宜万铁路云雾山隧道“+260”高压富水充填溶洞综合治理技术

赵玉龙

(中铁第四勘察设计院集团有限公司城建院,武汉 430063)

1 隧道概况[1]

云雾山隧道是在建宜万铁路 5座Ⅰ级风险隧道之一,位于恩施市白果镇和小溪沟之间,全长6640m,全隧道为单面上坡,洞身最大埋深 800m,进口段为三线车站隧道,后过渡为 2条单线隧道。隧道穿越地层均为可溶岩,岩溶强烈发育,隧道穿越白果坝背斜和白果坝断裂,区内发育白果坝暗河,大鱼泉、小鱼泉、恶水溪和洞湾管道流系统,地表遍布岩溶洼地、漏斗及落水洞,工程、水文地质条件极为复杂,施工中易发生大规模突水、突泥等工程灾害,施工风险极大。

2 “+260”溶洞地质条件[2]

2.1 超前地质预测预报

云雾山隧道施工地质分级为 A+级。设计采用长距离地震波法、地质雷达、超前钻探及超长炮孔等多种超前预测预报手段。现场施工中地震波法、地质雷达超前探测均反应 DK245+260附近存在物探异常,超前平钻探钻至 DK245+260附近时曾发生多次间歇性突水、突泥现象。超前钻孔过程中累计出水量约30000m3,累计突泥量约1600m3,实测溶洞内最大水压为 0.56MPa。

2.2 溶洞规模

溶洞在Ⅰ线(右线)隧道发育里程为 DK245+257～DK245+273,长 16m,溶洞主体部位位于Ⅰ线中线与Ⅱ线(左线)右边墙之间,向Ⅱ线发育的规模渐小,至Ⅱ线右边墙为 0.2～0.6m宽的岩溶裂隙,溶洞平面见图1,超前探测显示溶洞在隧道拱顶以上发育高度大于 11m,隧底钻探显示隧底以下溶洞发育深度 21m。

图1 溶洞平面

2.3 工程地质条件

溶洞段隧道埋深约 770m,地表遍布岩溶洼地、漏斗及落水洞,该段位于白果坝背斜核部区域,并处于物探(GDP-32)异常区内,地层为寒武系下统天河板组灰岩、细晶质灰质白云岩互层,中厚 ～厚层状,节理裂隙较发育,溶洞发育主要受张节理控制,溶洞段区域地质纵断面见图2。溶洞内充填物为黏砂土,含水丰富,拱顶以上主要为硬塑状,下部靠溶洞两侧岩壁充填物为硬塑状,中间为流塑状,隧底溶洞充填物主要为软塑状黏土(旱季),雨季时溶洞充填物遇水会发生软化现象,溶洞段围岩级为Ⅵ级。

图2 区域地质纵断面

2.4 水文地质条件

岩溶发育主要受张节理及层面控制。大气降水是溶腔岩溶水的补给源,降雨后雨水顺岩溶洼地、漏斗及落水洞汇入地下,沿层面及张节理发育的各种岩溶形态径流,向洞湾暗河方向排泄。预测溶洞最大涌水量40500m3/d,最不利水头高度 100m。

3 “+260”溶洞综合治理[3]

为确保隧道施工及运营安全,综合考虑“+260”溶洞发育规模、工程及水文地质条件,按照“堵排结合、限量排放、注浆加固、综合治理”的原则进行处理,设计中有针对性的采取了排水减压、超前帷幕注浆预加固、超前管棚预支护、加强型复合式衬砌、隧底桩基础等综合整治措施。

3.1 排水减压

为避免施工期间溶洞内蓄积高水头,需要在施工全过程对溶洞实施排水减压,以保证溶洞超前注浆加固效果及隧道开挖安全。在Ⅱ线ⅡDK245+246右侧岩溶裂隙处预埋 3根 φ200mm钢管作为引排水管。同时,考虑到Ⅰ线超前注浆加固时,Ⅱ线岩溶裂隙处预埋的引排水管可能会发生堵塞,在Ⅱ线ⅡDK245+250～ⅡDK245+260段右侧拱墙部位增设不少于 6个φ150mm的有效排水孔,对溶洞实施排水减压,排水孔终孔位于Ⅰ线溶腔注浆加固圈以外的溶腔内。溶洞处理施工期间随时保持排水孔排水通畅。

3.2 超前注浆预加固

为确保施工安全,防止隧道溶洞内充填物涌入隧道从而引发突水突泥等突发性地质灾害,对“+260”溶洞采用超前注浆预加固以提高溶洞内充填物自稳能力,改善其物理力学指标。

3.2.1 注浆范围

针对该溶洞充填、水压、发育规模等情况,同时类比相似工程处理经验,对溶洞段(DK245+253～DK245+275)隧道开挖轮廓线外不小于 5m范围以内充填物进行超前注浆加固。共设计超前注浆钻孔 95孔,孔长 10～23m,注浆孔开孔直径不小于108mm,终孔直径不小于 90mm;孔口管采用 φ108mm,壁厚 5 mm的热轧无缝钢管,管长 3m,孔口管应埋设牢固,并有良好的止浆措施。超前注浆设计见图3～图6。

3.2.2 注浆参数和注浆材料

根据溶洞形态、规模和充填物性质,注浆设计参数见表1。

表1 注浆参数

图3 超前注浆纵断面(单位:cm)

图4 超前注浆平面(单位:cm)

图5 超前注浆开孔布置(单位:cm)

图6 ⅡDK245+263断面交圈

注浆材料以水泥单液浆为主,水泥-水玻璃双液浆、超细水泥浆液作为补充,其中水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆中水泥基材料采用普通硅酸盐水泥(强度等级不低于 42.5R),注浆材料配比见表2。注浆前首先进行注浆试验,掌握浆液填充率、单孔注浆量、注浆压力等信息,进一步分析优化注浆材料、浆液配合比、浆液扩散半径、注浆终压等参数。

表2 浆液配比

3.2.3 注浆效果检查

对注浆过程采取 P-Q-t曲线分析法、反算浆液充填率法和抽样取芯检查等方法进行注浆效果检查与评定。注浆检查孔不少于帷幕注浆孔的 10%,检查范围包括整个注浆加固体(衬砌外 5m,纵向 22m);浆液填充率必须达到 80%以上;检查孔进行注浆,压力应很快上升,且进浆量很少;检查孔应无流泥、成孔好、无塌孔,涌水量小于 0.2L/m◦min。

3.3 超前管棚注浆预支护

DK245+253～DK245+275超前注浆施工完成并达到效果后,对该段采用超前长管棚注浆预支护,结合溶洞发育情况,管棚设置范围为隧道左侧拱、墙部位,环向间距 0.2m,管棚长 22m,采用 φ108mm热轧无缝钢花管(壁厚 9mm),每根钢管内设 3根 φ16mm通长钢筋形成钢筋笼以增强管棚刚度,管棚注浆结束后,采用 M10水泥砂浆封孔。

3.4 隧道结构

3.4.1 结构计算[3～4]

选取 DK204+260断面为计算断面,采用 SAP84 V6.5计算软件,二次衬砌拱、墙采用弹性梁单元模拟,围岩对墙背的抗力采用压弹簧单元模拟,按荷载 -结构模式采用直接刚度法进行计算。

隧道左侧按照深埋Ⅵ级围岩选取荷载,右侧按深埋Ⅲ级围岩选取荷载,隧道结构周围水压力按最不利水头高度 100m加载,荷载示意见图7。隧道左侧弹性反力系数取 K=100MPa/m;右侧取 800MPa/m;隧底承台取 200MPa/m,单元长度按 1m划分,共划分为33个计算单元。

图7 荷载示意

经程序计算所得二次衬砌弯矩图见图8、二次衬砌轴力图见图9。

图8 弯矩图(单位:kN◦m)

根据二次衬砌内力计算结果,选取隧道拱部、边墙、隧底三处中受力最大的截面进行配筋检算,配筋检算结果见表3。

表3 配筋检算

按以上配筋参数对二次衬砌进行结构安全性检算,得出的安全系数均大于 2.0,满足规范要求。

3.4.2 衬砌断面

经过以上理论计算,并借鉴类似工程的相关经验,溶洞段最终确定为 25cm厚初期支护,初期支护内置全环 I20型钢钢架,钢架间距 0.5m;75cm厚 C35防水钢筋混凝土二次衬砌的加强型复合式衬砌结构。溶洞段衬砌断面见图10。隧道拱墙二次衬砌环向主钢筋采用 φ25mm@125mm,隧道底板二次衬砌环向主钢筋采用 2φ22mm@125mm。

图10 溶洞段衬砌断面(单位:cm)

3.5 隧底处理

“+260”溶洞段 DK245+256.5～DK245+268.5段隧底溶洞充填物主要为软塑状黏土,最深处发育至隧底以下约 21m。该段隧底采用桩基础结构,共设置12根(4排,每排 3根)φ1.25m的 C25钢筋混凝土钻孔灌注桩,桩间距横向 2.63m,纵向 3.2m,桩长 9.5～26.5m,襟边距离 1.2m。

3.6 隧道防排水系统

溶洞段采用“堵排结合、限量排放”的防排水设计原则。二次衬砌拱墙背后设置 EVA防水板(加土工布),环向采用 φ50mm透水管盲沟,每 5m设 1环;洞内侧沟泄水孔高程处设 φ100mm透水管盲沟,防排水断面示意见图11。溶洞段施工缝处设置 2道防水,在防水板与二次衬砌之间设置外贴式橡胶止水带,内侧设置复合式钢板止水带,施工缝防水构造见图12。

图11 防排水断面示意

图12 施工缝防水构造(单位:mm)

为防止岩溶水纵向串流,为减少隧道周边地下水由高水压区段向低水压区段的纵向窜流,确保结构及运营安全,在溶洞段两端隧道结构变化处设置阻水榫。阻水榫尺寸 1.0m×1.0m,阻水榫采用 C35防水混凝土。阻水榫设置处取消环、纵向透水盲管及防水板。

3.7 施工方法

溶洞段采用短台阶法施工,每循环进尺控制在 1m以内,施工中采用微振动控制爆破技术,尽可能减少开挖对注浆加固体及周边围岩的扰动。每工序开挖完成后及时施做初期支护,并尽快封闭,在隧道大跨处、轨道面高程处设置临时仰拱。同时加强初期支护及围岩的监控量测工作,及时根据监测情况调整支护结构措施。

4 结语

(1)云雾山隧道“+260”高压富水充填溶洞已于2009年 5月全部处理完成,截至目前已经过多次强降雨的考验。实践证明设计遵循的“堵排结合、限量排放、注浆加固、综合治理”的处理原则是正确的;排水减压、超前注浆预加固、超强管棚预支护、加强型复合式衬砌结构、桩基础等多种处理措施的综合运用是安全的、可靠的、合理的。

(2)水害是高压富水溶洞施工风险的源头,该类溶洞治理的根本是治水。排水减压的有效实施使得施工全过程溶洞处于低水压状态,减小了溶洞充填物注浆难度,有利于提高注浆效果;在排水减压的前提下有针对性地对岩溶发育处进行超前注浆预加固,大幅提高了溶洞充填物的自稳能力,有效地规避了溶洞突水、突泥等岩溶地质灾害的发生,保证了施工安全。

(3)考虑到该溶洞隧底充填物为软 ～流塑状黏土且发育较深,隧底处理时采用的桩基础结构可以避免工后沉降等运营期病害,确保隧道长期运营安全。

(4)充分利用枯水季节洞外降雨量小,溶洞补给量有限的有利条件进行溶洞段开挖施工,对顺利通过该溶洞起着重要的作用。

(5)高压富水充填溶洞的处理存在很大的施工风险,稍有不慎就会造成不可估量的生命、财产损失,攻克隧道穿越高压富水充填溶洞这一难题必须建立在准确的地质判释、合理可行的设计措施、周密的施工部署之上,方可确保全过程万无一失。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图-云雾山隧道设计图[Z].武汉:2004.

[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建铁路宜万线宜昌东至万州段云雾山隧道 DK245+247～DK245+285段溶洞处理Ⅰ类变更设计[Z].武汉:2009.

[3] 北京大学.SAP84微机结构分析通用程序用户手册(版本 6.5)[M].北京:2005.

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