高风险铁路隧道跨越巨型暗河溶洞施工处治技术.pdf
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1、DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202303064开放科学(资源服务)标识码(OSID)高风险铁路隧道跨越巨型暗河溶洞施工处治技术陈广勋(四川省汉巴南城际铁路有限责任公司,四川巴中636600)摘要:为解决玉京山铁路隧道施工中揭示的巨型暗河溶洞体量大、洞壁稳定性差、底部基础薄弱,落石危险时有发生的诸多难题,降低施工风险,满足隧道结构安全和基础稳定性要求,在综合考虑技术可行性、施工运营安全性等方面的基础上,经方案比选,提出了“小范围新增泄水洞、连续梁+分层回填+洞壁防护”的综合处治方案。通过施工过程中对隧道结构变形、土体沉降监测,表明上述处治方案有效,提高了巨型暗河溶
2、洞的整体稳定性,解决了岩溶大厅线路跨越的问题。关键词:暗河溶洞;风险辨识;加固处理;变形监测;经济性;稳定性中图分类号:U455.49文献标志码:B文章编号:1003 8825(2023)05 0005 06 0 引言我国岩溶地区分布广泛,尤其在西南地区最为典型1。随着中西部地区铁路建设不断发展,铁路隧道不可避免需穿越各种大小不一、形态各异的溶洞。其中,大型溶洞地质条件复杂多变,使隧道施工面临极大挑战2 3,如何安全有效地处治大型、巨型溶洞,保证施工运营安全是亟需解决的难题。近年来,对大型、巨型溶洞的处治方法已有诸多积累。渝贵铁路东山隧道巨型溶洞4采用设置前瞻性泄水洞、综合超前地质预报、注浆堵
3、水、分区段防排水体系、溶洞段立体排水系统、桩板式明洞结构跨越溶洞方案;安六铁路对门寨隧道大型溶洞群5经综合比选设计,采用“弃渣+C20 混凝土”分层间隔回填方案;渝怀铁路新武隆隧道泄水洞下穿溶洞段6经方案比选,采用顶管涵的治理方案;黔张常铁路高山隧道巨型溶洞7 8通过综合比选,提出了“回填洞渣+上部注浆加固”的处治方案;湖北高速公路岩湾隧道特大型溶洞9采用“洞渣回填+桥跨+拱形防护”的综合处治措施;朱砂堡二号隧道特巨型溶洞10通过不同方案对比分析,提出了大体积空心混凝土分段回填的处理方案;湖南那丘隧道揭露的特大型溶洞11采用“承载桩基-纵横框架梁板结构-钢筋混凝土挡墙”组合结构与空腔回填进行综
4、合处治。以上案例分析对大型、巨型溶洞的处治方案有一定借鉴意义,但对隧道高位跨越巨型暗河溶洞的方案研究较少。本文针对玉京山铁路隧道巨型暗河溶洞处治技术方案进行研究,在综合考虑技术可行性、施工运营安全及经济性的基础上,经方案对比分析,提出“小范围新增泄水洞、连续梁+分层回填+洞壁防护”的综合处治方案,通过现场隧道施工监测表明,该方案施工安全可靠。本文研究结果可为类似岩溶地区的隧道设计施工提供借鉴与参考。1 工程概况玉京山铁路双线隧道位于云南省威信县境内,属剥蚀中低山地貌。该隧道最大埋深 350 m,岩溶强烈发育,测绘勘察结果显示:隧道在 D3K279+865+956 段穿越一巨型岩溶大厅,线路大里
5、程方向和岩溶大厅主轴呈 80大角度相交,位于该岩溶大厅顶部。隧道掌子面岩溶大厅洞口,见图 1。图1隧道掌子面溶洞洞口 岩溶大厅横向长约 230 m,宽约 93 m,溶洞平面呈“蚕豆”状,溶洞顶部呈穹窿状;洞壁岩层为厚-巨厚状灰岩,受节理及地下水影响,溶洞大 收稿日期:2023 06 14基金项目:中铁二局科研项目:复杂岩溶地区高铁隧道建设创新关键技术研究(2019-重大-6)、山区复杂地质高铁长大隧道快速施工关键技术研究(2021-重点-03)作者简介:陈广勋(1971),男,四川巴中人。高级工程师,从事隧道与地下工程工作。E-mail:。陈广勋:高风险铁路隧道跨越巨型暗河溶洞施工处治技术 5
6、 厅顶板局部存在表层脱落掉块现象,溶洞大厅底充填层厚 3080 m,溶洞大厅顶至其底面高差为50120 m;线路方向右侧高,左侧低,且于左侧坡脚处发育一条暗河,河面宽 515 m,由线路右侧向左侧径流排泄,呈 S 型发育。岩溶大厅发育形态示意,见图 2。成都贵阳暗河流向80230 m93 m(b)平面(a)剖面隧道标高107910881068104810281008 988 968 948 928暗河岩溶大厅高程/m溶洞填充物图2岩溶大厅发育形态示意 2 溶洞处理方案比选 2.1 暗河处理为确保回填体底部稳定性,需设计排水通道方案疏通暗河。排水通道工程主要考虑溶腔内暗河水、局部股状水及洞壁周边
7、裂隙水,根据掌握的暗河管道发育情况,拟采用两种处理措施进行比选:原位排水通道方案,见图 3。小范围新增泄水洞方案,见图 4。89D3K280#3支管道出口原位施做排水通道岩溶大厅暗河进水口成都贵阳#2支管道出口岩溶大厅暗河出口#1支管道出口岩溶大厅图3原位排水通道方案 2号通道4号通道3号通道5号通道现场揭示水潭暗河下游块石回填新增泄水洞成都贵阳溶洞大厅暗河上游混凝土封堵D3K279+900D3K280+100图4溶腔小范围新增泄水洞施工方案 2.1.1 溶腔原位施作排水通道方案(1)排水通道断面选择。根据地质资料预测,旱季期间降雨量 10 mm,暗河流量最大约21.180 m3/s,雨季期间
8、降雨量 144 mm,暗河水量最大约 304.992 m3/s。根据式(1)计算排水能力,考虑雨季溶腔内暗河出口狭小,排水通道能满足平常排水能力并适当富余即可,故取中间值为流量依据,计算结果,见表 1。Q=c(Ri)1/2(1)式中:Q 为流量,m3/s;为过水断面面积,m2;c 为水力系数;R 为水力半径,m;i 为沟床纵坡,根据地质资料取 0.02。表1排水通道断面计算结果工况推测流量/(m3s1)净空尺寸/m排水能力/(m3s1)富裕系数旱季 21.18033 97.9102雨季304.992105976.3262平均163.08664368.8892(2)排水通道结构型式选择。由于周边
9、岩体稳定性及岩溶发育情况未知,不建议施作横撑措施,以避免不可预见性的新增处理项。同时上部荷载过大,采用横撑+防护桩结构,结构不能封闭成环,不能避免后期水流冲刷侵蚀和上部荷载共同作用引起局部变形,导致横撑坍塌。综合考虑施工立模的难易性和后期运营安全性,可采用矩形过水涵洞,矩形排水通道示意,见图 5。5 m土石回填粗砂碎块石土粗圆砾土预留过水孔20 cm20 cm片石回填表层铺设双层无纺布C25混凝土回填图5溶腔矩形排水通道示意 2.1.2 溶腔小范围新增泄水洞方案(1)泄水洞断面方案。地质资料显示:雨季暗河水量最大约 304.992 m3/s,若要满足过水要求,过水断面需不小于 22.40 m2
10、,考虑一定的富余,施工通道及泄水洞均拟定采用 5 m(宽)6 m(高)的无轨单车道断面,净空断面面积27.32 m2。净空断面设计,见图 6。5.03.52.56.0载重汽车轮廓人行通道坑底面断面中线图6泄水洞净空断面(单位:m)路基工程 6 Subgrade Engineering2023 年第 5 期(总第 230 期)(2)施工组织。考虑暗河水量较大,溶腔内难以布置施工场地,故新增泄水洞的施工通道从2 号通道开辟施工口,完成后向两侧平行作业。为了提高施工效率,可新增通道共同施工。例如利用 3 号通道,预先进入溶洞,测量泄水洞与暗河上游接口位置及 5 号通道接入溶洞位置,同时也便于泄水洞施
11、工期间对暗河水位进行监测,确保施工安全。2.1.3 排水方案优缺点比较根据已掌握的暗河发育、管道洞壁稳定性等情况,对两种方案进行比选,见表 2。表2排水方案优缺点对比方案主要工程措施优点缺点原位施作排水通道1.设置过水涵洞200 m;2.C25混凝土回填工程;3.过水、渗水措施;4.梭矿体系及防护措施1.可同时分段实施,利于工期;2.对后期溶腔内排水相对有利1.溶洞坡底地形复杂,施工组织繁琐;2.暗河出水口断面小,下游易堵塞反雍,降低回填结构的稳定性小范围新增泄水洞1.施工通道1410 m;2.泄水洞450 m1.避免暗河主支流对充填物坡脚的冲刷,降低回填质量;2.有效减小富水断层压力,降低正
12、洞施工风险1.周边岩溶风险未知,岩溶突水涌泥风险大;2.需设置多条施工通道,工期较长 地质勘探表明:岩溶大厅内的暗河进水口断面较大,出水口断面较小,出水口的水位在雨季时可上涨至顶板附近,结合溶洞大厅堆积物表层的静水沉积物和钻探揭示情况判断,岩溶大厅暗河水位可从暗河底的 961.00 m,上涨到钻探揭示黏土含细砂层 1 004.42 m 位置(上涨约 43.00 m)。考虑到暗河通道的流通性存在极大不确定因素,管道中极有可能出现坍塌堵塞河道的情况,从而进一步加剧岩溶大厅暗河水位的上涨幅度,使原位施作排水通道难以实现暗河的有效疏通,降低后续回填结构的稳定性。因此,最终决定采用小范围新增泄水洞方案。
13、2.2 溶腔洞壁与堆积体基础稳定性评估溶腔安全稳定性控制主要考虑隧道结构荷载要求及基础整治过程中施工安全风险问题。为满足隧道结构及防水要求,本工程设计了三种技术处置方案。跨越溶洞大厅方案优缺点对比,见表 3。表3跨越溶洞大厅方案优缺点对比跨越方案优点缺点小跨钢构+分层回填+洞壁防护1.若钻孔桩实施得当,隧道基础稳定,有利于结构及运营安全;2.处理溶腔顶上部防护前,施工区域小,发生安全事故几率相对较低;3.除去1030高程平台下方桩基施工,其余为简单的回填和小区域预注浆工序,相对简单,施工安全风险可控1.由于堆积体物质复杂,孤石和黏土混合分布,钻孔过程中成桩困难;2.荷载作用需根据地质资料检算,
14、主要是上部围岩荷载传递大小,存在不确定性;3.分层回填并锚索防护过程中,存在上部掉块风险拱跨+分层回填+洞壁防护拱跨结构有利于结构荷载受力,有利于结构及运营安全1.拱桥施工流程相对复杂,需要从拱座基础到拱部再到拱上立柱,最后施工梁部,施工工期相对较长;小里程侧的拱座基础施工需要在其有隧道断面的基础上进行扩挖;2.溶腔顶锚索工程是搭设脚手架实施,防护风险依然较大连续梁+分层回填+洞壁防护1.施工方便,容易控制工期;2.连续梁结构刚度大、变形小、整体性能好、安全性大、桥面伸缩缝少,有利于后期运营安全1.施工梁部,施工工期相对较长,施工需要在其有隧道断面的基础上进行扩挖;2.上部荷载全部由锚索工程承
15、担,运营期间安全风险依然存在;3.对桥梁基础要求较高,需对高填方土体、桥体沉降进行严密监测 对溶腔处置技术可行性、施工优缺点及后期运营安全性等方面进行综合风险对比,该隧道最终采用“连续梁+分层回填+洞壁防护跨越溶洞”的处置方案。针对方案缺点,制定了回填体、桥体沉降监测和隧道本体健康监测两类监控措施。前者包括对下部高填方土体的分层沉降、桥梁墩台位移、桥梁结构位移变化等监测,后者包括隧道喷射混凝土拱部沉降、边墙收敛、溶洞顶部加固后的锚索轴力、围岩压力、拱架应力等监测。通过全面监控了解溶洞本体围岩、填方土体结构及桥隧结构的安全性能,确保施工运营的安全。3 溶腔总体施工方案及处治效果分析 3.1 溶腔
16、回填施工方案溶腔回填处理时,由暗河段开始回填,分高程、分区域进行,每相差 20 m 设一个回填平台,回填由洞壁较稳定区域向不稳定区域进行。首先,由 4 号通道进入溶洞大厅回填 988 m 高程以下部分;6 号通道施工后回填 9881 008 m 高程部分;7 号通道施工后回填 1 0081 028 m 高程部分;由于前期溶洞勘探和设计,1 号通道已施工完成,由此回填 1 0281 048 m 高程部分;最后,由正洞进出口上台阶进入溶洞大厅回填剩余部分。分层回填完成剖面示意,见图 7。回填通道平面示意,见图 8。为保证溶洞大厅壁面附近裂隙水、岩溶管道水等地下水排泄通畅,1 008 m 高程以下范
17、围全部采用大块石回填;1 008 m 高程以上,靠溶洞大厅壁陈广勋:高风险铁路隧道跨越巨型暗河溶洞施工处治技术 7 周边 2 m 范围采用大块石回填,其余空间采用洞碴回填(图 7)。988.001028.004号通道6号通道7号通道1号通道洞碴回填锚网喷防护溶洞填充物距洞壁2 m范围采用块石回填C20混凝土封堵1048.001008.00块石回填图7分层回填完成剖面示意(单位:m)4号通道现场揭示水潭新增泄水洞成都贵阳6号通道7号通道1号通道暗河上游混凝土封堵暗河下游块石回填溶洞大厅D3K280+100D3K279+900图8溶腔回填通道平面示意 3.2 溶腔桥跨施工方案桥梁结构:桥梁采用 3
18、8 m+108 m+38 m 短边跨预应力混凝土连续梁,主跨跨越溶洞,边、中跨比 0.352。支承中心位于岩石暗坡稳定线以内一定距离,支架采用现浇施工,为扩大基础。综合措施示意,见图 9。108锚索处理防护棚洞工程利用分层回填平台施做锚索土石回填黏土层碎块石土软黏土碎块石土软黏土粉砂(饱和)3838图9溶腔连续梁施工示意(单位:m)施工顺序:利用先期回填施工平台分层回填至梁跨腹板处。分层回填过程中,倒悬面底部及时设置临时棚架,防护安全后,利用分层作业面对倒悬范围内围岩施作锚索加固;回填后基本接近溶腔顶,可搭设脚手架对溶腔顶部施作锚索加固。此时溶腔顶部围岩荷载全部由锚索结构承担;防护完成后,对大
19、小里程方向隧道扩挖并防护,以满足连续梁施工空间及隧道棚洞结构要求;完成连续梁主体结构;进行底板和防护棚洞工程施作。3.3 巨型溶腔处治方案效果分析 3.3.1 监测点布置针对该巨型溶洞采取“小范围新增泄水洞、连续梁+分层回填+洞壁防护”的综合处治方案过程中岩溶大厅的稳定性问题,对隧道结构施工期的拱顶沉降、水平收敛、土体分层沉降进行监测。监测点布置,见图 10。第一台阶第二台阶第三台阶第四台阶第五台阶钢支撑拱顶沉降水平收敛多点位移计孔位衬砌溶洞底部边缘线挡头墙左线线路中线隧道中线右线线路中线D3K279+885+915+945(a)拱顶沉降、水平收敛监测点布置(b)土体分层沉降监测点布置图10监
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