一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的施工方法与流程

1.本发明涉及隧道塌陷处施工的技术领域，尤其是涉及一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的施工方法。


背景技术：

2.隧道在修建时常常会穿越岩溶地质，由于岩溶形态特征主要有溶沟、地下暗河、溶洞等，在修建隧道时，很容易出现涌水或突泥引起的地面塌陷和地表沉降等，比如隧道洞顶处就时常会出现地表塌陷而形成坑洞，传统的做法是将涌出的填充物全部清理干净,在拱部施作护拱，充填厚河砂，用作缓冲层；在隧道底部溶腔施作钻孔灌注桩、打设桥台，现浇预制简支梁，简支梁上施作无砟轨道。对于倾角大于60
°
的溶洞，称之为大倾角溶洞或者垂直溶洞。
3.但是由于溶洞顶部存在掉块、雨期沿裂隙存在渗漏水问题，填砂抗缓冲能力有限，且易积水；在隧道底部，因溶腔外部均为灰岩，非爆破开挖十分困难，爆破开挖既对岩石造成损伤，易出现塌方险情；又扰动溶腔产生涌泥，造成安全隐患。采用桩基、承台、简支梁桥施工的工期较长，尤其是桩基深度太大，超过70米，在隧道内施工难度非常大，而且在隧道内施工完成的桩基、承台、简支梁，其沉降、收敛观测时间长，难以满足工期需要。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明提出了一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的加固体系及施工方法。
5.加固体系具体的是：
6.在隧道正洞穿过溶洞处的顶部自下往上依次修建有护拱、混凝土层、柔性缓冲层和防护层；
7.在隧道正洞穿过溶洞处的底部修建有拱桥，拱桥的上方填充有混凝土材料的填充层，在拱桥的两侧预留形成有2个拱形门洞，在填充层的上方浇筑有钢筋混凝土材料的底板；拱桥下方的基坑的底部设置有基础垫层；拱桥与基础垫层之间修建有承重竖墙。
8.为了使溶洞内的落石、涌水排出，同时为了施工方便和后期检修溶洞的顶部(防护层以上的部分)及基坑，在上述结构的基础上，加固体系还包括一条与隧道正洞平行的泄水洞，在竖直方向，所述泄水洞的底面高度低于底板的高度，这种设计有利于隧道内的落石、涌水排出。同时，在隧道正洞与泄水洞之间修建有横通道；
9.在泄水洞与隧道正洞穿过溶洞处的底部之间修建有施工横通道，施工横通道在基坑处的位于承重竖墙的两侧；
10.在横通道与保护层的上部之间修建迂回通道；所述迂回通道在保护层的上部的开口的底部边缘与保护层的底边重合或者略低于保护层的底边，目的是为了保护层上部的落石和涌水流出。
11.所述基础垫层包括圈梁、中间梁和垫层，所述基础垫层的高度的1/2处设置有若干
根深入溶洞壁的锚索；所述承重竖墙设置在中间梁上。
12.一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的施工方法，具体步骤如下：
13.(一)修建隧道顶部防护结构
14.在隧道正洞穿过溶洞处的顶部修建护拱，之后在护拱的顶部充填素混凝土形成混凝土层；在混凝土层的上部堆码沙袋，作为柔性缓冲层；最后，在柔性缓冲层的顶部浇筑钢筋混凝土形成防护层；
15.隧道顶部防护结构为隧道在溶洞处提供足够的支撑力的前提下，可以有效缓冲落石冲击力，又可以自动排水。
16.(二)修建基坑
17.在隧道正洞穿过溶洞处的底部进行基坑的开挖；
18.基坑开挖完成后，在基坑底部的四周的溶洞壁上打入锚索进行固定，一条锚索的自由端与另一条打入对侧溶洞壁的锚索的自由端使用卡扣锁紧；
19.在基坑底部的四周及中间使用钢筋架设钢筋梁，使锚索位于架设的钢筋梁的高度的1/2处；完成后浇筑混凝土形成圈梁和中间梁，最后在圈梁和中间梁之间的空白处浇筑混凝土，形成垫层，最终修建成厚度为40cm的基础垫层；
20.(三)修建拱桥
21.步骤(二)完成后，使用钢筋混凝土架设拱桥，完成后在拱桥的顶部浇筑素混凝土形成填充层；最后在填充层上部浇筑钢筋混凝土作为底板；
22.具体的：在拱桥4的基础位置(即拱脚位置)向两侧开挖，使拱桥的跨度大于基坑的宽度，使拱桥4的基础坐落在硬质的岩石(比如灰岩、玄武岩等)上；为了提高稳定性，可以在拱桥的拱脚位置向下、侧方斜45
°
的方向使用砂浆锚杆进行支护。
23.当混凝土达到设计的强度后，在拱桥的顶部浇筑c35素混凝土，形成填充层，并在拱桥的两侧预留形成2个拱形门洞。
24.最后在填充层的c35素混凝土达到设计的强度后，在填充层上部浇筑1.17m厚c35钢筋混凝土作为底板，所述底板为无砟轨道的底板(等同于仰拱填充层)；
25.为了施工方便同时为了后期检修溶洞的顶部(防护层以上的部分)及基坑，在步骤(一)之前，先在隧道正洞的旁边35
‑
45米处修建泄水洞，所述泄水洞与隧道正洞平行，泄水洞底面高度比底板的高度低2米以上；
26.在隧道正洞与泄水洞之间修建横通道；横通道是隧道正洞与泄水洞之间的施工通道；横通道与隧道正洞之间呈45
°
夹角；
27.在泄水洞与拱桥之下、基础垫层之上的空间之间修建施工横通道；施工横通道是泄水洞与溶腔基坑之间的施工通道；施工横通道的坡度不大于15％。
28.在横通道与保护层的上部(上部指的是保护层的底边的上部)之间修建迂回通道；所述迂回通道在保护层的上部的开口的底部边缘与保护层的底边重合或者略低于保护层的底边，目的是为了保护层上部的落石和涌水流出。迂回通道是探查溶洞与后期维护溶洞顶部的通道，同时，当溶洞顶部出现落石、涌水时，落石、涌水会顺着防护层的坡面及底边流入迂回通道，并沿迂回通道流入泄水洞。
29.拱桥架设好后，为了提高拱桥的承载能力，步骤(三)完成后，在拱桥下与基础垫层之间修建30cm厚的承重竖墙，所述承重竖墙的底部设置在基础垫层的中间梁上。为了方便
后期对基坑的检修，在承重竖墙上修建通道门，施工横通道在拱桥下的溶洞壁上的开口处位于承重竖墙的两侧。
30.本专利的穿过垂直涌泥溶洞处的加固体系及施工方法，在溶洞处隧道的顶部通过护拱、混凝土层、柔性缓冲层和防护层的结构，可以解决顶部不再往下灌泥、防水等问题，在隧道底部通过锚索、圈梁和基础垫层的结构可以解决底部不再往上涌泥的问题，在中部通过架设“三拱桥”、拱桥下增加承重竖墙的措施，确保拱桥稳定，并在桥上安全铺设无砟轨道，使铁路安全穿越涌泥溶洞。
附图说明
31.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
32.图1为隧道经过溶洞处的施工结构示意图；
33.图2为隧道经过溶洞处的施工结构示意图(图a
‑
a向示意图)；
34.图3为泄水洞与隧道正洞及溶洞的结构示意图；
35.图4为基坑俯视视角的结构示意图；
36.图5为基础垫层的结构示意图；
37.图6为承重竖墙的结构示意图；
38.图7为防护层与迂回通道的位置、结构示意图。
具体实施方式
39.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
40.实施例1
41.如图1和图2所示，一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的加固体系，具体的是：
42.在隧道正洞1穿过溶洞处的顶部自下往上依次修建有护拱1
‑
1、混凝土层1
‑
2、柔性缓冲层1
‑
3和防护层1
‑
4；
43.在隧道正洞1穿过溶洞处的底部修建有拱桥4，拱桥4的上方填充有混凝土材料的填充层4
‑
1，在拱桥4的两侧预留形成有2个拱形门洞4
‑
2，在填充层4
‑
1的上方浇筑有钢筋混凝土材料的底板4
‑
3；拱桥4下方的基坑3的底部设置有基础垫层3
‑
1；拱桥4与基础垫层3
‑
1之间修建有承重竖墙4
‑
4。
44.如图1
‑
3所示，作为一种优选的方案，为了使溶洞内的落石、涌水排出，同时为了施工方便和后期检修溶洞的顶部(防护层1
‑
4以上的部分)及基坑3，在上述结构的基础上，加固体系还包括一条与隧道正洞1平行的泄水洞2，在竖直方向，所述泄水洞2的底面高度低于底板4
‑
3的高度，这种设计有利于隧道内的落石、涌水排出。同时，在隧道正洞1与泄水洞2之间修建有横通道2
‑
1；
45.在泄水洞2与隧道正洞1穿过溶洞处的底部之间修建有施工横通道2
‑
2，施工横通道2
‑
2在基坑3处的位于承重竖墙4
‑
4的两侧；
46.在横通道2
‑
1与保护层1
‑
4的上部之间修建迂回通道2
‑
3；所述迂回通道2
‑
3在保护层1
‑
4的上部的开口的底部边缘与保护层1
‑
4的底边重合或者略低于保护层1
‑
4的底边，目的是为了保护层上部的落石和涌水流出。
47.所述防护层1
‑
4呈锥体型，下宽上窄，锥顶向远离迂回通道2
‑
3的一侧倾斜，锥顶向远离迂回通道2
‑
3的一侧倾斜会在靠近迂回通道2
‑
3的一侧形成面积更大的坡面，溶洞顶部的落石落下来后，会有更多的落石直接落在靠近迂回通道2
‑
3的一侧的坡面上，落到坡面后在重力的作用下会直接从坡面上滚入迂回通道2
‑
3或者滚落到迂回通道2
‑
3的入口处；实际上，如图7所示，防护层1
‑
4呈锥体型并非是一个规则的锥体型，因为在一个水平面，溶洞的壁并非一个规则的圆形，上图a为规则的锥体型，下图b为不规则的锥体型。
48.如图5所示，所述基础垫层3
‑
1包括圈梁3
‑
11、中间梁3
‑
12和垫层3
‑
13，所述基础垫层3
‑
1的高度的1/2处设置有若干根深入溶洞壁的锚索3
‑
14；如图6所示，所述承重竖墙4
‑
4设置在中间梁3
‑
12上。
49.实施例2
50.一种高速铁路双线隧道穿过垂直涌泥溶洞时的施工方法，具体步骤如下：
51.(一)修建隧道顶部防护结构
52.在隧道正洞1穿过溶洞处的顶部修建护拱1
‑
1，之后在护拱1
‑
1的顶部充填素混凝土形成混凝土层1
‑
2；在混凝土层1
‑
2的上部堆码沙袋，作为柔性缓冲层1
‑
3；最后，在柔性缓冲层1
‑
3的顶部浇筑钢筋混凝土形成防护层1
‑
4；
53.修建护拱1
‑
1时，首先使用管棚法(pipe
‑
shed method)进行预支护，然后修建钢筋混凝土护拱；具体的：在护拱轮廓线外10cm处使用φ159钢管1
‑
11进行预支护，钢管1
‑
11间距50cm，然后修建2m厚c35钢筋混凝土护拱1
‑
12，环向钢筋φ25@20cm(φ25指的是钢筋的直径是25mm，@20cm指的是钢筋的分布间距是20cm)、纵向钢筋φ14@25cm，排距1.9m，采用衬砌台车作为护拱模板；
54.在护拱1
‑
1的混凝土达到设计的强度后，在护拱1
‑
1的顶部充填4.0m厚的c20素混凝土形成混凝土层1
‑
2；
55.在混凝土层1
‑
2的混凝土达到设计强度75％后，在混凝土层1
‑
2的上部堆码1.5m厚沙袋，作为柔性缓冲层1
‑
3；
56.最后，在柔性缓冲层1
‑
3的顶部浇筑钢筋混凝土形成防护层1
‑
4；
57.具体的：在柔性缓冲层1
‑
3的顶部浇筑钢筋混凝土，纵、环向钢筋均为φ14@20cm，排距15cm；防护层1
‑
4设置的目的是溶洞出现落石、涌水时，落石、涌水沿迂回通道2
‑
3流出并且经过泄水洞2排出。
58.隧道顶部防护结构为隧道在溶洞处提供足够的支撑力的前提下，可以有效缓冲落石冲击力，又可以自动排水。
59.(二)修建基坑
60.在隧道正洞1穿过溶洞处的底部进行基坑3的开挖；基坑开挖过程中，如果溶洞壁的岩石岩性较弱(比如砂质页岩、破碎岩等)基坑3开挖过程中在溶洞壁上采用喷锚支护，随挖随护。基坑侧壁打设φ22砂浆锚杆3
‑
2梅花形布置，间距1.0
×
1.0m，每根锚杆长4m(长度
可以根据岩石的岩性设定)；布设φ8钢筋网，200
×
200mm；喷c25混凝土，厚10cm。喷锚支护完成后，在基坑3的四周采用钢管柱围檩3
‑
3作为临时加固，确保基坑3施工的安全，施工完成后拆除。如图4所示。
61.如图5所示，基坑3开挖完成后，在基坑3底部的四周的溶洞壁上打入锚索3
‑
14进行固定，一条锚索3
‑
14的自由端与另一条打入对侧溶洞壁的锚索3
‑
14的自由端使用卡扣3
‑
15锁紧；
62.在基坑3底部的四周及中间使用钢筋架设钢筋梁，使锚索3
‑
14位于架设的钢筋梁的高度的1/2处；完成后浇筑混凝土形成圈梁3
‑
11和中间梁3
‑
12，最后在圈梁3
‑
11和中间梁3
‑
12之间的空白处浇筑混凝土，形成垫层3
‑
13，最终修建成厚度为40cm的基础垫层3
‑
1；
63.(三)修建拱桥
64.步骤(二)完成后，使用钢筋混凝土架设拱桥4，完成后在拱桥4的顶部浇筑素混凝土形成填充层4
‑
1；最后在填充层4
‑
1上部浇筑钢筋混凝土作为底板4
‑
3；
65.具体的：在拱桥4的基础位置(即拱脚位置)向两侧开挖，使拱桥4的跨度大于基坑的宽度，使拱桥4的基础坐落在硬质的岩石(比如灰岩、玄武岩等)上；为了提高稳定性，可以在拱桥4的拱脚位置向斜45
°
的方向使用砂浆锚杆进行支护。
66.在基坑底部搭设满堂支架，安装底模，绑扎拱桥钢筋，安装侧模、顶模，左右幅之间预留施工缝，浇筑混凝土；
67.当混凝土达到设计的强度后，在拱桥4的顶部浇筑c35素混凝土，形成填充层4
‑
1，并在拱桥4的两侧预留形成2个拱形门洞4
‑
2；素混凝土指的是无筋或不配置受力钢筋的混凝土。
68.最后在填充层4
‑
1的c35素混凝土达到设计的强度后，在填充层4
‑
1上部浇筑1.17m厚c35钢筋混凝土作为底板4
‑
3，环向钢筋φ25@20cm、纵向钢筋φ14@25cm，沿地面绑扎钢筋，排距55cm；所述底板4
‑
3为无砟轨道的底板(等同于仰拱填充层)；
69.如图1
‑
图3所示，作为一种优选的方案，为了施工方便同时为了后期检修溶洞的顶部(防护层1
‑
4以上的部分)及基坑3，在步骤(一)之前，先在隧道正洞1的旁边35
‑
45米处修建泄水洞2，所述泄水洞2与隧道正洞1平行，泄水洞2底面高度比底板4
‑
3的高度低2米以上；
70.在隧道正洞1与泄水洞2之间修建横通道2
‑
1；横通道2
‑
1是隧道正洞1与泄水洞2之间的施工通道；横通道2
‑
1与隧道正洞1之间呈45
°
夹角；
71.在泄水洞2与拱桥4之下、基础垫层3
‑
1之上的空间之间修建施工横通道2
‑
2；施工横通道2
‑
2是泄水洞2与溶腔基坑之间的施工通道；施工横通道2
‑
2的坡度不大于15％。
72.在横通道2
‑
1与保护层1
‑
4的上部(上部指的是保护层1
‑
4的底边的上部)之间修建迂回通道2
‑
3；如图7所示，所述迂回通道2
‑
3在保护层1
‑
4的上部的开口的底部边缘与保护层1
‑
4的底边重合或者略低于保护层1
‑
4的底边，目的是为了保护层上部的落石和涌水流出。迂回通道2
‑
3是探查溶洞与后期维护溶洞顶部的通道，同时，当溶洞顶部出现落石、涌水时，落石、涌水会顺着防护层1
‑
4的坡面及底边流入迂回通道2
‑
3，并沿迂回通道2
‑
3流入泄水洞2。
73.拱桥4架设好后，为了提高拱桥4的承载能力，步骤(三)完成后，在拱桥4下与基础垫层3
‑
1之间修建30cm厚的承重竖墙4
‑
4，所述承重竖墙4
‑
4的底部设置在基础垫层3
‑
1的中间梁3
‑
12上。如图6所示，为了方便后期对基坑3的检修，在承重竖墙4
‑
4上修建通道门4
‑
41，
施工横通道2
‑
2在拱桥4下的溶洞壁上的开口处位于承重竖墙4
‑
4的两侧。
74.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。