喀斯特巖溶地區隧道施工塌方冒頂處理方案

焦艷彬 郜占紅 凡 偉 郭 果

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081; 2.貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

巖溶導致的塌方突泥突水冒頂是喀斯特地區隧道建設中經常遇到的難題，地下突泥、突水、地表塌陷給巖溶治理帶來新的挑戰，輕者帶來工期損失，重者造成人員傷亡和財產損失，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青山至織金城關段，為單洞雙線隧道，隧道設計時速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，進口段為1.14%上坡，洞身及出口段為-2.59%下坡。

1.2 工程地質情況

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構底板。巖溶強發育，分期為山盆二期，發育高程為1 310 m～1 360 m。塌方段K2+063～K2+083原地質劃分為Ⅳ級圍巖。

1.3 原支護類型

K2+063～K2+083段采用S-Ⅳa級復合式襯砌支護，支護形式分為超前支護+初期支護+二次襯砌。超前支護采用φ42×4 mm注漿小導管(L=4.0 m)，鋼管環向間距約40 cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撐于鋼架外側，每排小導管縱向至少需搭接1.0 m；初期支護采用22 cm厚噴射C20混凝土，掛φ6.5鋼筋網，打設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歷了將近6個月的時間，主要經歷了4個階段，每個階段施工方均進行了針對性巖溶處理，但依然無法阻擋最終突泥冒頂的發生，整個過程復雜多變，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育，呈狹長型，寬度為2 m～4 m，可見高度大于17 m。溶洞內充填塊、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。靠近拱頂部位發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域，因爆破震動、排水不暢等原因，局部出現初支鋼支撐開裂(縫寬6 cm～8 cm)、初期支護變形，變形區域局部已侵占二襯斷面空間，邊墻多處出現滲流跡象。

2.3 第三階段：初期地表塌陷

5月19日，施工單位在進行該部位下導坑及仰拱開挖時，拱頂至右側邊墻出現塌方，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，處理工作尚未實施完畢，因連日降雨，K2+068～K2+080段洞內出現大量塌方突泥，涌泥沖出冒頂樁號約60 m，地表深坑進一步擴大，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。受主汛期強降雨影響，地表匯水及巖溶管道水從塌坑內流入洞內，導致溶洞內粘土填充物含水量增大呈軟～流塑狀，隧道進口端有大量填充物從隧洞右邊墻溶洞口流入、擠入隧洞內，處理工作停止施工。

3 處理方案

3.1 地質補勘及冒頂原因分析

多次處理未果，塌坑冒頂范圍有逐漸擴大的趨勢，危及臨近35 kV線塔，嚴重制約隧道建設工期，為進一步摸清溶洞及管道發育規律，地勘進行了地質CT補勘工作。

通過補勘資料分析(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，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邊墻上下方區域，呈漏斗狀，填充物多為黏土夾碎石，周邊為厚狀灰巖。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，經施工爆破震動局部巖體掉落，地表出現塌陷，原巖溶管道堵塞，造成水壓力不斷增大，初期支護變形。受汛期強降雨影響，填充物在水力作用下規模不斷壯大，使得逐漸變形失效的初期支護出現脆性破壞發生突泥冒頂。處理方案應重視裂隙水的引排與漏斗充填物的加固，在超強支護措施處理下，使裂隙水巖溶管道改道并恢復正常流通。

3.2 處理措施

根據前幾次地表塌陷分析，巖溶塌陷發生前，均有強降雨情況。若在汛期施工，由于降雨的不可預測及處理周期，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，結合當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條件，可縮短處理周期，降低施工風險。具體處理方案如下：

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

2)根據天氣預報避開強降雨期，從進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φ108×6大管棚作為超前支護，管棚環向間距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行開挖拆換，斜向注漿鋼花管長4.5 m，環向間距80 cm，縱向間距50 cm，環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，每循環斜向注漿鋼花管注漿完成后進行逐榀開挖拆換，施工中加強監控量測及安全管理，確保施工安全。

4)初期支護采用Ⅰ20b型鋼拱架，間距50 cm，設置雙層鋼筋網，噴28 cm厚C20混凝土，預留變形量28 cm，鋼拱架及初期支護封閉成環，上斷面開挖拆換完成后，及時開挖施工下臺階及仰拱，使支護結構封閉成環。二次襯砌采用55 cm厚C30鋼筋混凝土，并加強該段二次襯砌鋼筋。加強K2+063～K2+083段兩端各10 m范圍內二次襯砌鋼筋混凝土結構。

5)溶洞坍塌及前后10 m范圍內加強隧道排水系統，環向排水管采用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到齡期后，對溶洞頂部地表塌坑采用土石進行分期分層回填，回填高度與較低一側齊平，并設不小于2%的坡度，確保塌坑內不積水，待后期沉降穩定后，對塌坑地表進行噴播綠化。

7)施工過程中加強監控量測，發現異常情況及時撤出人員及設備，并在該段設置逃生通道，以確保施工安全。

3.3 實施效果

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。至此歷經將近6個月的溶洞冒頂處理全部完成，根據布設的位移監測顯示，最大拱頂下沉量95 mm。通過近一年的監控量測，地表下沉和二襯拱頂下沉已經穩定。

4 結語

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條件不斷惡化的重要因素。隧道溶洞處理應加強對巖溶管道水的引排，避免回填堵塞，這是施工中的難點和重點。巖溶空腔初期處理效果至關重要，加強措施、減少周邊擾動可降低溶洞塌方冒頂發生概率。雙向洞口回填反壓+大管棚超前注漿支護是隧道塌方突泥冒頂處理行之有效的方法，及時跟進二襯形成閉環是降低安全風險、減少二次塌陷風險的重要手段。過程中須加強地表塌坑的管理，二襯達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，注重地表植被恢復和排水。此外，施工過程中應加強地質超前預報，地質資料的準確性對決策至關重要。本文闡述了喀斯特巖溶地區鳳凰隧道塌方突泥冒頂的處理方案，該方案安全有效，可供類似工程的處理施工提供參考。