3/d,强降雨时估算为10000m3/d[2](图3)。

3 溶洞处理方案比选

图3 龙麟宫隧道1号溶洞纵断面

溶洞揭示后,根据溶洞规模、工程水文地质条件,进行了路基+明洞方案、改线方案及桥梁方案3种方案研究。

(1)路基+明洞方案:由于该溶洞属于相对封闭体系,具备高填方之后控制沉降的自然条件,对隧底以下溶洞采用硬质岩砟回填形成路基;为防止溶洞壁垮塌对铁路运营造成危害,在路基上设置明洞结构。

(2)改线方案:将铁路线路进行调整,向现线路两侧偏移,以绕避该溶洞。

(3)桥梁方案:鉴于溶洞段隧底下部大部分空洞,采用桥梁跨越,为保证运营安全,将桥梁上部的岩体全部清除后采用锚喷网防护。

3种处理方案优缺点比较如表1所示。

表1 3种处理方案优缺点比较

根据各种处理方案优缺点比较,选择路基+明洞方案。

(3)可是现在,萧哥哥,母亲底怀内还让我去哭么?母亲底怀内还让我去哭么?我也怕走近她,天呀,叫我向何处去哭呢?连眼泪都没处流的人,这是人间最苦痛的人罢?

4 溶洞处理方案

4.1 辅助坑道

(1)为解决龙麟宫隧道出口掌子面受阻的问题,在线路前进方向左侧设置1号横洞,横洞长190m,进入正洞继续施工。

(2)为便于地质勘察及施工机械进入溶洞作业,在DK232+440隧道左侧设置2号横洞,横洞长91m,横洞口高程位于溶洞底堆积体顶部。

4.2 溶洞防护

(1)由于溶洞整体呈葫芦形,隧道从中部穿过,线路上部危岩倒垂,并不断出现剥离及垮塌,在溶洞内作业十分危险。为保证施工安全,溶洞壁刷方工作面选择在地表“天窗”附近,对DK232+402～DK232+514段左右侧边坡及隧道出口仰坡按照自上而下分层、分级刷坡,逐渐将“天窗”扩大至设计边界线,后采用自钻式锚杆及网喷混凝土防护,自钻式锚杆水平向、垂直向间距均为3m,长10m,与水平面下倾角15°。

(2)DK232+402仰坡及DK232+402～DK232+ 514边坡右侧周边清理后设置0.5m×0.5m(宽×高)的浆砌片石矩形截水沟,截排山坡汇水。

4.3 路基填筑

(2)强夯后,在 DK232+410～DK232+470段657.0m高程处设0.5m厚的C15混凝土止浆板,并对DK232+375～DK232+490段底部堆积物采用注浆加固。鉴于堆砟深度最深达76m,注浆分2次进行:第一次注浆钻孔深度至溶腔底部基岩面;第二次钻孔深度均为25m。对于隧底下的空腔及堆积物中较大空隙地段采用机制砂灌注,然后对较小的空隙、裂隙用水泥砂浆灌注,对隧道基底以下25m范围内最后采用0.8∶1～1∶1水泥浆注浆加固。

(3)注浆完成后,在止浆板上部回填5m硬质岩砟,并采用单击夯击能2000kN·m的夯锤夯击7遍,夯击点位置采用等边三角形布置,第一遍夯击点间距取夯锤直径的2.5倍,第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。路基面以下至回填面共2m高范围内采用掺5%水泥的碎石分层填筑、碾压、压实,采用与基床底层一致的压实系数。

4.4 隧改路鉴于DK232+420～DK232+514段溶洞壁刷方后坡率较缓,且距铁路线路距离超过20m,取消该段原设计隧道结构,采用路基形式通过。

4.5 隧道结构(图4、图5)

图4 龙麟宫隧道1号溶洞处理纵断面

图5 龙麟宫隧道1号溶洞处理典型横断面

(1)DK232+370～DK232+402段为暗洞加强段,考虑路基填筑引起的工后沉降,隧道内轮廓能满足20cm的均匀沉降,隧道采用加强型复合式衬砌,25cm厚C25网喷混凝土初期支护及70cm厚C35钢筋混凝土二次衬砌[10]。

(2)DK232+402～DK232+420段为明洞段,考虑路基填筑引起的工后沉降,隧道内轮廓能满足20cm的均匀沉降,隧道采用100cm厚C35钢筋混凝土加强型衬砌。

5 结论

龙麟宫隧道1号大型溶洞处理完成后即开展隧底沉降监测工作,根据监测结果,隧底沉降量满足相关规范要求,隧道结构处于正常工作状态,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)龙麟宫隧道1号大型溶洞为葫芦形溶洞,设计采用的路基+明洞方案可充分利用边坡刷方所落下的岩块,避免大量石砟倒运,施工工艺简单,结构安全可靠。

(2)为避免高填路基的过多的工后沉降,设计采用了强夯+注浆加固的综合地基处理方案,并在隧道结构设计中预留了部分工后沉降空间,保证了结构及运营安全。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路龙麟宫隧道DK232+467溶洞处理设计[Z].武汉:2009.

[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路龙麟宫隧道DK232+467溶洞工程地质勘察报告[R].武汉:2009.

[3] 傅鹤林.隧道衬砌荷载计算理论及岩溶处治技术[M].长沙:中南大学出版社,2005.

[4] MaKoocKNR.岩溶地层中地下建筑物的施工[J].隧道译丛, 1994(1).

[5] 宋战平.隐伏溶洞对隧道围岩 支护结构稳定性的影响研究[D].西安:西安理工大学,2006.

[6] 王 勇,乔春生,孙彩虹,等.基于SVM的溶洞顶板安全厚度智能预测模型[J].岩土力学,2006,27(6):1000 -1004.

[7] 宋长甫.龙麟宫隧道大型溶洞支顶加固技术[J].铁道标准设计, 2007(9).

[8] 赵明阶,敖建华,刘绪华.岩溶尺寸对隧道稳定性影响的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(2):213 -217.

[9] 吴梦军,许锡宾,赵明阶.岩溶地区公路隧道施工力学响应研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(9):1525 -1529.

[10] 王梦恕.对岩溶区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察,2004(1):7 -9.

[11] TB10003—2005,J449—2005,铁路隧道设计规范[S].

U452.2+7

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1004 -2954(2010)08 -0125 -03

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铁道部科技研究开发计划课题(2003G036)

马 涛(1980—),男,工程师,2005年毕业于长沙理工大学岩土工程专业,工学硕士,主要从事隧道工程设计及灾害防治研究工作,E-mail:tsymatao@163.com。