喀斯特巖溶地區(qū)隧道施工塌方冒頂處理方案

焦艷彬 郜占紅 凡 偉 郭 果

(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081; 2.貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

巖溶導(dǎo)致的塌方突泥突水冒頂是喀斯特地區(qū)隧道建設(shè)中經(jīng)常遇到的難題，地下突泥、突水、地表塌陷給巖溶治理帶來新的挑戰(zhàn)，輕者帶來工期損失，重者造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，處理不善將會降低后期隧道使用可靠度甚至危害正常使用，損失不可估量。因此，妥善有效的處理方案對于巖溶隧道塌方冒頂施工就顯得尤為重要。

1 工程案例

1.1 工程概況

鳳凰隧道位于貴州省織金縣花紅村，隸屬于G321青山至織金城關(guān)段，為單洞雙線隧道，隧道設(shè)計(jì)時速40 km/h，建筑限界凈寬10.5 m，凈高5.0 m。隧道樁號為K1+640～K2+510，總長870 m，最大埋深約88 m。隧道平面線形進(jìn)口段位于直線段，出口段位于R=600 m的圓曲線上。隧道縱坡為人字坡，進(jìn)口段為1.14%上坡，洞身及出口段為-2.59%下坡。

1.2 工程地質(zhì)情況

主要地下水類型：基巖裂隙水、巖溶管道水，隧道沿線地下水位多低于隧道結(jié)構(gòu)底板。巖溶強(qiáng)發(fā)育，分期為山盆二期，發(fā)育高程為1 310 m～1 360 m。塌方段K2+063～K2+083原地質(zhì)劃分為Ⅳ級圍巖。

1.3 原支護(hù)類型

K2+063～K2+083段采用S-Ⅳa級復(fù)合式襯砌支護(hù)，支護(hù)形式分為超前支護(hù)+初期支護(hù)+二次襯砌。超前支護(hù)采用φ42×4 mm注漿小導(dǎo)管(L=4.0 m)，鋼管環(huán)向間距約40 cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撐于鋼架外側(cè)，每排小導(dǎo)管縱向至少需搭接1.0 m；初期支護(hù)采用22 cm厚噴射C20混凝土，掛φ6.5鋼筋網(wǎng)，打設(shè)φ22藥卷錨桿(L=3.0 m，間距80 cm×120 cm)，輔以φ22鎖腳錨桿，Ⅰ16型鋼拱架(間距80 cm)，預(yù)留變形量8 cm；二次襯砌采用40 cm厚C30二級配素混凝土。

2 冒頂過程

該段隧道從2018年4月初第一次巖溶處理至9月底最終處理完成前后經(jīng)歷了將近6個月的時間，主要經(jīng)歷了4個階段，每個階段施工方均進(jìn)行了針對性巖溶處理，但依然無法阻擋最終突泥冒頂?shù)陌l(fā)生，整個過程復(fù)雜多變，具體如下。

2.1 第一階段：原狀溶洞

2018年4月2日，隧道開挖至K2+063樁號，掌子面右邊墻靠近拱頂部位揭露一溶洞。溶洞總體沿垂直洞軸線方向發(fā)育，呈狹長型，寬度為2 m～4 m，可見高度大于17 m。溶洞內(nèi)充填塊、碎石及粘土，塊、碎石含量約70%，塊石最大粒徑3 m～4 m，一般粒徑10 cm～50 cm。開挖過程中地下水豐富，沿溶洞壁見股狀水流，水流量約3 L/s～8 L/s?？拷绊敳课话l(fā)育有一脫離母巖的大孤石，大孤石高度17 m～21 m，寬度3 m～4 m，厚度2 m～3 m。

2.2 第二階段：巖溶通道堵塞，初支變形

4月15日，隧道K2+070～K2+078樁號右邊墻系溶洞充填物區(qū)域，因爆破震動、排水不暢等原因，局部出現(xiàn)初支鋼支撐開裂(縫寬6 cm～8 cm)、初期支護(hù)變形，變形區(qū)域局部已侵占二襯斷面空間，邊墻多處出現(xiàn)滲流跡象。

2.3 第三階段：初期地表塌陷

5月19日，施工單位在進(jìn)行該部位下導(dǎo)坑及仰拱開挖時，拱頂至右側(cè)邊墻出現(xiàn)塌方，塌方量約150 m3，為黏土夾碎石，拱頂多處滲水，隧道施工通道被塌方阻斷；同時隧道上方地表出現(xiàn)塌陷，塌陷范圍約10 m×7 m，塌陷深度約2 m。

2.4 第四階段：突泥冒頂，塌坑呈漏斗狀

6月5日，處理工作尚未實(shí)施完畢，因連日降雨，K2+068～K2+080段洞內(nèi)出現(xiàn)大量塌方突泥，涌泥沖出冒頂樁號約60 m，地表深坑進(jìn)一步擴(kuò)大，塌方冒頂面貌見圖1，圖2。沿隧道軸線方向塌陷長度約50 m～60 m，平行于掌子面方向塌陷寬度約30 m，塌陷深度約30 m，塌陷方量約5 000 m3。受主汛期強(qiáng)降雨影響，地表匯水及巖溶管道水從塌坑內(nèi)流入洞內(nèi)，導(dǎo)致溶洞內(nèi)粘土填充物含水量增大呈軟～流塑狀，隧道進(jìn)口端有大量填充物從隧洞右邊墻溶洞口流入、擠入隧洞內(nèi)，處理工作停止施工。

3 處理方案

3.1 地質(zhì)補(bǔ)勘及冒頂原因分析

多次處理未果，塌坑冒頂范圍有逐漸擴(kuò)大的趨勢，危及臨近35 kV線塔，嚴(yán)重制約隧道建設(shè)工期，為進(jìn)一步摸清溶洞及管道發(fā)育規(guī)律，地勘進(jìn)行了地質(zhì)CT補(bǔ)勘工作。

通過補(bǔ)勘資料分析(分析資料見圖3)，塌陷坑地處分水埡口位置。地表的集雨面積相對較小，該塌陷坑內(nèi)，主要地下水來源為基巖裂隙水。地表的封閉、回填處理，對防止地下水(基巖裂隙水)匯入塌陷坑，作用不明顯。

巖溶破碎體主要集中在右側(cè)邊墻上下方區(qū)域，呈漏斗狀，填充物多為黏土夾碎石，周邊為厚狀灰?guī)r。隧道邊墻右上方原為沖蝕型空腔，局部為薄壁巖體，接近地表上方為覆蓋層，經(jīng)施工爆破震動局部巖體掉落，地表出現(xiàn)塌陷，原巖溶管道堵塞，造成水壓力不斷增大，初期支護(hù)變形。受汛期強(qiáng)降雨影響，填充物在水力作用下規(guī)模不斷壯大，使得逐漸變形失效的初期支護(hù)出現(xiàn)脆性破壞發(fā)生突泥冒頂。處理方案應(yīng)重視裂隙水的引排與漏斗充填物的加固，在超強(qiáng)支護(hù)措施處理下，使裂隙水巖溶管道改道并恢復(fù)正常流通。

3.2 處理措施

根據(jù)前幾次地表塌陷分析，巖溶塌陷發(fā)生前，均有強(qiáng)降雨情況。若在汛期施工，由于降雨的不可預(yù)測及處理周期，存在再次塌方的安全隱患，但隧道工期的迫切性不允許拖至枯期(10月份以后)再施工，結(jié)合當(dāng)前出口工作面即將貫通，該段巖溶處理具備雙工作面同時處理?xiàng)l件，可縮短處理周期，降低施工風(fēng)險。具體處理方案如下：

1)溶洞頂部塌坑周邊設(shè)警戒線防止人畜靠近，做好塌坑周邊臨時截排水措施，防止雨水繼續(xù)灌入塌坑及隧道內(nèi)，加強(qiáng)地表值班巡視和監(jiān)測。

2)根據(jù)天氣預(yù)報避開強(qiáng)降雨期，從進(jìn)出口兩個工作面同時施工，兩端采用石渣反壓回填形成施工平臺逐步接近溶洞部位，回填反壓長度10 m，在靠近溶洞口部位置(K2+083部位、K2+063部位)施作簡易鋼支撐噴混凝土套拱，采用管棚臺車打設(shè)φ108×6大管棚作為超前支護(hù)，管棚環(huán)向間距40 cm，單根長12 m，管棚中間交叉搭接長度不小于5 m，傾角5°～7°，管棚注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力1.5 MPa～2.0 MPa。打設(shè)φ50鋼花管作為排水孔，間排距1 m×1 m，呈梅花形布置。

3)上述措施施工完成后，K2+063～K2+083溶洞段輔以斜向注漿鋼花管超前對坍塌段進(jìn)行開挖拆換，斜向注漿鋼花管長4.5 m，環(huán)向間距80 cm，縱向間距50 cm，環(huán)向與超前大管棚間隔布置，注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力1.0 MPa～1.5 MPa，每循環(huán)斜向注漿鋼花管注漿完成后進(jìn)行逐榀開挖拆換，施工中加強(qiáng)監(jiān)控量測及安全管理，確保施工安全。

4)初期支護(hù)采用Ⅰ20b型鋼拱架，間距50 cm，設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)，噴28 cm厚C20混凝土，預(yù)留變形量28 cm，鋼拱架及初期支護(hù)封閉成環(huán)，上斷面開挖拆換完成后，及時開挖施工下臺階及仰拱，使支護(hù)結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。二次襯砌采用55 cm厚C30鋼筋混凝土，并加強(qiáng)該段二次襯砌鋼筋。加強(qiáng)K2+063～K2+083段兩端各10 m范圍內(nèi)二次襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

5)溶洞坍塌及前后10 m范圍內(nèi)加強(qiáng)隧道排水系統(tǒng)，環(huán)向排水管采用φ80打孔波紋管，縱向間距2 m/道。

6)隧道二次襯砌施工完畢并待混凝土達(dá)到齡期后，對溶洞頂部地表塌坑采用土石進(jìn)行分期分層回填，回填高度與較低一側(cè)齊平，并設(shè)不小于2%的坡度，確保塌坑內(nèi)不積水，待后期沉降穩(wěn)定后，對塌坑地表進(jìn)行噴播綠化。

7)施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)異常情況及時撤出人員及設(shè)備，并在該段設(shè)置逃生通道，以確保施工安全。

3.3 實(shí)施效果

鳳凰隧道K2+063～K2+083溶洞突泥冒頂段于7月中下旬開始雙工作面處理，8月中旬二襯順利通過，9月下旬完成上部冒頂塌陷洞回填，施工過程安全順利。至此歷經(jīng)將近6個月的溶洞冒頂處理全部完成，根據(jù)布設(shè)的位移監(jiān)測顯示，最大拱頂下沉量95 mm。通過近一年的監(jiān)控量測，地表下沉和二襯拱頂下沉已經(jīng)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過對該溶洞全階段跟蹤與處理，從最初的巖溶空腔衍化為巖溶管道堵塞鋼拱架變形，再到后來的大范圍塌陷冒頂與突泥，整個過程巖溶管道水是助推溶洞處理?xiàng)l件不斷惡化的重要因素。隧道溶洞處理應(yīng)加強(qiáng)對巖溶管道水的引排，避免回填堵塞，這是施工中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。巖溶空腔初期處理效果至關(guān)重要，加強(qiáng)措施、減少周邊擾動可降低溶洞塌方冒頂發(fā)生概率。雙向洞口回填反壓+大管棚超前注漿支護(hù)是隧道塌方突泥冒頂處理行之有效的方法，及時跟進(jìn)二襯形成閉環(huán)是降低安全風(fēng)險、減少二次塌陷風(fēng)險的重要手段。過程中須加強(qiáng)地表塌坑的管理，二襯達(dá)到齡期后方可分期分層回填，回填材料可選擇原狀土石或其他輕型材料，注重地表植被恢復(fù)和排水。此外，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報，地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性對決策至關(guān)重要。本文闡述了喀斯特巖溶地區(qū)鳳凰隧道塌方突泥冒頂?shù)奶幚矸桨?，該方案安全有效，可供類似工程的處理施工提供參考?/p>