宜万铁路五爪观隧道大型暗河发育特征及综合处理技术

王 伟

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

宜万铁路全线约 70%的隧道位于灰岩地区,大部分隧道位于岩溶水的垂直循环带和水平循环带内,地质条件异常复杂,特别是岩溶发育规模、多样性、突水突泥的风险程度及工程处理难度为国内外罕见,工程之艰巨、施工风险之高、环境压力之突出居我国铁路历史之最,属于世界级难题;全线隧道工程穿越主要暗河系统 20余条,隧道施工中多次遭遇暗河的主管道或支管道,若处理不当,暗河水将导入隧道,造成突水、突泥,给隧道工程造成巨大危害,并可能造成环境的破坏,五爪观隧道穿越的五爪观暗河是典型代表之一。

五爪观隧道位于湖北省长阳县高家堰五爪观风景区内,设计为两条单线隧道,Ⅰ线长3531m,Ⅱ线长3723m,为单面上坡,是宜万铁路重点控制工程之一,隧道进口段穿越长阳背斜东翼的一宽缓向斜,溶洞、暗河发育,在 DK49+298附近穿越五爪观大型暗河,隧道洞身完全位于暗河岩溶大厅堆积的块石、卵石等充填物中,工程条件极其复杂,加之位于五爪观风景区内,对水文环境要求甚高,是该隧道设计、施工的关键和难点。

2 五爪观暗河发育特征

2.1 暗河形态和规模

五爪观暗河横穿五爪观隧道Ⅰ、Ⅱ线(图1),暗河长度大于1000m,总体呈西北向展布,较顺直,基本属直线状倾斜厅 -廊组合型,进口高程约为 560.75m,暗河水流出口位于五爪观南侧陡壁上,以悬挂泉(当地称为“五爪水泉”)的形式溢出,出口高程为 489m,在西南方向有一暗河支管道,长约 187m为干洞,可入深度约 215m,洞口高程为 560.63m。暗河断面形态多变,不规则,洞内沉积有砂卵石、黏土等,洞顶坍塌多见,岩堆高耸,发育有石笋、钟乳石等岩溶景观。

图1 五爪观暗河平面示意

2.2 暗河发育特征

2.2.1 暗河工程地质特征

五爪观暗河系统发育在奥陶系下统南津关组地层内,构造上处在宽缓向斜的核部,沿 NW方向展布,该地带岩层产状平缓,NE翼为 170～210°∠6～8°,SW翼为 10～50°∠15～25°;其中纵张裂隙决定主洞的发育方向,横张裂隙决定支洞的发育方向,质纯层厚的生物细晶灰岩是暗河发育的物质基础,纵张裂隙、横张裂隙及层面裂隙等构造则是暗河发育的主导方向,加之地层平缓,地下水对岩石溶蚀充分,这些都是形成五爪观暗河的有利条件。

五爪观暗河主管道段,河面宽广,流速稍缓,河床见有砾卵石堆积,磨圆度好;支管道为干溶洞,在洞壁处堆积了数米厚的黏土、粉土,属地下河洪峰时堆积产物(图2)。

图2 暗河内堆积物

2.2.2 暗河水文地质特征

五爪观隧道区域内地下水以碳酸盐岩溶水为主,补给源为大气降水,赋存于奥陶纪地层的岩溶裂隙中,为宽缓向斜富水,隧道进口段岩溶水主要以暗河及泉的形式排泄,另有少量沿岩层面或纵张裂隙形成岩溶管道,运移至沟谷边缘,以下降泉形式在分香溪西侧排泄。

该暗河汇水面积大、径流远、水量大,旱季流量0.6m3/s(五爪水泉),雨季流量大于 10m3/s[1](图3)。

图3 旱季时暗河水流

2.3 隧道穿越暗河段工程水文地质条件

五爪观隧道穿越暗河段发育一岩溶大厅(图4、图5),沿隧道方向长约 80m,洞身几乎全部位于暗河岩溶大厅堆积层中,在Ⅰ、Ⅱ线通过处暗河堆积了约 45 m厚的洞顶落石,呈巨型块体,岩溶大厅净空高 15m左右,洞宽 50m左右,在堆积体斜坡上,堆积有 5～8m厚的砾卵石及砾砂等,结构呈稍密状,含泥量低,磨圆度好,可见该地下河流经距离之远长,加之暗河水流大,流速急,可对隧道直接造成极大的危害,若处理不当,在隧道施工过程中存在极有可能发生突水突泥的危险[2～3];

图4 五爪观隧道暗河段纵断面(单位:m)

图5 五爪观隧道暗河段典型横断面(单位:m)

按照降雨入渗法预测隧道正常涌水量为210372m3/d,最大涌水量达896153m3/d。

3 工程措施

3.1 处理原则

根据五爪观暗河发育特点,结合隧道穿越段暗河岩溶大厅段工程水文地质条件,暗河段按照以下原则进行处理:

(1)应充分考虑工程的不可逆转性和不可预见性,做到一次根治,不留后患;

(2)暗河下游为五爪观水电站,暗河处理应维持既有水系及流量;

(3)工程措施应力求稳妥,技术可行,确保施工安全及运营安全。

3.2 处理措施

根据隧道穿越暗河段工程水文地质条件,结合岩溶大厅形态、与隧道的平立面关系,为防止隧道开挖暗河段时发生突水突泥,应提前对暗河大厅进行预加固处理;总体处理思路为:增设横洞揭示溶洞—清除岩溶大厅内堆积物至暗河水流高程—引排暗河水—注浆加固堆积体—隧道暗挖通过。具体处理措施如下。

(1)增设横洞

为进一步勘察暗河段工程水文地质情况,提供详实的地质资料,并为提前处理暗河岩溶大厅段提供施工场地,确保隧道穿越暗河段施工安全、可靠,在隧道进口左侧 55m处设置横洞 1座,横洞长 277m,如图6所示。

图6 五爪观隧道暗河段处理平面示意

(2)岩溶大厅洞顶防护

横洞揭示五爪观暗河岩溶大厅后,为防止暗河岩溶大厅顶部掉块落石,影响下步施工,对大厅顶部及侧壁的危石进行清理,对周边岩溶裂隙进行灌浆、支顶等方式进行处理,并采用锚喷方式进行局部加固,即φ22mm砂浆锚杆长 3～6m,C20喷混凝土厚 6～10 cm,确保下步施工安全。

(3)清理暗河堆积物

为防止隧道穿越暗河段时发生大规模突水突泥地质灾害,在对暗河加固前,先清理暗河内堆积物至暗河水流高程附近(隧道开挖轮廓线外 0.5m左右),在堆积体清除过程中,边清边对岩溶大厅进行锚喷网防护。

(4)引排暗河水

堆积体清除至预计高程后,在岩溶大厅段施作C30钢筋混凝土底板、设置拦水坝、引水渠将暗河水抬高归渠引排;首先将暗河水流导向隧道小里程端,对溶洞周边岩溶裂隙采取 C20混凝土灌注嵌补,分段施作C30钢筋混凝土底板,并在底板上预留注浆孔;底板施作完成后,在此上修筑引水渠,将暗河水由岩溶大厅上游集中引排至下游,引水渠采取 C30钢筋混凝土浇筑,根据暗河水流量观测,水渠宽 5m,高 1.5m,厚 0.4 m。为了确保暗河水归槽引排效果,在暗河大厅上游狭窄处设置宽 25m,高 2m的 C15混凝土拦水坝,拦水坝嵌入两侧基岩 0.5m,为确保拦水坝截挡水效果,拦水坝基础采取钢管桩注浆形成阻水帷幕,钢管桩采取 φ76mm的钢管,设置 3排,注浆孔间距 1.5m×1.5 m,梅花形布置,深度为进入基岩 1.0m,注浆材料采取普通水泥—水玻璃双液浆,注浆方式采取前进式,分段长度 3～5m[4]。

(5)暗河内注浆加固

通过暗河内明流水量和五爪观水电站水量测试分析,暗河水通过明流和暗流两种途径排泄,其中暗流水量占 30%左右,表明暗河堆积体内存在潜流水,为防止突水突泥,确保隧道穿越暗河堆积体时的施工安全,在对暗河明流水进行归槽引排后,利用施作的钢筋混凝土底板对隧道通过范围区域进行注浆加固。

注浆范围:Ⅰ线隧道左侧 10m至Ⅱ线隧道右侧12m钢筋混凝土底板以下堆积体,注浆孔间距 2.0m×2.0m,梅花形布置,注浆孔深度 10～22m(进入基岩 1.0m),钻孔直径为 110mm。

注浆材料:对于暗河上、下游区域,为了控制注浆扩散范围,采取普通水泥-水玻璃双液浆,水泥浆水灰比为 1∶0.6～1∶0.8,水泥浆、水玻璃体积比为 1∶0.3～1∶0.4,胶凝时间 30s～1min;其他区域采取普通水泥单液浆,浆液水灰比为 0.6∶1～0.8∶1[5～6]。

注浆顺序及工艺:采取分区、分序由外到内的注浆顺序,每区注浆采取隔孔分序进行,第一序孔采取前进式注浆,按照定量原则进行控制,每延米注浆控制在 6 m3左右,第二序孔原则上采取袖阀管后退式注浆(若成孔困难时采取前进式注浆),按照定压原则进行控制,终压 1.0MPa。考虑到暗河堆积体孔隙率大,并处在动水作用下,为防止浆液被稀释后流失,钻孔注浆时采取大流量、多泵方式加大单孔注浆流量,确保注浆质量。

注浆结束后,对隧道开挖轮廓线外两侧各 1排注浆进行扫孔至基岩 1.0m,下入 φ108mm钢花管,并进行注浆,确保隧道开挖时边墙的稳定可靠。

(6)隧道开挖支护措施(图7)

暗河岩溶大厅处理完成后,隧道从小里程方向进行施工,为防止突水突泥,暗河段采取短台阶预留核心土法进行施工,隧道暗挖前拱墙采取 φ42mm超前小导管注浆预支护,初期支护中设置 I18钢架加强,间距0.5m/榀,并设置 I16临时仰拱,及时封闭成环[7～8]。

暗河段采取 20cm厚 C20网喷混凝土和 45cm厚C35钢筋混凝土衬砌结构,隧底采用 φ76mm钢管桩注浆加固,间距 1.0m×1.0m,梅花形布置,钢管桩嵌入基岩不小于 1.0m,注浆材料以普通水泥单液浆为主,按照定压原则进行控制,终压为 2～3MPa[9]。

图7 五爪观隧道暗河段处理典型横断面(单位:m)

4 暗河处理效果

2005年 1月完成暗河处理横通道的施工揭示暗河岩溶大厅,开始暗河堆积体清方,至 2005年 3月底基本清理至设计底板高程,5月完成暗河底板钢筋混凝土施作,同时施作导流水渠、拦水坝等导水设施,6月开始在暗河岩溶大厅进行试验性注浆,由于受雨季的影响,7～9月份停止注浆,到 2006年 1月完成了Ⅰ线隧道区范围内注浆加固,6月完成了Ⅱ线隧道范围内注浆加固,通过检查孔和物探等手段对注浆加固体进行了效果检查,满足开挖要求,2007年初Ⅰ线、Ⅱ线施工顺利通过暗河岩溶大厅段,历时 2年 4个月。

4.1 检查孔情况

暗河大厅注浆加固后,在隧道内小里程方向DK49+274位置水平钻设 2个检查孔,孔深约 18m,经过 2天观察,检查孔未出现坍孔现场,出水量分别为0.011L/m◦min和0.015L/m◦min,小于设计允许出水量0.21L/m◦min。

4.2 物探情况

采取地质雷达在暗河岩溶大厅钢筋混凝土底板和隧道小里程掌子面对注浆加固体进行物探检查,地质雷达测试结果表明,暗河堆积体注浆加固后较为密实,无明显的注浆盲区。

4.3 开挖揭示情况

在隧道开挖过程中,对掌子面进行观察,浆液充填饱满,加固效果良好;开挖过程中无大的渗漏水现象,围岩水平收敛变形 5～8mm,拱顶无下沉[10]。

5 结论与体会

(1)隧道穿越暗河管道时,必须进行翔实的地质勘察,查清暗河系统的规模、与隧道的空间关系、补给大小、周边环境等发育特征,为隧道穿越暗河处理提供准确、可靠的工程地质资料。

(2)对暗河处理必须遵循“一次根治、不留后患”的原则,采取疏导、引排的方式进行处理,严禁堵塞,五爪观隧道穿越暗河段通过横洞对暗河进行归槽引排,维持暗河既有水路的总体处理思路是十分独到的,对类似工程具有重要的借鉴意义。

(3)五爪观隧道穿越暗河段采取“增设横洞→清除暗河堆积体→引排暗河水(铺底、修筑引水渠、设置拦水坝)→注浆加固→隧道开挖支护”环环相扣的工程处理措施是十分成功的,有效控制了隧道穿越暗河时可能发生的突水突泥风险,确保了隧道施工及长期运营安全。

(4)对暗河动水条件下堆积体的注浆加固应采取分区、分序由外到内的注浆顺序,定量、定压相结合的注浆原则,充分利用枯水期进行注浆施工;注浆堵水效果检查可采用物探和钻孔相结合的方式,物探先行定性分析整体注浆加固效果,钻孔直接定量分析堵水加固效果,针对可能的注浆盲区隧道开挖前应针对性的进行超前补注将或开挖后径向注浆加固,确保施工安全。

[1] 铁道第四勘察设计院.宜万铁路宜昌至万州段新建工程施工图 -五爪观隧道设计图[Z].武汉:2004.

[2] 工程地质手册编写委员会.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 中铁二院工程集团有限公司.铁路隧道风险评估与管理暂行规定[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[4] 艾华安.五爪观隧道穿越暗河设计处理措施[J].铁道工程学报,2006(4).

[5] 南 琛,张民庆.五爪观隧道暗河段施工技术[J].岩土工程学报,2007(6):948-953.

[6] 张民庆,彭 峰.地下工程注浆技术[M].北京:地质出版社,2008.

[7] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2004.

[8] TB10003— 2005,铁路隧道设计规范[S].

[9] 金强国,张民庆.圆梁山隧道淤泥质黏土充填溶洞底板钢管桩注浆加固技术[J].隧道建设,2003(6):35-37.

[10] TB10108—2002,铁路隧道喷锚构筑法技术规范[S].