巖溶裂隙發育區隧道塌方冒頂誘因分析及控制研究*

趙宗波 謝永福 楊方林 王大兵 李 洲

(1.貴州橋梁建設集團有限責任公司 貴陽 550001; 2.貴州省交通建設工程質量監督執法支隊 貴陽 550001)

自十四五規劃以來,西南地區交通基礎設施得到了迅猛發展[1],地質條件復雜、施工難度大的隧道頻繁出現。巖溶(又稱喀斯特)在西南地區廣泛分布[2],其獨特的地貌環境和地質條件為坍塌冒頂等不良災害的發生提供了必要條件。在隧道穿越巖溶裂隙發育區時,易因超前地質預報工作不細致、設計階段地質調查深度不足、施工階段應對措施不合理等因素,而造成冒頂事故[3]。為保障隧道施工安全,研究巖溶裂隙發育區隧道塌方冒頂誘因及控制具有重要意義。

國內外隧道學者對各個地區隧道冒頂機理進行剖析并得到相關研究成果。王常金[4]以東皇廟隧道冒頂坍塌災害為依托,指出隧道受巖層構造及雨水天氣等誘因影響發生冒頂,并提出布置鋼花管等處治措施;鄒金杰等[5]以西部某山嶺隧道為例,基于“淺埋暗挖法”基本原理,提出隧道冒頂的治理關鍵在于輔助功法的選擇;胡強等[6]針對某風化花崗巖隧道塌方事故,通過現場調研及數據分析發現,花崗巖風化程度不同致使隧道圍巖具有強突變性,是隧道塌陷的根本原因;賈后省等[7]為探究冒頂事故頻發原因,基于保德礦回采巷道工程,采用數值模擬方法對圍巖主應力進行多角度分析,揭示圍巖應力場改變與冒頂災害的內在聯系。由上述研究結果可知,受隧道開挖過程中地質條件、開挖方式、支護結構等諸多因素的影響,隧道坍塌冒頂誘因復雜多變,當隧址區出現大范圍巖溶裂隙發育的復雜地質條件時,其治理方式仍需結合相關工程案例進行深入研究。

為此,本文以貴州省賢昌隧道穿越巖溶裂隙發育區發生嚴重冒頂坍塌事故為例。擬通過地質測繪、物探等方法,分析冒頂災害發生的關鍵誘因,總結提出相應處治措施。并通過現場收斂等監測驗證提出的綜合處治方案的有效性,以期為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

賢昌隧道位于貴州省麻江縣賢昌鄉與都勻市楊柳街鎮之間,該地區為中北亞熱帶濕潤季風氣候,雨量較為充沛。隧道全長5 759 m,最大埋深250 m。由于其地質條件極為復雜,屬于鐵路I級風險隧道。

隧址區上伏3條地下暗河,預計隧道施工過程中將發生大量的涌水情況,為保障隧道主洞的施工安全與進度,因此平行設置1條沿隧道縱向貫通的泄水洞,見圖1,與主洞距離為30 m,泄水洞進口里程DK0+000,出口里程DK5+035。泄水洞DK0+000-DK0+200段巖溶裂隙極為發育,圍巖為III～IV級,洞身圍巖主要為第四系坡殘積粉質黏土、角礫土、灰巖、灰巖夾頁巖,地質縱斷面見圖1b)。

1.2 隧道病害段支護設計

賢昌隧道泄水洞在DK0+047-DK0+107段勘測顯示段落圍巖等級為III級,故選取錨網噴支護作為支護結構。隧道拱頂設置直徑8 mm、網孔間距25 cm×25 cm鋼筋網片,拱墻采用直徑22 mm砂漿錨桿,錨桿長度為2 m,拱腳位置設置C30混凝土泄水槽,襯砌斷面見圖2。

圖2 泄水洞襯砌斷面圖(尺寸單位:cm)

2 隧道冒頂災害情況及原因分析

2.1 隧道冒頂災害情況

賢昌隧道泄水洞開挖至DK0+107時,掌子面處拱頂出現垮塌現象,局部存在少量擠出淤泥現象,見圖3a)。約10 h后,掌子面涌泥量突然增大,掌子面拱頂完全坍塌,見圖3b)。坍塌發生后,現場立即采用常規反壓回填掌子面方法抑制淤泥進一步擴展。然而,受隧道區多雨氣候影響,隧道淤泥涌出無法有效抑制。

圖3 掌子面現場圖

隧道上方山體隨后發生冒頂,冒頂面積約1 225 m2,山體表面距隧道洞頂約83 m,見圖4a)。洞內淤泥直接涌至隧道泄水洞進口處,淤泥涌出量約1 200～1 500 m3,涌出距離約100 m,見圖4b)。

圖4 隧道冒頂情況示意圖

2.2 隧道冒頂災害原因分析

隧道冒頂災害并非由單一因素引起,如圍巖強度、裂隙發育程度、施工工藝、裂隙水富集等都會造成隧道冒頂災害出現,需要結合現場施工情況進行綜合分析考慮。因而冒頂災害發生后,現場采用地質測繪、物探等勘察方法沿泄水洞軸線及冒頂段落處橫向進行補勘工作。經勘察發現,泄水洞DK0+107處存在大規模溶洞,溶腔于隧道縱向方向發育約15 m,橫向發育區域超出隧道兩側邊墻,溶洞內充填軟弱黏土,且溶洞周圍為巖溶裂隙發育區,其斷面示意見圖5。

圖5 巖溶裂隙發育橫斷面示意圖

基于補勘結果,結合溶洞發育規模、巖土特性、隧道襯砌結構等因素對隧道塌方冒頂原因分析如下。

1) 泄水洞塌陷區圍巖主要由灰巖夾強風化頁巖等軟巖組成,呈現破碎狀,裂隙水充分發育,致使洞頂、洞身圍巖缺乏自穩性,使得原支護結構無法滿足支護要求。

2) 泄水洞DK0+107掌子面正上方存在溶洞,溶洞內受到地表水及地下水長期作用,內部蘊藏大量軟弱黏土,其物理力學性質差,極易形成滑動面。在隧道開挖至其底部時,形成臨空面,造成隧道拱頂發生塌陷,以致洞身段地表冒頂。

3) 巖溶裂隙區地質條件復雜,初勘共設地質鉆孔22個,勘測密度較小,易導致地層存在的巖溶發育突變無法被探測。且在施工采用全斷面開挖推進過程中,對圍巖擾動過大,為隧道圍巖穩定性埋下隱患。

3 現場處治措施

考慮到隧道塌陷區巖石破碎及裂隙水充分發育,本研究采用以超前管棚注漿作為主要處置方式,并配合管棚間小導管注漿、加強初期支護、徑向注漿等輔助措施,旨在形成有效隧道加固圈,穩定和支撐塌陷區域圍巖,為后續施工提供良好條件。

3.1 洞外處治措施

該地區雨量豐富,為防止地表塌陷區受降雨影響,再次引發周邊沉陷,采用洞頂回填增強地表穩定性并進行防水施工。根據冒頂事故現場實際情況,并結合該洞口地質地形特征,對洞頂陷坑四壁及坑底加以網噴防護,設置C25噴射混凝土,厚度15 cm,回填噴射效果見圖6,噴射完成后采用隔水黏土回填。

圖6 洞頂處置情況

3.2 洞內處治措施

3.2.1清淤及多段臨時止漿墻

考慮該隧道地質條件復雜,圍巖等級較低,隧道清淤時采用“多段循環清淤+臨時止漿墻”工藝,將其分為洞口段、第一循環段、第二循環段,進行三段式循環清淤,在每段循環節點處設置止漿墻。其中洞口段清淤長度為50 m,并做好監控量測。由洞口清淤至指定位置處,回填洞渣注漿固結DK0+057處掌子面,設置3 m止漿墻,見圖7a)。然后施作第一循環全斷面注漿管,注漿管長25 m,間距1.0 m,由下至上隔空壓注,形成5 m厚范圍止漿墻,見圖7b)。待止漿墻達到設計強度后啟動止漿墻前20 m段落清淤,清淤至第一循環止漿墻位置施作第二循環全斷面注漿管,注漿管長30 m,間距1.0 m,形成10 m厚范圍止漿墻。待止漿墻達到設計強度后啟動止漿墻前段落清淤,見圖7c)。

圖7 隧道清淤示意圖

3.2.2超前大管棚

隧道塌陷區拱頂受災害影響完全坍塌,為形成有效拱頂結構,抑制淺埋松軟地層的變形,避免地層開挖中塌方現象的產生[8],故采用管棚超前支護的方法對塌陷區進行支護。管棚采用直徑108 mm鋼管,管棚中鋼管環向間距40 cm,共計19根。每處管棚長度35 m,管棚施工傾角不大于12°,管棚環向施工范圍為120°。管棚施工結束后及時進行管內注漿,漿液采用1∶1水泥漿液,注漿壓力為0.5～2.0 MPa,管棚施工示意圖見圖8。

圖8 管棚施工示意圖

塌陷區施工期間,內部堆積軟散巖土,如不能黏聚成整體,塌陷區內黏土不可避免會從管棚間隙掉落,引發洞口發生二次塌陷風險,故在管棚施工結束后正常掘進期間,管棚間采用超前小導管加強支護。小導管采用外徑42 mm、厚度3.5 mm的熱軋無縫鋼管,鋼管長度為4.5 m,小導管在每兩根管棚間施工,施工完成后采用1∶1水泥砂漿注漿,注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

對塌陷段輔以圍巖徑向加固,采取3 m圍巖徑向注漿設計。注漿孔漿液擴散半徑按2 m布設,注漿孔按梅花形布置,注漿材料采用普通水泥漿,注漿壓力1～1.5 MPa。

3.3 隧道冒頂治理效果

經采用“洞頂隔水黏土回填+多段循環清淤+臨時止漿墻+超前大管棚+徑向注漿”方案處置后,泄水洞坍塌冒頂災害得到充分控制。處治完成后為記錄現場隧道拱頂及周邊收斂情況,在隧道拱頂及兩側安裝應變計進行監測,經過為期28 d監測結果表明,隧道拱頂累計沉降量達到12.6 mm,拱腰累計收斂量達到13.9 mm。隧道處置完成初期,隧道收斂變形速率較快,16 d后趨于穩定、變形速率降低,隧道支護結構整體變形處于安全狀態,隧道收斂監測結果見圖9。基于現場施工結果的觀察與分析,所采用的隧道冒頂處置方案在提高圍巖承載能力、構筑隧道穩定結構,以及抵御隧道塌方冒頂方面取得顯著效果。

圖9 隧道收斂監測結果

4 結語

基于對隧道位于巖溶裂隙發育環境下出現隧道坍塌冒頂問題的深入分析,提出隧道坍塌冒頂處置針對性方法,主要結論如下。

1) 穿越巖溶裂隙發育區段的工程中,須及時獲取并準確了解隧道掌子面前方地質情況,以防止前方存在溶洞等不良地質條件下未采取相應的針對性措施,并選擇正確的掘進方式,避免對隧道圍巖造成過大擾動。

2) 隧道在軟弱圍巖地質條件下,單純采用常規掌子面回填無法有效遏制軟巖塌陷冒頂災害的發展,須結合實際工程具體情況進行針對性設計,避免塌陷后發生二次災害。

3) 采用“洞頂隔水黏土回填+多段循環清淤+臨時止漿墻+超前大管棚+徑向注漿”的處治措施可形成穩定而有效的隧道結構。經現場檢驗,該方法可有效應對巖溶裂隙發育區段隧道坍塌冒頂問題。