淺談公路隧道溶洞冒頂成因分析與處治措施

張煥州

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

溶洞是自然水系對溶性巖層長期反復(fù)的侵蝕作用，造成地下巖層空洞、溝壑及懸谷等地質(zhì)現(xiàn)象。伴隨著隧道穿越巖溶地段時經(jīng)常會到巖溶造成隧道結(jié)構(gòu)物部分或全部懸空的危害；塌方冒頂是指固有平衡的山體壓力遭到破壞，發(fā)生的山體巖層塌陷現(xiàn)象。

常用的溶洞處理措施有換填封堵法、注漿加固法、樁基處理法、復(fù)合地基處理法及筑梁或拱結(jié)構(gòu)跨越法等，一般綜合考慮溶洞地質(zhì)、水文條件、工期等選用，沒有一種通用的處理方法。

常用的塌方冒頂病害處治方法有注漿固結(jié)通過法、大管棚超前支護通過法等，但塌方冒頂?shù)脑蚋鞑幌嗤瑢?yīng)的處治方案也不同，如何安全、快速、經(jīng)濟地處治塌方冒頂病害仍值得研究。

本文以山西某隧道溶洞坍塌冒頂處理為背景資料，通過對該隧道所處周圍環(huán)境的水文地質(zhì)情況結(jié)合溶洞冒頂情況進行分析，找出事故發(fā)生的成因，提出一種具有針對性，并且經(jīng)濟合理有效的處治方案，為類似工程提供參考。

1 工程概況

山西某隧道為為分離式雙洞隧道，左洞全長542 m，右洞全長647 m。隧道由進出口雙向掘進，右洞進口樁號K84+186，明洞長5.0 m。進口掘進掌子面樁號K84+255.8，仰拱K84+228；出口掘進掌子面樁號K84+263.8，仰拱K84+297，二襯樁號K84+307。隧道右洞K84+310發(fā)生塌方冒頂；隧道K84+237～K84+320段，掌子面處出現(xiàn)兩個溶洞，經(jīng)地質(zhì)雷達探測，隧道范圍內(nèi)出現(xiàn)多處溶洞。

本隧道K84+191～K84+337段平均覆蓋層厚度約13 m(淺埋段)，開挖至K84+191～K84+223、K84+297～K84+337段掌子面處時因近期雨天頻繁作用而發(fā)生塌方冒頂，并將K84+191～K84+223段已施做的超前小導(dǎo)管和I18工字鋼悉數(shù)砸壞。

2 水文地質(zhì)情況

隧址區(qū)地下水主要有松散層孔隙水、基巖裂隙水以及巖溶裂隙水三種類型。近年來隨著地表水體水位下降，對溶洞的補充作用減弱，使得隧底原本較為發(fā)育的溶洞逐漸干涸。隧址周邊地形起伏較大，地貌屬溶蝕中山地貌，圍巖巖層破碎且以白云質(zhì)泥灰?guī)r、純灰?guī)r為主，縫洞中存在泥質(zhì)填充，填充的泥土較為潮濕；工程地質(zhì)條件較差。

3 溶洞冒頂分析

3.1 地質(zhì)自然原因

(1)溶洞往往處于地質(zhì)破壞帶(斷層、破碎帶)，巖層結(jié)合性差，巖層易含水，該地帶摩擦系數(shù)降低，摩阻減弱；局部冒頂區(qū)附近有可能衍變?yōu)榇竺绊敗⒐绊斚鲁痢⒌乇沓料莸取?/p>

(2)塌方區(qū)段位于沖溝坡體，圍巖為松散巖土堆。

(3)近期雨天頻繁，降雨量驟增，地表水和雨水下滲，客觀上加速了圍巖軟化失穩(wěn)。

3.2 人為原因

(1)施工不規(guī)范，掌子面、仰拱和二襯距離過遠。

(2)前期沖溝及右洞反壓回填工作不到位，回填高度及范圍不夠。

(3)施工擾動，隧道施工開挖破壞了巖體原本平衡山體壓力，使巖體發(fā)生斷裂、破碎，圍巖應(yīng)力重新分布達到再平衡，支護作用不及時時極易發(fā)生塌方冒頂。

4 溶洞塌方冒頂處置方案

為了預(yù)防再次發(fā)生塌方冒頂事故以及坍塌量增大，首要任務(wù)治理好塌穴外地表水和降水，其次是注漿加固穩(wěn)定洞室內(nèi)拱頂坍塌塌落物，待松散塌落物凝結(jié)穩(wěn)定后再清理出洞室外，隨之采用超前支護措施輔助進洞、加強后的支護方案進行開挖，最后對塌方冒頂位置進行監(jiān)控量測，以確保隧道工程順利推進。

4.1 治理地表水和雨水

地表水和雨水軟化圍巖，導(dǎo)致巖溶塌陷，固有山體壓力平衡被破壞，故須針對溶洞冒頂區(qū)域的地表水和雨水采取治理措施。具體措施如下：

①地表沿塌體邊沿5 m以外施做地表截水溝，防止地表水和雨水滲入塌體。

②在塌穴口周邊1 m處開挖排水邊溝并做溝底防滲處理，以防止地表水滲入，塌穴口上方需搭設(shè)篷布防雨，篷布外緣處雨水要落入邊溝內(nèi)，防止地表水和雨水進入塌穴內(nèi)造成塌落體體量增加或發(fā)生二次塌落事故。

4.2 注漿加固穩(wěn)定塌落物，同時增強支護措施。

原設(shè)計為SM3，現(xiàn)按照SM4a施工。現(xiàn)對洞室內(nèi)拱頂坍塌堆積物進行封閉穩(wěn)定，對拱頂部位的坍塌物進行注漿加固，待其加固強度達到要求后被清理至洞室以外，最后采取加強的支護措施，實現(xiàn)提高塌穴區(qū)域圍巖承載能力的目的。具體措施如下：

圖1 SM3復(fù)合襯砌設(shè)計圖

圖2 SM4a復(fù)合襯砌設(shè)計圖

(1)塌方堆積體掌子面注漿封閉

采用洞碴對塌方段K84+310堆積體回填反壓并夯實，掛Φ8 mm@25×25 cm鋼筋網(wǎng)，噴射20 cm厚C25混凝土封閉掌子面，然后打入Φ42 mm小導(dǎo)管，長度6.0 m@120×120 cm，梅花型布置，縱向搭接長度1.0 m，并灌注水泥漿，同時加強臨時支護，采用I20a工字鋼進行扇形支護，并增設(shè)臨時仰拱。

(2)塌方段的開挖和支護方案

塌方段施工可采用CD法，施工單位亦可根據(jù)自身的技術(shù)、設(shè)備情況采用三臺階環(huán)形開挖法，當采用三臺階環(huán)形開挖法時，上臺階長度1.5 m～3.0 m，距拱頂3.0 m左右，中臺階長度2～5 m，高度為3.4 m左右，下臺階長度3～5 m，高度為3.9 m左右。仰拱整體開挖推進，每循環(huán)長度控制在2～3 m(臺階總長度不大于10 m，仰拱至掌子面不大于15 m，二襯至掌子面不大于25 m)。

塌方段的開挖和支護應(yīng)堅持“管超前、短進尺、少擾動、快封閉、勤量測”的原則。

塌方段超前支護采用Φ42 mm小導(dǎo)管注水泥水玻璃雙漿液，待其凝固后采用弧形導(dǎo)洞保留核心土法開挖，先開挖一側(cè)，完成初期支護后再開挖一側(cè)，要求及時打設(shè)鎖腳錨管和系統(tǒng)錨管，并注水泥水玻璃雙漿液，開挖后立即進行噴錨支護安設(shè)拱架；初期支護采用I20a鋼拱架(仰拱成環(huán))，縱向間距50 cm；縱向連接筋采用Φ22 mm鋼筋，環(huán)向間距為100 cm，連接鋼筋在鋼拱架內(nèi)外側(cè)交錯布置；掛Φ8鋼筋網(wǎng)@=25×25 cm；系統(tǒng)錨管采用長度為5.0 m，Φ42 mm鋼管(環(huán)縱間距100×50 cm)；鎖腳錨管采用長度5.0 m，Φ42 mm鋼管，傾角水平向下45°，管內(nèi)填注水泥砂漿；噴C25早強混凝土26 cm。上臺階每榀鋼拱架頂部支立一根直徑不小于Φ20 cm的圓木立柱，圓木下端墊方木或鋼板。中臺階設(shè)置臨時仰拱，采用I20a工字鋼支護。預(yù)留沉降量暫按照20 cm預(yù)留，并根據(jù)量測結(jié)果，動態(tài)調(diào)整。塌方段二次襯砌采用50 cm、C25鋼筋混凝土。

(3)隧道右洞暫停掘進，待處理好溶洞回填及二襯施工后再向前開挖，同時做好掌子面前方地質(zhì)預(yù)報工作，尤其要探明溶洞及其充填情況，做好緊急預(yù)案，保證施工安全。前方Ⅳ級圍巖施工采用上下臺階法施工，上下臺階長度5～6 m，二襯距上臺階距離小于15 m。及時做好初支、二襯，使襯砌盡快閉合成環(huán)。

(4)待以上措施完成且二襯達到設(shè)計強度后，先采用碎石土回填溶洞塌穴，隨之用C25混凝土進行封閉處理，最后對山谷沖溝采用M7.5漿砌片石進行改溝。

4.3 實施監(jiān)測

在處理塌方段落的全過程，要加強監(jiān)控量測，收集準確的數(shù)據(jù)，動態(tài)管理，結(jié)合收集數(shù)據(jù)優(yōu)化支護參數(shù)，為工程推進提供反饋機制。

5 結(jié) 語

在偏遠山區(qū)建設(shè)公路隧道時，山體溶洞地質(zhì)情況時常遇到，不同溶洞有不同的地質(zhì)特點，如果發(fā)生坍塌冒頂事故，原因也是各有不同的，為了制定出科學(xué)合理、及時有效和經(jīng)濟效益顯著的溶洞冒頂處治方案，必須與現(xiàn)場地質(zhì)情況相結(jié)合，這樣隧道工程順利推進才有保障。通過此次制定針對隧道溶洞冒頂?shù)闹卫矸桨福Ｍ梢詾轭愃乒こ虇栴}提供借鑒參考。