隧道拱顶半填充大溶洞处治施工技术

郑寰宇

(1.广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001;2.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心,广西 南宁 530007)

0 引言

随着广西公路建设规模与数量的增长,在喀斯特地貌区建设隧道越来越多遇到大型溶洞,而大型溶洞极易在施工过程及运营期间引发安全与质量问题,因此采用何种处治方案对其进行处治就尤其重要。广西武宣至忻城高速公路(来宾至忻城段)岩溶区内的来宾三号隧道采用护拱法穿越大溶洞,其具体处治方法为:先做护拱,在护拱外回填混凝土作为人造围岩保护壳,并设置隧道外排水设施保留溶洞的原来过水通道。该方法适用性强,施工简单、便捷、快速,既能最大限度地保证施工安全与质量,且能随时进入溶洞内对溶洞发展变化情况进行观察与进一步处治,从而更好地保障隧道运营期的质量安全。本文从衬砌结构、溶洞内排水、施工方法等方面对护拱法穿越隧道拱顶大溶洞的具体处治方案进行阐述。

1 工程概况

来宾三号隧道设计为高速公路双向四车道分离式隧道,从进口端左洞开挖至ZK56+330(隧道埋深约152 m)时,在掌子面右上部位揭露出1个半填充大溶洞,溶洞与隧道走向呈斜交,溶腔长度约为120 m、最宽处约为20 m、最高处约为15 m。溶洞顶部有石钟乳,下部有约10 m充填物(充填物顶标高至隧道拱顶距离约为0.9～1.6 m),以黏土为主,表部为角砾(厚度为0.2～2.0 m)。隧道溶洞段岩质为中风化灰岩,溶洞内围岩级别为Ⅴ级,产状为276°∠36°,呈中厚层状。溶洞离掌子面远端走向为180°、近端走向为35°(隧道走向为85°)。溶洞顶近端石钟乳古老,岩石干燥,已停止发育;远端石钟乳新鲜,有滴水,正在发育。无暴雨时溶洞内有小股状洞周裂隙渗水,流量约为5 L/min,水清澈;降大雨后出现大量涌水,最大涌水量为27 592 m3/d。

2 处治设计参数

来宾三号隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段受溶洞影响,从最大限度保证隧道穿越溶洞施工过程安全和后期隧道运行安全的角度综合考虑,确定了衬砌结构参数,采用Ⅰ20B工字钢拱架间距为50 cm,C25喷涂混凝土厚度为26 cm,直径8 mm钢筋网间距为20 cm×20 cm,直径为42 mm、壁厚为4 mm、长度为6 m系统注浆小导管间距为50 cm(纵向)×100 cm(环向)梅花布置作为初期支护;C35防水钢筋混凝土厚度为50 cm作为二次衬砌,预留变形量为15 cm。处治方法采用从ZK56+330处掌子面开始往大桩号开挖衬砌结构顶部溶洞填充物形成的薄弱覆盖层,每3 m为1个循环,开挖后立即施作护拱(护拱采用间距为100 cm Ⅰ20b工字钢+50 cm厚C25喷射混凝土),再以护拱为底模,在护拱外泵送回填C20混凝土(护拱顶部回填混凝土厚度≥1 m)作为人造围岩保护壳,再在护拱的保护下,采用两台阶预留核心土法开挖掘进并施作初支及二衬结构。同时,在ZK56+335处右侧与ZK56+360处左侧分别设置集水槽,集水槽向上连通溶洞与隧道中央排水沟,确保原有排水通道顺畅。溶洞处治断面设计图见图1。

图1 溶洞处治断面设计图

3 施工工艺流程

岩溶勘探→危岩排查与清除→溶洞临时排水施工→逐段开挖溶洞底部填充物施作护拱(3 m/段)→逐段护拱外溶洞泵送回填混凝土→逐段护拱范围隧道洞身逐榀开挖及初支(在设集水槽的地方,一并开挖施作集水槽)→隧底承载力检测(若不足进行基底处理)→仰拱施工→隧道防排水施工→二衬施工。

4 施工关键及要点

4.1 岩溶勘探

溶洞揭露出来后,应结合地勘资料,采取综合超前地质预报手段,探清岩溶规模、溶洞分布、岩溶充填、地下水及其流向等情况,核实岩溶与隧道空间位置关系等[1]。

4.2 危岩清排

从ZK56+330处掌子面溶洞口开始,对溶洞内进行排险工作。溶洞处治采用逐段施工,每段施工前必须先排险,以安全第一为原则。排险主要以清理松动围岩为主,不能过大扰动溶洞内围岩,优先采用挖机缓慢清理溶洞口的淤泥、黏土以及松动的岩石,清理后立即采用C25喷射混凝土防护,视溶洞口围岩的稳定性而决定是否增加锚杆或注浆小导管,防止塌方。溶洞口围岩稳定后,才可进入溶洞内进行排险。在溶洞内人工使用钢钎进行排险,排除溶洞内的浮石、险石。

4.3 溶洞临时排水

在隧道左侧溶洞内设置拦水坝,拦截雨天溶洞内流水,减少溶洞内流水对施工的影响,用水泵与排水管(带)将拦截的水抽排到隧道洞外。拦水坝位置要结合溶洞内地形及地基情况等综合选取,修建在溶洞较窄处,与溶洞轴线正交,能缩短拦水坝的长度。

4.4 溶洞底部填充物开挖

从掌子面揭露的溶洞口往掌子面正前方采用放坡开挖的方式沿隧道纵向逐段开挖溶洞底部填充物,每段纵向开挖长度控制为≤3 m[2]。采用挖机开挖溶洞内的淤泥、松软的黏土等岩溶填充物,控制临时边坡坡比为1∶0.5。在开挖过程中,溶洞内逐渐形成方便人员、机械通行的施工通道。填充物开挖后立即进行危石清排。

4.5 护拱施工

逐段的溶洞底部填充物开挖及溶洞排险后,进行该段的护拱施工。护拱工字钢拱架要稳固架立在基岩上,根据测量放样确定每榀拱架两端在基岩上的架立位置,以测量数据来确定工字钢拱架的加工弧长。在护拱拱架两端向围岩内打设各2根无缝钢管,长为5 m,直径为42 mm,壁厚为4 mm,作为锁脚。拱架用锁脚钢管焊接固定。每榀拱架之间通过直径22 mm螺纹钢筋焊接相连,拱架背后设置间距为20 cm×20 cm的直径8 mm圆钢钢筋网,增强护拱的整体性。

4.6 溶洞混凝土回填

护拱外的溶洞回填混凝土前应清理干净回填范围内溶洞壁的黏土、淤泥等,直至露出硬质岩层。逐段护拱施作完成后立即对该段护拱外溶洞进行C20混凝土回填,混凝土回填至护拱顶以上≥1 m的厚度。在端头模处预埋螺纹钢筋作为前后段回填混凝土的连接。最后一段回填混凝土施工时,溶洞内为密闭空间,护拱顶部要预留好排气孔,排气孔距离护拱顶的高度应等于回填混凝土的浇筑高度,当回填混凝土浇筑到规定标高后,混凝土会从排气孔流出,以表示回填混凝土已浇筑到位。

4.7 隧道开挖及结构施工

待溶洞混凝土回填完成后即可进行隧道开挖。采用三步七步开挖法进行开挖,应及时进行仰拱施作,及早封闭成环。仰拱至掌面距离控制在20 m内。隧底开挖后,要对隧底地基承载力进行检测,如不满足设计要求,根据具体情况可采用换填混凝土浅层或微型钢管桩深层进行处理,避免隧道结构下沉。

4.8 监控量测

针对该段落的溶洞处治,在施工期间制定了支护结构状态观察、初支周边位移、初支拱顶下沉和拱脚下沉等4个监控量测项目,每3 m一个断面,按照2次/d的频率进行监测。经过监测,支护结构无开裂,初支周边位移的最大变形速率为2.3 mm/d、最大累计变形量为18.2 mm;初支拱顶下沉最大变形速率为4.2 mm/d、最大累计变形量为33.2 mm;初支拱脚下沉最大变形速率为1.4 mm/d、最大累计变形量为12.7 mm。隧道运营期,在溶洞内设立永久监测点和监控摄像头对溶洞的洞内情况进行长期监控。

5 结语

运用该方案对来宾三号隧道左洞ZK56+330～ZK56+377段拱顶半填充大溶洞进行处治,施工过程中监控量测数据正常,施工安全质量符合要求,隧道衬砌结构施工完成后稳定可靠。经过连续5 d的大雨天,溶洞及隧道排水通畅。在施工中应重点关注:施工过程中尽量避免或减少作业人员无防护暴露在溶洞施工;隧道左洞溶洞段施工过程中,须避免右洞爆破施工扰动;溶洞未封闭前,应留有方便作业人员进出溶洞的通道,以便紧急情况时人员可快速撤离;施工过程中,应加强对溶洞、护拱、初支情况的巡查与监测,发现异常,及时反馈设计及相关方,做到动态设计,动态施工;对可能出现的各类施工问题提前做好应急预案,防患于未然。施工前对应急预案进行研究、完善、细化、交底,确保预案能够及时有效实施,最大限度保障人员安全。