淺談公路隧道溶洞冒頂成因分析與處治措施

張煥州

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

0 引 言

溶洞是自然水系對溶性巖層長期反復的侵蝕作用，造成地下巖層空洞、溝壑及懸谷等地質現象。伴隨著隧道穿越巖溶地段時經常會到巖溶造成隧道結構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，發生的山體巖層塌陷現象。

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、復合地基處理法及筑梁或拱結構跨越法等，一般綜合考慮溶洞地質、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通過法、大管棚超前支護通過法等，但塌方冒頂的原因各不相同，對應的處治方案也不同，如何安全、快速、經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境的水文地質情況結合溶洞冒頂情況進行分析，找出事故發生的成因，提出一種具有針對性，并且經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發生塌方冒頂；隧道K84+237～K84+320段，掌子面處出現兩個溶洞，經地質雷達探測，隧道范圍內出現多處溶洞。

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生塌方冒頂，并將K84+191～K84+223段已施做的超前小導管和I18工字鋼悉數砸壞。

2 水文地質情況

隧址區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泥灰巖、純灰巖為主，縫洞中存在泥質填充，填充的泥土較為潮濕；工程地質條件較差。

3 溶洞冒頂分析

3.1 地質自然原因

(1)溶洞往往處于地質破壞帶(斷層、破碎帶)，巖層結合性差，巖層易含水，該地帶摩擦系數降低，摩阻減弱；局部冒頂區附近有可能衍變為大冒頂、拱頂下沉、地表沉陷等。

(2)塌方區段位于沖溝坡體，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。

3.2 人為原因

(1)施工不規范，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，使巖體發生斷裂、破碎，圍巖應力重新分布達到再平衡，支護作用不及時時極易發生塌方冒頂。

4 溶洞塌方冒頂處置方案

為了預防再次發生塌方冒頂事故以及坍塌量增大，首要任務治理好塌穴外地表水和降水，其次是注漿加固穩定洞室內拱頂坍塌塌落物，待松散塌落物凝結穩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，塌穴口上方需搭設篷布防雨，篷布外緣處雨水要落入邊溝內，防止地表水和雨水進入塌穴內造成塌落體體量增加或發生二次塌落事故。

4.2 注漿加固穩定塌落物，同時增強支護措施。

原設計為SM3，現按照SM4a施工。現對洞室內拱頂坍塌堆積物進行封閉穩定，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，實現提高塌穴區域圍巖承載能力的目的。具體措施如下：

圖1 SM3復合襯砌設計圖

圖2 SM4a復合襯砌設計圖

(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，噴射20 cm厚C25混凝土封閉掌子面，然后打入Φ42 mm小導管，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，施工單位亦可根據自身的技術、設備情況采用三臺階環形開挖法，當采用三臺階環形開挖法時，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小導管注水泥水玻璃雙漿液，待其凝固后采用弧形導洞保留核心土法開挖，先開挖一側，完成初期支護后再開挖一側，要求及時打設鎖腳錨管和系統錨管，并注水泥水玻璃雙漿液，開挖后立即進行噴錨支護安設拱架；初期支護采用I20a鋼拱架(仰拱成環)，縱向間距50 cm；縱向連接筋采用Φ22 mm鋼筋，環向間距為100 cm，連接鋼筋在鋼拱架內外側交錯布置；掛Φ8鋼筋網@=25×25 cm；系統錨管采用長度為5.0 m，Φ42 mm鋼管(環縱間距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。中臺階設置臨時仰拱，采用I20a工字鋼支護。預留沉降量暫按照20 cm預留，并根據量測結果，動態調整。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預報工作，尤其要探明溶洞及其充填情況，做好緊急預案，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。

(4)待以上措施完成且二襯達到設計強度后，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 實施監測

在處理塌方段落的全過程，要加強監控量測，收集準確的數據，動態管理，結合收集數據優化支護參數，為工程推進提供反饋機制。

5 結 語

在偏遠山區建設公路隧道時，山體溶洞地質情況時常遇到，不同溶洞有不同的地質特點，如果發生坍塌冒頂事故，原因也是各有不同的，為了制定出科學合理、及時有效和經濟效益顯著的溶洞冒頂處治方案，必須與現場地質情況相結合，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的治理方案，希望可以為類似工程問題提供借鑒參考。