巖溶隧道塌方形成機理及處治對策研究

肖吉維

（湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000）

0 引言

巖溶作為一種特殊的地質條件，在我國分布面積達國土面積的13%，廣泛分布于廣西、云南、貴州、四川、湖北、山西、山東等地區。近年來，隨著國家高速公路建設規模的不斷增加，高速公路隧道逐漸向崇山峻嶺、地質條件復雜地區邁進，巖溶隧道也越來越多。巖溶隧道在施工過程中，極易因巖溶水的泄放、溶洞填充物的塌陷而改變圍巖原有應力分布情況，導致圍巖整體穩定性差，誘發隧道掌子面突泥、涌水、掉塊、塌方等地質災害，對隧道施工安全造成極大的威脅。

近年來，國內外學者們針對巖溶隧道開展了大量而深入的研究工作，宋瑞剛[1]結合巖溶隧道的工程特點，分析其對隧道安全性的影響，總結勘察設計經驗及施工方案；林國濤[2]結合工程案例，深入分析巖溶與隧道的位置關系，利用力學分析手段研究巖溶隧道的突泥機理及防治措施；呂言新[3]針對大瑤山隧道高壓、富水、巖溶分布多的特征，研究巖溶隧道注漿堵水措施，為巖溶隧道施工安全提供技術支撐；解東升[4]分析了高風險巖溶隧道在施工過程中產生突水突泥病害的主要影響因素，提出突水突泥預測技術體系。本文在前人研究的基礎上，結合四方山巖溶隧道的工程實例，全面分析其工程特性，研究其塌方形成機理，并有針對性地制定巖溶隧道塌方處治對策，為類似研究工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

四方山隧道為特長分離式隧道，其左右線長度分別為3 405 m、3 390 m。隧址區屬低山丘陵區，隧道進出口處坡面均較為平緩，其坡角約為25°～35°，坡體兩側分布有小型溝壑，其走向與隧道軸線平行。隧址區處于復式背斜地形，其巖層整體呈單斜構造，中部夾有褶皺，地層裂隙較為發育。隧道穿越地層主要為砂巖、石灰巖，其節理裂隙發育，且地下水系發育，溶洞分布較多，圍巖整體穩定性較差，對施工安全影響較大。該隧道地形地貌現場情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口地形地貌情況

1.2 氣象及水文條件

隧址區氣候條件屬典型的亞熱帶溫濕氣候，四季分明，局部小氣候效應明顯，雨量充沛。隧址區年平均降雨量達950 mm，每年5月至9月為汛期。隧址區河流較多，均屬珠江水系，地表降雨、河流形成的地表水水量較大，同時由于隧址區橫坡較為平緩，地表水極易下滲，溶洞內水量補給充足。隧址區地下水類型主要為裂隙潛水、孔隙水、巖溶水等，其主要來源為入滲補給及區域外滲流補給。

1.3 地層巖性

根據隧址區勘探資料顯示，隧址區地層情況主要為第四系殘坡積層（Q4el+dl）、三疊系下統羅樓群（T11）灰巖、砂巖，以及侏羅紀下統汪門組J1w砂巖，其地層從上到下依次為：

a）第四系殘坡積層（Q4el+dl）巖體呈褐色，主要有碎石、黏土組成，巖層厚度為0.5～28.0 m之間，主要分布于地表斜坡平緩地帶，為隧道洞口段的主要圍巖。

b）三疊系下統羅樓群（T11）灰巖 巖體呈灰黃色，主要由長石、石英、伊利石、蒙脫石組成，顆粒較細，呈中薄層構造，弱風化，圍巖完整性較差。

c）三疊系下統羅樓群（T11）砂巖 巖體呈灰白色，主要由長石、石英、云母組成，顆粒成分為中細粒，呈厚層構造，弱風化，圍巖完整性相對較好。

1.4 隧道設計參數

圖2 隧道支護結構設計圖

該隧道設計理念采用新奧法原理，施工工法采用上下臺階法，循環進尺不大于1.5 m。隧道初期支護結構采用I20a型鋼拱架，其沿隧道軸向間距為65 cm，鋼拱架為全環形設計；兩榀鋼拱架之間設置有內外兩層連接鋼筋，其環形間距為0.8 m，內外層交錯設置；鋼筋網片采用φ8鋼筋，其內外兩層的間距均為20×20 cm；系統錨桿采用Φ22砂漿錨桿，長度為4 m，環向間距為1 m，縱向間距為0.65 m；噴射混凝土采用26 cm厚的C25混凝土，二次襯砌采用厚度為50 cm的C25鋼筋混凝土，隧道支護結構參數的具體情況如圖2所示。

2 塌方形成過程及機理分析

2.1 塌方具體形成過程

隧道左線進口開挖至ZK76+748時，掌子面后方已施作完成的初期支護出現掉塊現象，并發出明顯的混凝土開裂聲，隨后現場人員緊急撤離。后經現場觀察后發現，該段隧道初期支護產生多條裂縫，且隨著時間的推移，初期支護變形不斷增大，裂縫持續發展，隧道拱頂及拱腰部位產生明顯剪切變形。同時，局部格柵鋼架嚴重扭曲，混凝土開裂嚴重，最終發展為隧道塌方。

塌方發生時，大量溶洞填充物涌出，其主要由碎石土、黏性土組成，呈流塑狀，結構較為松散。塌方體涌入隧道后，堵塞整個隧道開挖面，其沿隧道軸向長度約15 m，塌方量達1 200 m3；塌方共導致7榀格柵鋼架嚴重變形，且該段隧道初期支護嚴重破損，需進行拆除重新施工。本次塌方空間位置分布情況如圖3所示，現場具體情況如圖4所示。

圖3 塌方空間位置分布示意圖（單位：m）

圖4 隧道塌方現場情況

2.2 塌方形成機理分析

隧道掌子面前方存在大型溶洞，其內部填充有碎石、黏性土，結構疏松，強度較低，而在隧道施工過程中，圍巖在開挖卸荷作用下受到擾動，溶洞內填充物穩定性遭受破壞。然而，在地質勘察過程中并未準確預測到該溶洞，導致該段隧道在施工過程中仍采用常規手段，初期支護強度并未加強，導致初期支護強度不足以支撐溶洞內填充物的壓力，使得初期支護產生大變形，溶洞填充物及上部圍巖坍塌，涌入隧道內部，形成塌方體。

隧址區內地下水豐富，地表水補給充分，且隧道圍巖結構疏松，滲透性較好，導致地下水滲入溶洞，而溶洞內部填充物含有大量的黏性土，其在地下水作用下呈流塑狀，強度極差。在開挖卸荷作用下，圍巖應力重新分布，原有隧道支護結構不足以支撐其荷載，導致隧道塌方的發生。

3 塌方處治對策

3.1 基本穩定區的處治

隧道塌方發生后，對于已施作初期支護但未施作二襯部分，其未產生變形破壞的隧道段可視為基本穩定區。為最大限度保證基本穩定區的整體穩定性，避免后期變形影響到該區域，該項目采用“早封閉、二襯快跟進”的防治措施，其中二次襯砌可采用跳躍式施工方法，即在巖溶地段應先施作離溶洞最近的隧道段二襯，避免初期支護產生過大變形。對于局部無法盡快施工的二襯段，應采用小導管注漿法對隧道徑向圍巖進行注漿加固，其注漿管長度不小于3 m，孔位分布間距為1.0×1.0 m，呈梅花型布設。注漿管前端應加工成錐形，管壁上布設有直徑為8 mm的小孔，孔間距為5×5 cm。漿液可根據圍巖具體情況采用水泥漿液或水泥-水玻璃漿液，其注漿壓力不小于1.5 MPa。隧道開挖過程中，下臺階與上臺階錯開距離不小于3 m，仰拱及時施作，盡快成環。

3.2 塌方影響區的處治

隧道塌方掌子面后方10 m范圍內可界定為塌方影響區，其初期支護變形較大，格柵鋼架扭曲變形嚴重，因此需對其進行換拱處治，并對其圍巖進行注漿加固。首先，拆除原有格柵鋼架，鑿除侵限的初支噴射混凝土，安裝I20a型鋼拱架，縱向間距為0.7 m，并焊接雙層鋼筋網片，其間距為20×20 cm；隨后噴射25 cm厚的C25混凝土，并打設鎖腳錨桿，其采用直徑為25 mm、長度為3.5 m的砂漿錨桿，其具體布設情況如圖5所示。在隧道圍巖注漿方面，采用直徑為42 mm、長度為6 m的小導管，其外插角度為30°，環向間距為1.0 m，縱向間距為1.5 m，呈梅花型布設；漿液可采用水泥-水玻璃雙漿液，水玻璃濃度應為35波美度，注漿壓力不小于1.5 MPa。

對影響區內的塌方體處治過程中，應采用微臺階掘進法，預留核心土，保證開挖體整體穩定，對局部存在的大型孤石應切割后再進行開挖，不宜采用爆破開挖法，其循環進尺不應大于0.5 m，仰拱應盡快封閉成環，其現場具體情況如圖6所示。

圖5 隧道塌方影響區處治結構示意圖

圖6 隧道塌方影響區塌方體處治現場情況

3.3 塌方發生區的處治

對于隧道塌方發生區，主要采用加強支護、注漿加固及陷穴回填措施進行處治。首先，將原有支護結構型式變更為“鋼拱架+鎖腳錨管+環向小導管+雙層鋼筋網+C30噴射混凝土”的支護結構型式，其鋼拱架采用I20a型，縱向間距為0.5 m，連接鋼筋采用Φ22螺紋鋼，環向間距為1.0 m；錨管采用直徑為42 mm的小導管，長度不小于3.5 m；鋼筋網片采用φ8鋼筋，其間距為20×20 cm，搭接長度不小于10 cm。在陷穴填充方面，首先通過布設小導管對陷穴空腔內塌方體進行注漿，待注漿體強度形成后，通過導管泵送早強混凝土，第一次填充50%，待混凝土強度達80%后，再填充第二次，填充至100%，其具體處治措施如圖7所示。

圖7 隧道塌方區處治結構示意圖

4 結論

a）該隧道在施工過程中產生塌方主要原因在于3個方面，首先隧道掌子面前方存在大型溶洞，其內部填充有碎石、黏性土，結構疏松，強度較低，在施工擾動，溶洞內填充物穩定性遭受破壞；其次，溶洞段隧道支護結構強度未加強，無法承受其填充物壓力，導致初期支護結構產生大變形；最后，溶洞內部填充物含有大量的黏性土，在地下水作用下呈流塑狀，強度極差，進一步加劇了塌方的產生。

b）對于隧道基本穩定區，應采用“早封閉、二襯快跟進”的防治措施，二次襯砌可采用跳躍式施工方法，而對于局部無法盡快施工的二襯段，應采用小導管注漿法對隧道徑向圍巖進行注漿加固；對于塌方影響區，因初期支護變形較大，鋼拱架扭曲變形嚴重，需對其進行換拱處治，并對其圍巖進行注漿加固；對于隧道塌方發生區，主要采用加強支護、注漿加固及陷穴回填措施進行處治。