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标题 桩筏涵结构在岩溶地区特长隧道中的应用
范文 班瑞宏



摘要：本文通过六郎隧道施工实例，该隧道溶洞属于大型溶洞，隧区存在不良地质主要有隧道穿越地层为碳酸盐岩地层，岩溶强烈发育，地表岩溶槽谷、串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞等垂直岩溶形态发育。为保证本隧道溶洞处理现场施工安全及溶洞处理任务的快速完成，提出采取樁筏涵结构处理方案，系统地探讨该方案的具体实施。
Abstract： Through the example of Liulang tunnel construction， it is found that the karst cave belongs to a large karst cave， and in the tunnel there are unfavorable geology. There are mainly tunnels crossing the strata with carbonate strata， strong karst development， vertical karst morphology such as karst troughs and beaded distribution of karst valleys and plunging holes. In order to ensure the rapid completion of the site construction safety and the karst cave treatment task， the piled raft-culvert structure treatment plan is put forward， and the implementation of the scheme is discussed systematically.
关键词：岩溶地区；特长隧道；桩筏涵结构
Key words： karst area；extra long tunnel；piled raft-culvert structure
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0115-061 工程概况
六郎隧道位于云南省文山州腻革龙～弥勒区间，全长14094m，为200km/h预留250km/h条件客运专线双线隧道，线路设计为人字坡最大埋深550m。为加快施工进度、解决施工及运营期间排水以及改善施工通风条件，结合地形、地质条件，本隧采用“横洞+贯通”平导的辅助坑道模式。2 桩筏涵结构的应用
2.1 施工情况简介
本隧道按进口、横洞及出口工区三个工区组织施工。进口工区施工的DK575+267～DK575+320段施工中拱墙多次揭示充填性溶洞，施工过程多次进行现场核对处理，根据洞内开挖揭示的隧道工程地质情况及时调整围岩级别、支护措施、衬砌型式、防排水措施，并对拱墙揭示岩溶进行处理，以确保安全。
2014年7月12日下午18时六郎隧道进口工区所在地区突降暴雨，降雨持续2h，雨量43.7mm，22时DK575+275～+288段已经施工完成的仰拱右侧隆起，仰拱及填充混凝土断裂，涌出大量溶洞充填物，该段二衬表面出现数条不规则裂纹。经勘探发现该段隧底发育充填型溶洞，充填物以砾砂主为，夹中细砂、碎石及块石，隧底溶洞发育深度主要位于仰拱以下5～22.8m，局部位于仰拱以下0～12m。
2.2 地质概况
DK575+274～+320段隧道洞身穿越<14-5>白云岩夹灰岩{T[2]g（1[]）（）}：灰色、灰白色，隐晶质结构，厚层至块状构造。强风化（W[3]）层一般厚0～5m，岩体节理裂隙较发育。强风化层属Ⅳ级软石；弱风化层属Ⅴ级次坚石。本段隧道埋深约85m，设计为Ⅳ级围。
测区地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.45s。地下水对砼无侵蚀性。
2.3 设计情况
①衬砌结构：DK575+267～+320段采用Ⅳ级B型复合衬砌。
②支护措施：DK575+267～+320段采用拱墙格栅钢架，钢架间距1.2m，拱部！42超前小导管，环向间距0.5m，每环31根，每2.4m一环，每根长4m。
③施工方法：DK575+267～+320段采用台阶法施工。
④衬砌排水：本段二次衬砌背后设Φ50环向软式透水盲沟，每10m一环；两侧边墙脚设Φ80纵向透水盲沟，并每隔5～10m将地下水引入洞内侧沟。要求环向盲管、纵向盲管直接弯入隧道侧沟，纵向透水盲沟明暗衬砌段分别设置且不得连通。
⑤超前地质预报：
全隧采用以地质调查法为基础、超前导坑预报、物探及超前钻探为主进行综合超前地质预报，该段物探采用TSP203+红外探测，超前钻探采用超前钻孔（2孔）+加深炮眼（5孔），其中1孔取芯。该段应进行隧底隐伏岩溶探查。
在施工中，根据超前地质预测预报结果，对掌子面前方再次进行风险再评估，分析风险源和危害程度，及时优化调整措施，制订施工预案，确保安全。
⑥预案：
针对充填型溶洞制定了以下预案：在无突水突泥风险情况下，可在加强超前地质预报的前提下，有控制的揭开溶洞，揭开过程中应加强安全防护措施尤其是超前支护措施下，进行开挖支护。完成后通过物探、钻探等手段，查明溶洞的形态、界限、与隧道空间方位关系、地下水情况，分析围岩稳定性、充填物性质等，确定合理的方案后方可进行后续施工。
2.4 施工揭示地质条件及处理情况
①平导开挖揭示为灰岩，灰白色，弱风华，中厚～厚层状构造，节理较发育，岩体呈大块状结构，掌子面干燥，根据掌子面、地质超前预报资料初步判识PDK575+259～+279段围岩级别为Ⅲ级，同时正洞对应该段围岩级别调整为Ⅲ级，在开挖正洞时根据掌子面地质情况及超前地质预测预报资料及时调整围岩级别。
②正洞开挖至DK575+296～DK575+305段开挖揭示：右侧拱部及拱腰处发育溶洞，有少量充填物，开挖后掉落形成空腔，掌子面范围内可见高度约6m，横向宽度约2m，往拱部及右侧边墙开挖轮廓线外延伸约3m，溶腔壁干燥。DK575+305掌子面其余部分为灰岩，溶蚀严重，岩体被切割呈大块状，未见地下水，为Ⅳ级围岩。
根据开挖揭示的溶腔形态，对该段采用了拱墙I18钢架间距1.0m，初支背后空洞采用C20砼回填密实的处理措施。
③DK575+305掌子面拱顶溶腔充填物溜坍，溜坍量约300m3，掌子面被溜出物堵塞。溶腔形态不可见，充填物为松散结构的粉砂夹角砾，干燥。超前水平钻情况：DK575+305掌子面0～12m范围内为溶洞充填物，12～30m范围内为灰岩，围岩破碎，冲洗液为黄褐色。
为确保施工及结构安全，对DK575+305～+317段处理采用清除溜坍物、设置大管棚及加强初支的处理方法。
④DK575+305掌子面出渣时发现溜坍物为红粘土，夹杂植物根须及杂草，地表形成一直径约27m，深约15m的坑洞，坑底已被坍塌物掩盖。此坍塌范围距离隧道中线约30m，位于线路右侧。
为确保施工及结构安全，对DK575+305～317段采用V级C型复合衬砌断面开挖，采用全环I20b型钢钢架，钢架纵向间距0.6m/榀。大拱脚台阶法B型开挖，于塌坑外5m设置地表截水沟。截水沟排水排至塌陷处左侧原地表水沟内。该段环向盲管加密至5m一环。
⑤对DK575+305～DK575+317段地表塌坑现场勘察，该段二衬施做完毕后对地表塌坑进行回填，坑洞回填至原地表，洞顶部位施作50cm厚隔水层。
2.5 岩溶涌水涌泥造成隧道衬砌开裂及隧底补勘情况
2.5.1 岩溶涌水涌砂情况及衬砌裂损情况
DK575+267～DK575+320段于2013年9月完成二衬施作。
①岩溶涌水涌砂过程。
2014年7月12日突降暴雨，降雨持续约2h，雨量43.7mm，发现3#横通道（DK575+182）底板流出大量泥水混合物，并携带大量泥砂，查看正洞DK575+100～+350段发现仰拱填充已堆积大量泥砂，局部夹碎石及块石，可见最大粒径约3m，涌泥堆积物中心区域位于DK575+270～+320处，堆积物高度约2m，平均堆积高度约1m，堆积物主要位于线路右侧，观测DK575+270～+320段仍有2处较明显的涌水孔，持续涌出泥水混合物，持续时间约6小时。DK575+275～+288段衬砌施工缝可见明显渗水。
②现场核对涌水涌泥及衬砌裂损情况。
现场核实时涌水涌泥已停止，涌泥堆积体沿隧道纵向堆积长度约300m，涌出物体为颗粒不均匀，松散、潮湿～饱和状以砂砾为主，夹中细砂、碎石及块石，其中块石粒径0～3m，涌泥中心区DK575+270～+320处堆高1.8m，平均堆高约1.0m，主要位于隧道右侧，根据施工单位介绍及现场核实情况，估算此次涌水量约2万方，涌出物体约2400方。
DK575+275～+288段可见右侧仰拱及仰拱填充断裂隆起，DK575+267～+317段50m拱墙衬砌明显开裂，其裂纹呈不规则状，纵、环向为主，裂纹长度2～5m不等，宽度约1～2mm，裂纹及施工缝出现较明显错台，裂纹处有黄色渗水痕迹，施工缝有明显黄色渗水痕迹，并延伸至隧道拱腰位置。
2.5.2 隧底补勘地质情况
根据开挖揭示及DK575+275～+288段岩溶涌水涌泥造成隧道衬砌开裂情况，初步判识该段隧底存在隐伏岩溶，对本段开展了隧底地质补勘，共布置并完成钻孔15孔-359.1m钻探工作，在钻孔桩施工过程中，通过逐孔验桩对溶洞形态进一步核实，根据钻孔揭示：
①隧底岩溶发育形态：
DK575+274～DK575+320段钻孔揭示隧底下发育有充填型溶洞，溶洞主要位于线路右侧，发育深度总体呈左浅右深。溶洞纵向发育范围线路左侧为DK575+290～+320段共30m，隧底以下0～10m，顶板厚度0～5m不等；线路右侧纵向发育范围为DK575+274～+312段共38m，隧底以下0～22.8m，顶板厚0～12m不等。隧底溶洞横向范围未查明，可探范围内线路左侧DK575+295～+320段横向延伸至隧道左边墙外，右侧DK575+274～+310段横向延伸至隧道右边墙外。
DK575+277～+283段右侧钻孔揭示块石夹泥，推测该范围溶蚀破碎或溶缝（槽）发育。
②地层岩性：
DK575+267～+320段隧道基底上覆人工填土层（Q[4]（ml）），溶洞充填（Q[4]（ca））砂；下伏基岩为个旧组一段（T[2]g（1））灰岩、白云岩。地层岩性分述如下：
<1-5>人工填土（Q[4]（ml））：为隧道仰拱填筑土，以混凝土为主。
<2-11>砾砂（Q[4]（ca））：为溶洞充填物，颗粒不均匀，以砾砂为主，夹中细砂、碎石及块石，其中块石大小0～3m。松散，潮湿～饱和。根据钻孔揭示隧道基底溶洞厚度0～22.8m，溶洞顶板厚0～12m不等。存在流失可能性。
<14-5>灰岩、白云岩（T[2]g（1））：灰、灰白色，隐晶质结构，厚层至块状构造。强风化带（W[3]）及溶蚀破碎带（R[3]）厚0～10m，属Ⅳ级软石；弱风化（W[2]）属Ⅴ级次坚石。
③水文地質特征：
本段下伏地层为个旧组一段（T[2]g（1））灰岩、白云岩。地表岩溶槽谷、串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞等垂直岩溶形态发育。地表植被发育，阻碍地表水径流排泄，有利于大气降雨入渗式或注入式补给；在深部则以网络状岩溶裂隙、岩溶管道以及巨大的溶蚀～侵蚀洞穴为主。地下水具有庞大复杂的运移赋存空间，地下水十分丰富，径流复杂，常以岩溶大泉、暗河出露地表。向南盘江排泄。本段稳定水位埋深大，以雨季“过路水”为主。六郎隧道地下水通过地下复杂的岩溶管道总体由东西向西、由小里程向大里程方向径流。其中DK575+267～+320段处于垂直渗流带内，地下水以竖向径流为主，仅雨季有地表降水形成的“过路水”下渗。地表可见岩溶形态有溶蚀洼地、岩溶竖井、溶沟、溶槽等。雨季溶蚀洼地、溶洞内地下水流可能向四周辐射，或流向具有不确定性，与区域内地下水流总趋势可能不完全一致。
结合区域地质及水文地质资料综合分析，隧道地下水径流特征为：在1220m标高以上，地下水以垂直渗流为主，属垂直渗流带。地下水在构造条件控制下，沿构造线顺层分布，并通过地下复杂的岩溶管道运移，大致由东往西径流。
本段地下水对砼无侵蚀性。
④不良地质：
隧道穿越地层为碳酸盐岩地层，岩溶强烈发育，地表岩溶槽谷、串珠状分布的溶蚀洼地、落水洞等垂直岩溶形态发育；隧道通过段属地下水垂直渗流带。地下岩溶则以层间溶隙为主，在地表、地下水交替作用下，不断溶蚀，形成不同规模的溶洞，在自重应力作用下局部可产生塌陷，在其地表常见为规模不等的溶蚀洼地。DK575+267～+320段钻孔揭示基底下发育有充填型溶洞，充填物以砾砂主，夹中细砂、碎石及块石。松散，潮湿～饱和。溶洞高0～22.8m，顶板厚0～12m不等。
2.6 具体处理措施
根据施工中揭示的工程地质条件、施工中出现的岩溶涌水涌砂危害及补充勘察情况，为确保结构安全，开展DK575+267～+320段53m岩溶整治，其岩溶整治主要内容包括岩溶水引排，隧底框架跨越溶洞及相应的衬砌、支护调整，以及地表陷坑处理等。
2.6.1 岩溶水引排
根据施工揭示、岩溶涌水涌砂过程及补勘地质情况分析，衬砌裂损的主要原因为短时强降雨经地表汇集下渗引起岩溶通道堵塞形成较大水压，超出衬砌抗压能力所致。为确保运营安全，本次结合岩溶发育规模、充填物性质、地下水径流通道情况，对正洞DK575+267～+320段岩溶水利用线路左侧平导进行引排，具体如下：①于DK575+287处隧底桩板结构底部设置集水涵洞，涵洞高1.6m，宽2.0m，长14.42m。于线路右侧集水涵洞端头及涵洞洞身设Φ89集水钻孔，钻孔长15m，钻孔内设Φ75钢花管，外裹无纺布。涵洞左侧端头通过增设横通道与平导相连，横通道底部标高与涵洞地面齐平。②于DK575+305处设置一处集水横通道，横通道端头标高高于正洞对应里程轨面标高1.0m，横通道端头距正洞开挖轮廓线外5.0m。于横通道端头打设！89集水钻孔，共设3孔，钻孔长15m，钻孔内设Φ75钢花管，外裹无纺布。（图1）
2.6.2 岩溶整治
①DK575+267～DK575+274段。
1）该段开挖揭示为灰岩，岩体较完整，弱风化，中厚～厚层状构造，节理较发育，岩体呈大块状结构，本段围岩级别由施工图Ⅳ级调整为Ⅲ级衬砌结构。2）受岩溶涌水涌砂影响，该段拱墙衬砌明显开裂，根据补勘情况本段隧底未揭示充填性溶洞，为隧底岩溶发育影响段。3）根据衬砌裂损及补勘地质情况，为保证运营安全，该段衬砌进行拆除并补强重筑，采用Ⅲ级C型曲墙带仰拱钢筋砼衬砌结构。
②DK575+274～DK575+312段。
1）该段开挖揭示为溶蚀破碎带及充填性溶洞。其中DK575+274～+279段围岩级别由施工图Ⅳ级调整为Ⅲ级；DK575+279～+305段围岩级别为施工图Ⅳ级；DK575+305～+312段围岩级别由施工图Ⅳ级调整为Ⅴ级。
2）根据调整后的围岩级别，按施工图设计原则，其衬砌结构均采用曲墙带仰拱复合式衬砌，其中DK575+274～+279段采用Ⅲ级A型素砼衬砌结构；DK575+279～+305段采用台阶法开挖拱墙I18型钢钢架及拱部Φ42小导管加强支护，钢架间距1.0m，Ⅳ级B型钢筋砼结构；DK575+305～+312段采用大拱脚台阶法开挖辅以全环I20b型钢钢架及拱部Φ108大管棚超前支护，钢架间距0.6mⅤ级C型钢筋砼结构。
3）受岩溶涌水涌砂影响，DK575+274～DK575+312段拱墙衬砌明显开裂，DK575+275～+288段仰拱及仰拱填充隆起断裂，根据补勘情况本段隧底为充填性溶洞，隧底以下深度0～22.8m，充填物为砾砂。为确保运营安全及隧底处理期间施工安全，该段衬砌进行拆除并补强重筑。
4）隧底处理：
根据补勘揭示的隧底岩溶发育规模、充填物性质，对DK575+274～+312段隧底溶洞采取桩基框架结构跨越的措施，具体如下：
a. 钻孔桩桩径2.0m，桩长4m～28m，桩间距纵向6m，横向7.0m，共9根，采用C35钢筋混凝土，桩底嵌入基岩深度不小于2m。桩顶钢筋伸入横向梁1m，桩长从横向梁底面处算起。为保证成孔效果，孔口设置钢护筒锁扣。
b.桩顶施作C35钢筋混凝土横向梁，梁宽2.0m，高1.5m，长14.42m。横向梁分布于每排桩顶部，共设6根。
c.梁顶施作C35钢筋混凝土现浇板，板厚1.5m，宽14.42m，长38m。钢筋混凝土筏板于DK575+293处设1道变形。
③DK575+312～DK575+320段。
1）该段开挖揭示为充填性溶洞及溶蚀破碎带。其中DK575+312～+317段围岩级别由施工图Ⅳ级调整为Ⅴ级；DK575+317～+320段围岩级别为施工图Ⅳ级。
2）根據调整后的围岩级别，按施工图设计原则，其衬砌结构均采用曲墙带仰拱钢筋砼复合式衬砌，其中DK575+312～+317段采用大拱脚台阶法开挖辅以全环I20b型钢钢架及拱部Φ108大管棚超前支护，钢架间距0.6mⅤ级C型衬砌；DK575+317～+320段采用台阶法开挖辅以拱墙格栅钢架及拱部Φ42小导管加强支护，钢架间距1.2mⅣ级B型衬砌。
3）受岩溶涌水涌砂影响，DK575+312～DK575+317段拱墙衬砌明显开裂，根据补勘情况DK575+312～DK575+320段线路左侧隧底为充填性溶洞，隧底以下深度0～3m。根据衬砌裂损及补勘隧底情况，为确保运营安全及隧底处理期间施工安全，该段衬砌进行拆除并补强重筑，具体如下：
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更新时间：2024/12/23 1:39:52