新桥隧道填充式溶洞处治方案研究

林永鹏

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 工程概况

随着岩溶地区新建隧道逐渐增多,岩溶隧道施工过程中也暴露出一些问题。新桥隧道位于贵州省安顺市关岭县上关镇丫口田、拉坡、坡料一带,呈近南-北向展布。该隧道为分离式+小净距隧道,左线长1305m,右线长1305m,为长隧道。建筑限界净空10.25m×5.00m(宽×高);六枝端、安龙端均采用削竹式洞门。隧道围岩以中风化灰岩、中风化泥灰岩为主,溶洞区岩性为泥灰岩,溶洞纵向分布范围为YK43+152.5～YK43+194.5,具体见表1。文章对新桥隧道填充式溶洞处治方案进行研究,并制定针对性处治方案,以期为相关工程实践提供参考。

2 现场基本情况

新桥隧道施工方向为六枝端向安龙端单向开挖。2022年3月28日,隧道右洞施工至YK43+164.5时,掌子面处揭露全充填型溶洞,充填物为黄褐色黏土混碎石及灰褐色可塑黏土,有轻微渗水现象,现场照片见图1。通过对该桩号所处位置原地面进行调查,原地面未发现裂隙及裂缝现象。隧道左洞开挖时未见溶洞,目前隧道左洞掌子面桩号为ZK43+450。左洞施工未受右洞不良地质影响。

3 原设计地质情况

YK43+120～YK43+270段围岩主要为:

(1)②3中风化灰岩:节理裂隙较发育,岩石Rc值取48.47MPa,Kv值取0.38。

(2)③3中风化泥灰岩:节理裂隙较发育,岩石Rc值取25.85MPa,Kv值取0.45。

(3)④3中风化泥质白云岩:节理裂隙较发育,岩石Rc值取22.42MPa,Kv值取0.42。地下水以岩溶裂隙水为主,水量随大气降水量及节理裂隙变化而变化,围岩富水性不均一,透水性较弱。

洞身处围岩为较软岩-较坚硬岩,岩体较破碎,结构面较发育,结合一般,镶嵌碎裂结构。②3灰岩地下水修正系数K1=0.5,软弱结构面取K2=0.5,不存在高应力K3=0,计算[BQ]=240.4,属Ⅴ级围岩。③3泥灰岩地下水修正系数K1=0.5,软弱结构面取K2=0.5,不存在高应力K3=0,计算[BQ]=190.1,属Ⅴ级围岩。④3泥质白云岩地下水修正系数K1=0.5,软弱结构面取K2=0.5,不存在高应力K3=0,计算[BQ]=172.26,属Ⅴ级围岩。

YK43+120～YK43+150段支护衬砌类型为S-Ⅴc型,YK43+150～YK43+270段支护衬砌类型为S-Ⅴb型,具体支护参数详见表2。以上段落隧道埋深为77～85m,YK43+164.5处隧道埋深约77m。

表2 隧道衬砌主要支护参数表

4 补充勘察主要成果

(1)溶洞纵向分布范围为YK43+152.5～YK43+194.5(当前掌子面桩号为YK43+164.5),为填充式溶洞。隧道仰拱底部填充物厚度约为2.5～7.5m;隧道拱顶填充物厚度约为5.3～20m;隧道侧边墙填充物宽度约为2.0～7.5m。

(2)根据已查明地质条件,溶洞附近地层为三叠系中统关岭组第二段(T2g2)泥灰岩,呈灰色,泥质结构,层状构造,节理裂隙较发育,岩体较破碎,结构面较发育,结合一般,岩层产状为50∠42°,溶洞内充填物主要为黄褐色黏土混碎石([fa0]=130kPa,[qik]=55kPa)及灰褐色黏土([fa0]=130kPa,[qik]=40kPa),隧道仰拱底部存在软弱基础,基底承载力小于250kPa,难以满足隧道建设及运营需求。

(3)该溶洞水源主要为大气降水及基岩裂隙水,溶洞与地表溶蚀洼地存在联通性,强降雨、持续降雨等极端天气下有发生突泥涌水的可能。

5 溶洞处治方案

根据溶洞分布特征,溶洞处治应从两方面考虑:①隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法;②隧道仰拱以下部分穿越溶洞的施工方法(软基处理)。

5.1 隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法

(1)将新桥隧道右线YK43+164.5～YK43+189.5段支护衬砌类型由S-Ⅴb型调整为S-Ta型;S-Ta型衬砌的系统钢花管调整为φ25中空注浆锚杆,L=4.5m,间距50cm×80cm(纵×环),梅花形布置。

(2)在YK43+164.5处设置护拱(导向墙),护拱采用80cm厚C25喷射混凝土,纵向长度为2m,护拱内预埋φ127cm×4mm孔口管用于后续管棚支护;架设I20b工字钢,间距0.4m;管棚长度25m,采用φ108mm×6mm热轧无缝钢管,要求确保打入基岩不小于5m。

(3)在初期支护钢拱架上、下台阶分界处以及边墙脚打设锁脚钢花管(φ108mm×6mm热轧无缝钢管),每处4根,要求确保打入基岩不小于0.5m。

(4)施工方案采用临时仰拱环形开挖预留核心土法施工[1]。

5.2 隧道仰拱以下部分穿越溶洞的施工方法(软基处理)

按照软基深度可划分为两段:①YK43+152.5～YK43+169.5段,该段隧底软基深度为2.5～3.5m,可直接采用碎石换填处理。②YK43+169.5～YK43+194.5段,该段隧底软基深度为4.0～7.5m,处理深度及范围较大,需要制定比选方案,进行技术和经济性论证。

5.2.1方案1

(1)在YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部设置60cm厚C30钢筋混凝土板,混凝土板与仰拱之间的空隙采用C25素混凝土填满。

(2)对YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的软弱基础采用钢管桩注浆加固,钢管桩采用φ108mm×6mm注浆钢花管,间距1.0m,梅花形布置。图2为该方案钢管桩示意图。

图2 方案1钢管桩示意图

5.2.2方案2

(1)对YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的软弱基础采用素混凝土桩加固方案。

(2)对于隧道的基底打设,可采用机具矮小的钻机施工素混凝土灌注桩,桩设计直径50cm,混凝土强度C20。采用钻孔灌注法施工。素混凝土灌注桩在平面上呈正三角形布置。根据承载力要求,估算设置间距为1.6m。如方案均按照软基平均深度5m估算,则打设入下卧持力层不小于1m,考虑可取平均深度6m。打设后形成设计强度需要30d左右,采用钻孔取芯检测强度、单桩承载力等质量检验。

5.2.3方案3

(1)对YK43+169.5～YK43+194.5段隧道仰拱底部的软弱基础采用旋喷桩处理方案。

(2)旋喷桩以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合,形成连续搭接的水泥加固体。该方案占地面积少,机具高度仅2.5m左右,振动小,噪音较低,施工速度快[2]。

5.3 方案比选

上述方案中,隧道仰拱以上部分穿越溶洞的施工方法以及YK43+152.5～YK43+169.5隧底软基处理措施相同,仅YK43+169.5～YK43+194.5段软基处理方案不同。因此,针对YK43+169.5～YK43+194.5段软基处理方案进行技术、经济性比选,比选情况见表3。

表3 方案1、方案2、方案3技术与经济性比选表

综合分析可知,方案1造价略高,但便于施工,工期较短,采用Φ108mm钢管,材料利用方便。为确保取材便利,按时完工,推荐方案1为最终处治方案。

6 结语

(1)文章所推荐方案1已成功实施,经后期持续观测该段落二次衬砌情况,未出现开裂、变形。

(2)采用“钢筋混凝土板+钢管桩”跨越软基的方案具有施工便利、工期较短、受力效果好等优点。

(3)相较于CD法、CRD法等工法,文章采用的临时仰拱环形开挖预留核心土法具有施工便捷的优点。施工过程中,若出现初期支护开裂、变形等问题,应及时将开挖工法调整为CD法或CRD法,从而保证施工安全。