宜万铁路龙麟宫隧道2号溶腔处理施工技术

薛俊峰,王永锋

(中铁二十局集团第一工程有限公司,江苏苏州 215000)

宜万铁路龙麟宫隧道2号溶腔处理施工技术

薛俊峰,王永锋

(中铁二十局集团第一工程有限公司,江苏苏州 215000)

宜万铁路龙麟宫隧道2号溶腔大跨岩溶顶板处理难度大,施工风险高,创新地采用了立柱支顶与锚喷网结合防护进行顶板加固,采取复合地基+整体结构、单压式结构及框架结构等特殊隧道结构通过溶腔,换填、钢管桩注浆加固及深孔注浆加固的措施,提高了基底承载力,减小了工后沉降,可为类似工程提供经验。

宜万铁路;岩溶隧道;大型溶腔;立柱支顶;特殊结构;施工

1 工程概况

宜万铁路龙麟宫隧道位于恩施市白果坝,起讫里程为DK229+094～DK232+514,隧道全长3420m,设计纵坡为15.9‰单面上坡的双线铁路隧道,复合式衬砌,隧道最大埋深328m。

隧道穿越地层为寒武系上统灰岩、白云质灰岩,工程区域内最低排水通道为龙麟宫出水洞,该出水洞下穿隧道,流水面低于隧道约140m,隧道位于垂直渗流带内,主要地质灾害为岩溶。

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。

2 龙麟宫隧道2号溶腔概况(图1)

龙麟宫隧道2号溶腔位于DK231+700～DK231+ 796段,属特大型溶腔。溶腔纵向发展约100m,横向发展约150m,溶腔顶板在轨面以上10～20m,溶腔底在轨面以下12～20m。

2号溶腔地层为灰岩、白云质灰岩局部夹薄层泥质白云岩,中厚-厚层状,节理发育。开挖揭露的灰岩厚层为50～80cm,,泥质白云质灰岩软弱层厚度为10～20cm,由于溶腔顶部岩层倾角较小,发育软弱夹层,受节理裂隙发育及施工振动等原因影响,溶腔顶部不稳定,有大块岩石沿软弱层而剥落,掉块严重。DK231+700～DK231+735溶腔底部有6～15m坍塌堆积物,溶腔底部为灰岩,DK231+735～DK231+755段隧道半边需开挖通过,需开挖部分有斜向巨大裂隙,且围岩极不稳定,DK231+755～DK231+800段隧底以下3～8m为溶腔充填物,充填黏土夹碎石、块石土,黏土呈软塑状,其下还有隐伏的填充性溶腔。

图1 龙麟宫隧道DK231+700～DK231+800段溶洞平面(单位:cm)

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 2号溶腔处理的特点、难点

(1)溶腔顶部岩层倾角较小,几乎呈水平,发育软弱夹层且节理发育,极不稳定,易坍塌,对溶腔勘测安全、施工安全及运营安全带来极大威胁。如何创造一个安全的勘测及施工环境是该溶腔处理的一大难点。

(2)溶腔形态复杂,顶部围岩不稳定,基底承载力分段变化大,DK231+735～DK231+755段隧道结构要承受偏压,所以结构设计困难,安全隐患较大。

(3)隧道基底底层复杂,有软塑状充填物,有隐伏充填性溶腔,有坍塌堆积物,承载力的不同,沉降的差异对保证隧道结构的安全提出了较高的要求。

(4)2号溶腔规模大、形态复杂,地质复杂,处理措施复杂,所以施工困难,安全风险高,施工时间长。

4 溶腔处理技术

4.1 迂回导坑绕行

因溶腔处理时间长,为解决DK231+796掌子面施工受阻,采用迂回导坑绕行,迂回导坑设于隧道右侧,长206m。

4.2 溶腔防护

(1)采用人工配合机械清除溶腔顶部可能坍塌的危岩。

(2)隧道两侧8m范围以内搭设满堂支架顶至溶腔顶板,进行临时支护。

(3)立柱支顶,根据“永临结合”的原则,在溶腔内采用φ1.4m的钢筋混凝土立柱支顶溶腔顶。隧道每侧设置2排,内侧2排距离隧道中线9m,两侧排距5m,纵向间距5～6m,另外根据溶腔顶板稳定情况适当设置。立柱采用独立基础,基础尺寸3m×3m×2m (长×宽×高),采用C20混凝土浇筑。立柱与溶腔顶板之间确保顶紧。洞内立柱施工见图2、图3。

图2 洞内立柱施工

4.3 隧底处理

(1)DK231+700～DK231+735段采用硬质岩渣填筑,再用挖孔桩+钢筋混凝土板梁的形式通过,减少结构沉降。

(2)DK232+735～DK232+755段右侧挡墙底采用C15片石混凝土换填,隧道底板采用钢筋混凝土底板。

图3 施工完毕后的立柱

(3)DK231+755～DK231+796段隧底充填物挖除用C15片石混凝土换填,其下隐伏填充性溶腔采用注浆加固,并用钢管桩提高承载力。隧道底板采用钢筋混凝土板梁,增加隧道承载力,减少结构沉降,以保证隧道整体稳定。

4.4 隧道结构

(1)DK231+700～DK231+735段在隧道底钢筋混凝土板梁上设加强的钢筋混凝土明洞,明洞的两侧设护墙支撑到溶腔顶,明洞上空腔用混凝土回填至溶腔顶。处理方案见图4。

图4 DK231+700～DK231+735段隧道结构(单位:cm)

(2)DK231+735～DK231+755段右侧设重力式挡土墙,支撑到溶腔顶减少洞身偏压,洞身采用加强型偏压式钢筋混凝土洞身,洞顶空腔用混凝土回填至溶腔顶(图5)。

图5 DK231+735～DK231+755段隧道结构

(3)DK231+755～DK231+796段在钢筋混凝土底板上采用加强型明洞,紧挨洞身两侧设钢筋混凝土承重墙支撑到溶腔顶。洞顶上2m范围内采用轻质砖回填,其上施作50cm厚高分子聚合物保护层,起防水和缓冲作用。回填物采用轻质砖及轻质的高分子聚合物可以减少隧道结构质量,从而减少对基底的压力(图6)。

图6 DK231+755～DK231+796段隧道结构(单位:cm)

(4)隧底排水,由于该溶腔为古暗河通道,雨季承接部分过路水,所以在隧底设φ1m的圆管涵作为排水通道。

(5)在 DK231+700、DK231+735、DK231+755、DK231+796处分别设沉降缝1道,避免不均匀沉降引起结构物破坏。

5 施工方案

5.1 施工顺序

清除危石→搭设满堂脚手架→溶腔顶加固→隧底处理→防偏压挡墙施工→DK231+700～DK231+ 735结构施工→DK231+755～DK231+796结构施工→DK231+735～DK231+755段开挖→DK231+735～DK231+755结构施工。

5.2 主要施工方法及注意事项

5.2.1 满堂支架搭设及溶腔加固

满堂支架采用碗扣式支架,顶端调整高度用上托支撑到顶。横杆采用90cm的横杆,步距1.2m。搭设时从掌子面开始向溶腔纵深处前进,分段搭设,每次全宽范围内一次完成,纵向每次搭设长度为3.6m,在支架上部设工作平台,施工人员在平台上完成溶腔加固(锚杆及喷护)。完成一循环后拆除支架前移3.6m施工下一循环,直至全部完成。

施工时需注意支架必须顶紧溶腔顶,同时专职安全人员必须跟班作业,随时观察溶腔稳定情况,发现问题及时通知作业人员迅速撤离,以保证作业人员安全。

5.2.2 立柱支顶

在溶腔顶加固完成后,进行立柱施工,先施工基础再施工立柱。基础必须位于基岩上,以保证承载力,减少沉降。立柱钢筋笼在钢筋场加工好后运至洞内就位,模板采用两个半圆的可组合式钢模板,在作业面拼装组合,加固和定位。因受洞内空间的影响,钢筋及模板的就位可采用挖掘机吊装。

立柱第一次施工高度距离溶腔约50cm处,剩余部分首先用型钢加钢楔顶紧溶腔顶,然后采用喷射混凝土填满空隙,以保证立柱支撑紧密。

5.2.3 挡墙施工

DK231+735～DK231+755段右侧重力式挡墙,起支撑及防止隧道偏压的作用,其基底采用C15片石混凝土换填,换填时把虚渣及填充物挖除露出基岩,然后把基岩凿成台阶状,分段必须平整,再换填。墙身采用组合钢模,分段施工高度1.5m,顶部施工至距离溶腔30～50cm左右,然后采用合适的片石支顶紧密,再用喷射混凝土回填密实。

5.2.4 基底处理

(1)DK231+700～DK231+735段

施工时先采用小粒径的硬质岩砟分层碾压密实,然后开挖孔桩。挖孔桩施工时要防止塌孔,采用钢筋混凝土护壁,同时采用跳孔开挖,开挖完成一孔及时灌注,防止因施工振动引起塌孔,造成安全事故。

挖孔桩基底打5m钎探孔探明地质,如有不良地质需采取措施妥善处理,以保证桩基承载力。桩基的开挖采用人工开挖,个别块石及嵌岩部分用小药量的爆破辅助人工开挖,尽量减少爆破振动对相邻桩基及溶腔的稳定造成不良影响。

(2)DK231+755～DK231+796段

挖除表层充填物后,首先对隐伏充填性溶腔注浆加固。注浆时先施工周边孔,逐次向中间施工,以减少浆液损失,浆液采用0.6∶1～1∶1的水泥浆,注浆孔间距为2×2m,注浆压力1.5～3MPa。单孔注浆结束条件为:①注浆压力逐步升高至设计终压,并继续注浆10min以上,注浆结束时进浆量小于5L/min。②全段结束标准为:所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏注现象,浆液有效注入范围大于设计值,注浆后地基承载力不小于400kPa。

注浆结束效果评估合格后,用片石混凝土换填至设计高程。

5.2.5 DK231+755～DK231+796段

右侧挡墙以及前后支顶结构施工完成后再开挖本段。先施作长管棚,然后开挖。开挖每循环进尺1m,多打眼,少装药。两端围岩稳定性较差的部分,每循环可分为2～3次开挖,尽量减少振动的影响。开挖一循环初支及时紧跟掌子面,以保证围岩稳定。

5.2.6 洞身结构施工

洞身结构主要为明洞结构。施工时内模采用衬砌台车,外模采用组合钢模板。

施工分为两部分完成:第一部分洞身及相连部分耳墙同时施工,一次浇筑完成。第二部分洞身以上耳墙分段施工直至距溶腔顶30～50cm,剩余空隙先用粒径合适的片石支顶紧密,再用喷射混凝土回填密实。

6 结语

龙麟宫隧道2号溶腔为典型的大型干溶腔,处理完成后,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, 2号溶腔的成功处理为此类溶腔的处理积累了宝贵经验。经以上工程实践,有如下认识。

(1)以超前水平钻孔为主的地质预报手段,操作简便,效果可靠,可有效避免施工中地质灾害带来的安全问题。

(2)在遭遇大型(特大型)溶腔时,结合工期目标,必要时采取迂回导坑绕行避开工作面,确保工期目标的实现。

(3)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有利条件,可结合揭示溶腔的具体情况进行推广。

(4)根据溶洞与隧道的不同空间关系,分别采用复合地基+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。

(5)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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[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.龙麟宫隧道DK231+700～DK231+800段溶腔处理类变更设计施工图[Z].武汉:2008.

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[4] 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).

U455

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2010 05 26

薛俊峰(1968—),男,高级工程师。