渝怀铁路增建二线新圆梁山隧道穿越2号溶洞工法研究

姜波，于茂春

（中铁二院重庆公司，重庆400015）

渝怀铁路增建二线新圆梁山隧道穿越2号溶洞工法研究

姜波1，于茂春2

（中铁二院重庆公司，重庆400015）

既有圆梁山隧道2号充填溶洞施工发生多次涌水涌泥，对工程建设造成极大影响；新圆梁山隧道位于既有隧道右侧30m，为既有平导扩挖。为了降低施工风险，施工时需对围岩进行预支护，通过几种工法对比分析，最终确定采用水平旋喷法对掌子面进行加固，确保安全。

渝怀铁路；溶洞；工法；平导扩挖；注浆法；管幕法；冻结法；水平旋喷法

0 引言

渝怀铁路是一条四川、重庆与湖南、江西、福建等华东地区客货交流的主通道。根据我国中长期铁路网规划，其在铁路网中的功能定位为一条以货运为主兼顾客运的大能力区际干线铁路。既有渝怀铁路于2000年12月全线开工建设，2007年4月开通运营。随着沿线社会经济的发展，既有铁路运输能力已不满足要求。因此，渝怀增建二线铁路的修建已迫在眉睫。

既有圆梁山隧道位于重庆市酉阳境内，全长11.07km，是渝怀铁路最长隧道和首要控制工程，是国内隧道建设史上地质最复杂、技术难度最大的隧道之一。该隧道先后穿越毛坝向斜和桐麻岭背斜两大构造，其中可溶岩岩溶发育，隧道内发育多个充填溶洞，地下水丰富并具高压。既有线施工中多次发生大规模岩溶突水、突泥事件，并出现重大的人员伤亡，对工程建设造成极大影响。

根据前期线位研究，考虑工期、施工难度和环境影响等因素，新圆梁山隧道采用沿既有圆梁山隧道右侧30m既有平导扩挖方案，隧道全长11.182km。新、旧圆梁山隧道间距较小，两隧穿越地层结构基本类似。

1 工程概况

既有圆梁山隧道穿越毛坝向斜核部、桐麻岭背斜和冷水河浅埋段，穿过二叠系、三叠系、泥盆系、志留系、奥陶系和寒武系等多种地层，主要发育有毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生断裂，隧道施工过程中穿越9条宽度20～100m不等的断层破碎带，并且施工开挖揭示毛坝向斜核部和东翼在深部滞流带隧道洞身附近发育3个大型高压富水深埋充填型溶洞，充填多为淤泥、流塑～软塑状黏土和饱和粉细砂，岩溶水极丰富，一般情况下涌水量为1.2万m3/d，最大涌水量可达24万m3/d，最大静水压高达4.4～4.6MPa。如图1。

图1 圆梁山隧道工程地质图

2号溶洞正洞里程为DK354+460～+495，在超前地质钻孔施工中，从钻孔内射出高压水，射程超过30m，水呈铁锈色，含大量泥砂，高压水多次将钻杆推出，钻机被涌出的砂、水淹没。2002年10月22日，DK354+475右侧下导坑边墙底发生涌水涌砂，冒水处的涌水浪最高达1m，涌水量达3.6万m3/d，测定涌出物沉积年龄约0.1万年；2002年11月10日和14日，此处再次涌水涌砂，涌水量达4000m3/h，总涌水量达6.8万m3/d；2003年11月2日，DK354+493发生拱顶坍落，坍落物主要为碎块石夹少量粉细砂，最大块石直径在3m以上，总坍落量达1000m3，涌水量在9600m3/d左右。施工过程中，多次采用帷幕注浆、径向注浆、小管棚、大管棚、钢支撑、泄水洞等多种手段，均未能有效地封堵住地下水的涌出。

2 2号溶洞特点

2.1 溶洞规模大

溶腔向线路右侧发育，宽度因勘探手段限制，目前右侧边界尚未探明，据物探探测线路右侧80m远处二号溶洞仍存在，左侧发育至既有线左侧50m，基底以下局部发育深度约50m，溶腔内深度未能完全探明，溶腔上部已与地表联通，溶腔发育形态见图2。

图2 2号溶洞溶蚀裂隙带发育平面示意图

2.2 涌水量大

溶洞涌水特征表现为涌水量逐渐增大，后因管道被洗通，涌水量明显增大。涌水与地表降雨具有较强的相关性，地表降雨时洞内涌水量增大；涌出物粒径由细变粗，涌出物沉积年龄由老变新。因此，充填粉细砂段已与浅部岩溶水体或地下暗河系统存在较为密切的水力联系。

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2.3 水压高

勘测阶段深孔钻探水位观测显示，毛坝向斜P2w地层段隧道高程位置水压为4.35～4.44MPa；施工期间在部分排水条件下测试洞内水压（测试过程中橡胶垫圈破坏）为，正洞3.013MPa，平导2.016MPa。

2.4 施工难度大

粉细砂充填物颗粒小，其组成的密实砂层常规的注浆材料难以注入；充填物多，其中夹杂碎块石使钻孔极其困难；二次衬砌采用圆形抗水压衬砌，隧道开挖断面大，面积约100m2，在高压水及泥沙大量涌出下施工难度极大。

3 穿越2号溶洞预支护工法比选

为有效地提高围岩与洞体稳定性，方便施工并保证安全，对于软弱或松散围岩尤其富含地下水地层采取超前预支护加固地层的工法措施是必须的。基本方法即各种管径的定向或管棚注浆支护，衍生和专用方法有注浆法、管幕法、冻结法、水平旋喷法等。对于本隧道高压富水充填2号溶洞地质条件极差，既有隧道施工处理历经多次反复极为艰巨，鉴此仅就其中适用性及安全性较高的方法进行研究比较。

3.1 冻结法

系采用人工制冷方法将低温冷媒送入松散软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒发生冻结，从而形成高强度、弹性大和抗渗性好的冻结壁，在冻结壁的保护下进行内部开挖和永久支护结构施工的一种特殊地层加固方法。冻结法的基本设计方案如下。

（2）二号溶洞距洞口3km多，由洞外提供低温水源将使能耗及管路损耗加大，并限于场地条件，故选择玻璃钢冷却塔（产能100～150t/h）作为冷却水供应设备，钻孔设备选用TSJ-2000型钻机。

（3）地层冻结供冷工艺参数和指标：积极冻结盐水温度为-24～-26℃，冻结壁交圈时间为25～28d，最早开挖时间为25d，积极冻结时间为25～40d，维护冻结盐水温度为-18～-20℃，维护冻结时间为36d。如图3、图4。

图3 冻结法施工实例

图4 冻结孔断面布置图

3.2 注浆法

是借助于压力将具有胶凝能力的浆液通过一定的管路注入岩土层空隙、裂隙与空洞中，将其中的水分与空气赶走，将松散破碎的岩土层胶结起来，改善岩土层性能的一种施工方法。对于隧道工程，注浆的目的主要有以下三种：防渗和堵水、固结及改善围岩性能、改善支护衬砌受力条件。注浆法的基本设计方案如下。

借鉴既有圆梁山隧道施工经验，新圆梁山隧道二号溶洞注浆设计采用开挖前超前帷幕注浆（加固圈厚度8m）和初期支护施工完成后径向注浆（加固圈厚度5m）。如图5、图6。

图5 超前帷幕注浆施工实例

图6 径向注浆断面布置图

3.3 管幕法

系由小口径推进工法演变而来。构筑隧道时，在预穿越的路段两端设置工作井室，推入一系列钢管，管与管间以锁口结合，并在锁口处注入止水剂，使之成为连续的管幕而达到挡土及止水的效果，继而在此管幕形成的封闭空间内进行隧道施工。管幕法的基本设计方案如下。

（1）钢管采用Φ900钢管热扎无缝钢管，壁厚均为15mm制成。为增加钢管刚度，在钢管内灌注混凝土。

（2）每节钢管长度为16m，钢管采用分段连接，各分段之间采用焊接连接。环向钢管间依靠锁口相连，并在锁口处注入止水剂，形成密封的止水帷幕。

（3）洞身段施作钢管幕应根据情况设置管幕工作室。

（4）注浆材料采用水泥混凝土，注浆压力一般为0.5～1.0MPa，其浆液配合比、注浆压力应根据现场试验调整(图7、图8)。

图7 管幕法施工实例

图8 管幕法断面布置图

3.4 水平旋喷法

将施有高压的胶凝浆液通过旋退的水平钻杆喷嘴射到地层土体内，钻杆周边一定范围内土体被高能浆液喷射击碎而成为浆土混合体，其固结后便形成了水平圆柱的水泥土体。沿隧道轮廓周边施作的密排旋喷桩体，单桩之间相邻咬合填补形成封闭状态，每桩必要时可以加入钢管。水平旋喷法的基本设计方案如下。

（1）衬砌开挖轮廓线外围施做4环水平旋喷桩，加固圈厚度为1.55m。桩径Φ500，桩与桩环向（层向）间距0.35m，相邻加固体咬合厚度大于10cm。

（2）桩长35m，两端相向施做，外插角为6°～8°，搭接长度为5m。

（3）为保证掌子面稳定，在开挖掌子面施作水平旋喷桩，桩径采用Φ500，桩间距1.0m。如图9、图10。

图9 水平旋喷法施工实例

图10 水平旋喷法断面布置图

3.5 各工法比较结论

结合二号溶洞特征，工法比较结论汇总如表1。

表1 穿二号溶洞工法比较表

通过以上各工法的综合分析比较，结合既有圆梁山隧道施工经验，新圆梁山隧道过2号溶洞段预支护工法采用“水平旋喷法”。

4 结论

新圆梁山隧道为既有平导扩挖，并穿越高压、富水充填2号溶洞，施工难度大，风险高。为了降低风险，新圆梁山隧道施工时需对围岩进行预支护，本文通过对冻结法、注浆法、管幕法、水平旋喷法几种预支护工法穿越2号溶洞段进行分析比较并借鉴相关工程实例，最终采用水平旋喷法对掌子面进行加固，确保安全。

[1]渝怀线圆梁山隧道动态设计图[R].成都:铁道第二勘测设计院，2005.

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责任编辑：孙苏，李红

Study on Construction Method for the New Yuanliang Tunnel Traversing No.2 Karst Cave of Yuhuai Railway

The frequent water and mud gushing during the No.2 karst cave filling construction of Yuanliang Tunnel has great impact on construction of the project.The new tunnel is located at the right side of the old tunnel,30 meters'distance,expanded from excavation.To lower construction risk,the surrounding rock should be supported during construction.Through comparison among several construction methods,horizontal rotary grouting is adopted to reinforce face for security.

Yuhuai railway;karst cave;construction method;level expanding excavation;grouting method;freezing method;horizontal rotary grouting

U455

A

1671-9107（2014）07-0026-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.026

2014-06-24

姜波（1981-），男，湖北崇阳人，研究生，工程师，主要从事地下结构工程设计工作。