巖溶地貌隧道穿越不良地質(zhì)處理技術(shù)

姜海東

(中國鐵建投資集團有限公司，廣東 珠海 519000)

1 工程概況

貴州省安紫高速公路舊州隧道位于貴州省安順市舊州鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程YK5+665～YK6+685，長度1 320 m，分離式長隧道，最大埋深約184 m。場區(qū)地處云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，總體地勢北高南低。地貌類型為溶蝕構(gòu)造型低中山地貌，山體植被發(fā)育，進出口均位于斜坡上。路線K6+305處為九龍山背斜核部，隧道和背斜交角84°，受背斜構(gòu)造影響，場區(qū)巖層扭曲，背斜核部產(chǎn)狀陡，向兩側(cè)巖層產(chǎn)狀稍緩，區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層通過。場區(qū)巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，呈網(wǎng)格狀，中風(fēng)化層內(nèi)節(jié)理面較為平滑，多呈閉合狀，強風(fēng)化層中節(jié)理裂隙多呈張開狀，多為無充填，局部見粘土充填，巖體被節(jié)理裂隙切割成塊狀。

隧道通過區(qū)域土體的工程地質(zhì)特性：碎石土，灰黃色，灰色，碎石成分為灰?guī)r、硅質(zhì)巖及泥巖，粒徑20～40 mm，含量約占50%～70%，主要分布于隧道進出口地層上部，厚0～10.4 m；隧道通過區(qū)域巖體的工程地質(zhì)特性：隧道區(qū)下伏基巖為薄至中厚層泥巖、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)粉砂巖互層偶夾薄煤層、厚層狀灰?guī)r，根據(jù)場區(qū)的硬度與完整性，將場區(qū)巖層劃分為強、中風(fēng)化兩層。隧道進口段155 m、出口段215 m均為V級圍巖，中間950 m為Ⅲ、Ⅳ級圍巖交替分布，其中Ⅲ級圍巖占比20%，Ⅳ級圍巖占比52%。Ⅳ、V級圍巖隧道斷面如圖1所示。施工過程中場區(qū)不良地質(zhì)主要表現(xiàn)為巖溶、采空區(qū)、塌腔、突泥等。

注：Ⅳ級圍巖支護參數(shù)，?8 mm鋼筋網(wǎng)25 cm×25 cm，I14型鋼拱架，間距100 cm，20 cm厚C20噴射混凝土，350 g/m2無紡?fù)凉げ挤浪澹?0 cm厚C30二次襯砌，?20 mm藥卷錨桿，L=3.0 m，錨桿間距100 cm×120 cm(縱×環(huán))梅花形布置。V級圍巖支護參數(shù)，?8 mm鋼筋網(wǎng)20 cm×20 cm，I20b型鋼拱架，間距60 cm，26 cm厚C25氣密性纖維噴射混凝土，5 mm厚聚乙烯閉孔泡沫板，1.2 mm厚CW-S型橡膠瓦斯隔離板，50 cm厚C40防腐蝕氣密性鋼筋砼，?25 mm中空注漿錨桿，L=3.5 m，間距60 cm×120 cm(縱×環(huán))梅花形布置

2 采空區(qū)處理施工技術(shù)

2.1 基本情況

設(shè)計情況：隧道埋深約60 m，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，無自穩(wěn)能力，隧道淺埋，無支護時受振動易產(chǎn)生大規(guī)模崩塌及掉塊甚至冒頂。設(shè)計階段在ZK6+790處鉆孔，未揭示存在采空區(qū)。

超前地質(zhì)預(yù)報：掌子面巖體主要為中風(fēng)化～強風(fēng)化硅質(zhì)巖，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部含軟弱夾泥，巖體呈破碎狀，結(jié)合性較差，整體穩(wěn)定性一般。地質(zhì)雷達預(yù)報結(jié)果顯示，掌子面前方巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能存在裂隙破碎帶或小型裂隙孔洞并充填泥層，開挖過程中支護不及時易發(fā)生拱頂?shù)魤K及塌方。通過超前水平鉆孔方式揭示掌子面前方地質(zhì)情況，在掌子面拱頂及兩側(cè)拱腰鉆孔均未發(fā)現(xiàn)軟弱夾層及溶洞填充物。

采空區(qū)揭示：設(shè)計資料及超前地質(zhì)預(yù)報均未揭示出掌子面前方拱頂存在采空區(qū)，施工過程中，開挖至ZK6+733里程處(設(shè)計為IV圍巖)，采空區(qū)內(nèi)填充物從掌子面拱頂塌落。對地表及洞內(nèi)采取臨時加固處理措施后，采用超前鉆孔及地質(zhì)雷達對采空區(qū)進行揭示。洞內(nèi)采空區(qū)橫向尺寸約7 m,縱向尺寸約8 m,深度約6 m。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，洞內(nèi)掌子面附近初期支護無明顯變形，支護結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定，隧道開挖面上方地表出現(xiàn)局部沉陷，最大沉陷深度達1.5 m，沉陷尺寸約為5 m×8 m。現(xiàn)場狀況見圖2、圖3。

圖2 地表沉陷情況 圖3 采空區(qū)填充物塌落

2.2 應(yīng)急處理措施

地表：沉陷區(qū)四周開挖截水溝，頂部搭設(shè)防雨棚，表面涂抹5 cm厚水泥砂漿，附近埋設(shè)沉降觀測點，專人監(jiān)測。洞內(nèi)：將采空區(qū)內(nèi)塌落填充物進行清理，對拱頂塌腔進行臨時加固封閉，掌子面拱頂采用長度2 m的I14工字鋼縱向置于2榀I18環(huán)向拱架頂部，I14工字鋼間距30 cm，I18環(huán)向拱架間距60 cm，掛網(wǎng)噴射混凝土進行封閉，見圖4。

圖4 洞內(nèi)臨時加固處理

2.3 地表處理措施

洞內(nèi)空腔處理完成后，沿沉陷區(qū)邊緣斜向下打設(shè)長度3.5 m的?42 mm×4 mm鋼花管，鋼花管間距1 m，注水泥-水玻璃雙液漿，加固周邊土體。沉陷區(qū)表面鋪設(shè)直徑20 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm，鋼筋網(wǎng)與周邊鋼花管焊接牢固，鋼筋網(wǎng)片搭接長度不小于20 cm并焊接連接，沉陷區(qū)范圍噴射20 cm厚C25混凝土覆蓋。

2.4 洞內(nèi)處理措施

掌子面前方采空區(qū)影響范圍初期支護施工時，對支護參數(shù)進行調(diào)整，初期支護進行局部加強處理。采用雙層直徑10 mm鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格尺寸20 cm×20 cm)代替單層直徑8 mm鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格尺寸25 cm×25 cm)；采用I18工字鋼代替I14工字鋼，間距由100 cm調(diào)整為60 cm；噴射25 cm厚C20混凝土，采用長度3.5 m?25 mm中空注漿錨桿(間距：環(huán)向×縱向=120 cm×60 cm)代替長度3.0 m?20 mm藥卷錨桿(間距：環(huán)向×縱向=120 cm×100 cm)；預(yù)留吹砂孔及泵送混凝土管，該范圍初期支護施工完成后，泵送3 m厚C20混凝土護拱，再吹砂回填，吹砂厚度不小于100 cm。具體處理措施如圖5所示。

圖5 ZK6+733～ZK6+724采空區(qū)處理(單位：cm)

3 溶洞處理施工技術(shù)

3.1 開挖輪廓外發(fā)育小型溶洞

對隧道拱頂及拱腰以上發(fā)育深度小于3 m的溶洞，清除填充物，初期支護施作完成后分次泵送C15混凝土回填。對于隧道邊墻發(fā)育高度小于3 m的溶洞，用干砌片石回填，并采用厚度不小于2 m的M7.5漿砌片石進行封堵。對于隧道仰拱及路面下發(fā)育深度小于3 m的溶洞，清除溶洞填充物后采用C15片石混凝土回填。

3.2 拱腰以上發(fā)育大型溶洞

3.2.1 基本情況

ZK6+000～ZK6+015段設(shè)計為IV級圍巖，施工過程中，掌子面開挖至ZK6+000里程處，掌子面前方及拱頂出現(xiàn)溶洞，溶洞高度約20 m，最大寬度約15 m，沿隧道縱向長度約15 m，并有約50 cm寬裂隙向隧道大里程方向發(fā)育，裂隙內(nèi)有水滲出，裂縫發(fā)育長度未見，溶洞內(nèi)由黃色粘土夾雜大塊孤石填充，受開挖振動影響部分粘土及孤石塌落，剩余粘土及孤石處于不穩(wěn)定狀態(tài)，溶洞內(nèi)有點滴狀水流沿側(cè)壁下落。

3.2.2 情況分析

(1)設(shè)計情況：ZK6+600處隧道埋深約140 m，圍巖為中風(fēng)化泥巖、硅質(zhì)巖，受背斜構(gòu)造影響，節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，巖石軟硬相間，自穩(wěn)能力差，無支護時受振動易產(chǎn)生變形、擠壓破壞和塌方。該段處于底層界限接觸帶，可溶巖巖溶化程度高，隧道開挖可能發(fā)生突水、突泥等不良現(xiàn)象。在ZK5+960地表處鉆孔在孔深58.5～61.5 m段遇一溶洞，上部為粘土充填，下部為細砂充填。

(2)超前地質(zhì)預(yù)報：掌子面較潮濕，無明顯成股水流，巖體為強風(fēng)化泥巖、硅質(zhì)巖，夾雜軟弱夾層，節(jié)理裂隙發(fā)育程度高，巖體極破碎，巖體裂隙水發(fā)育，承載能力差，巖體結(jié)合性較差，整體穩(wěn)定性差，出現(xiàn)涌水、突泥、塌方和填充型溶洞風(fēng)險較高，建議圍巖等級為V級。

(3)地表調(diào)查及地下水情況：地表山體植被發(fā)育，多為灌木，地表水通過溝谷往兩側(cè)地勢較為平緩谷地排泄，水體主要靠下滲及地表徑流排泄，隧道設(shè)計標(biāo)高高于最低排水基準(zhǔn)面，地表水主要由大氣降水補給，水量小，受季節(jié)影響明顯。場區(qū)地下水類型為松散巖類裂隙孔隙水、強風(fēng)化層基巖裂隙水和巖溶水。

(4)分析判定：根據(jù)設(shè)計情況、超前地質(zhì)預(yù)報情況，結(jié)合地表實地調(diào)查及洞內(nèi)滲水情況分析，掌子面及溶洞內(nèi)均無明顯成股水流，僅有表面裂隙滲水，施工時間為8月中下旬，正值雨季，降雨期施工過程中未發(fā)現(xiàn)溶洞內(nèi)水流有明顯增大情況，綜合判定該溶洞與地表間未形成直接水流通道，溶洞內(nèi)滲水主要通過基巖裂隙水補給產(chǎn)生。

3.2.3 處理方案

由于ZK6+000掌子面拱頂上方溶洞中的粘土及孤石處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故采用機械設(shè)備進行洞渣回填，回填過程中預(yù)留混凝土泵送管及吹砂管，隧道兩側(cè)分別預(yù)留3根?108 mm排水管，排水管長度7～8 m。回填至拱頂下方1.5 m時，采用砂袋碼砌封口，向拱頂泵送C20混凝土，混凝土厚度不小于4.5 m，然后向混凝土頂部吹砂，吹砂厚度不小于1.5 m；后續(xù)施工過程中，ZK6+000～ZK6+020支護參數(shù)由IV級調(diào)整為V級，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，超前小導(dǎo)管由一排增加為兩排，小導(dǎo)管采用?42 mm×4 mm熱軋無縫鋼管，長度為4.0 m，環(huán)向間距均為40 cm，縱向間距分別為2.4 m和1.8 m，角度分別為10～15°和30～40°，小導(dǎo)管尾端焊接Φ8 mm鋼筋加強箍并固定在鋼拱架上，取消雙排小導(dǎo)管處系統(tǒng)錨桿；保留原設(shè)計防水板、無紡?fù)凉げ冀Y(jié)構(gòu)防水層，每10 m增設(shè)3根環(huán)向排水管。具體處理措施如圖6所示[1-3]。

圖6 ZK6+000溶洞回填處置

4 涌泥處理施工技術(shù)

4.1 基本情況

YK6+614～YK6+604段設(shè)計為IV級圍巖，開挖至YK6+614里程處，進行初期支護施工過程中，掌子面拱頂開始有水滲出，隨后滲出渾濁水流，施工人員撤離現(xiàn)場，最后大量溶洞充填物從拱頂涌出，發(fā)生涌泥，涌出物呈流塑狀，堆積體坡腳至掌子面距離約10 m，坡腳外流出泥漿狀物長度30 m，平均厚度60 cm，涌出物約700 m3。受涌泥及坍塌影響，YK6+614～YK6+626段拱頂出現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫長度1.0～1.5 m，拱頂局部產(chǎn)生沉降。

4.2 應(yīng)急處理措施

逐段清除坍塌體至YK6+624附近，清理過程中設(shè)專職安全員觀察洞內(nèi)情況，若發(fā)現(xiàn)坍塌體有往外擠出等二次坍塌涌泥跡象，應(yīng)立即停止清理工作，并及時撤出人員及機械，確保施工安全。清泥至YK6+624附近后，為便于機械行走及防止坍塌繼續(xù)，逐步采用塊石及石渣對坍塌體進行擠壓換填，形成作業(yè)平臺，清除涌泥至YK6+614附近后，對坍塌體采用20 cm厚C20噴射混凝土封閉，然后采用6 m長?42 mm×4 mm注漿鋼花管對坍塌體進行注漿加固，然后進行超前地質(zhì)預(yù)報探測坍塌長度及坍塌塌腔邊界。同時盡快施工右洞仰拱及二次襯砌，盡量將二次襯砌跟進至坍塌段附近，為坍塌段處治做好準(zhǔn)備工作。

4.3 超前地質(zhì)預(yù)報情況

通過采取超前水平鉆孔及地質(zhì)雷達探測，判定造成涌泥及坍塌的原因是：掌子面前方拱頂發(fā)育一填充型溶洞，YK6+614掌子面前方巖體局部發(fā)育裂隙破碎帶并富水，裂隙間存在軟弱夾層，巖體結(jié)合性差，開挖后自穩(wěn)能力差，掌子面巖體易產(chǎn)生擠壓變形，開挖后掌子面巖體產(chǎn)生振動，不能承受拱頂溶洞填充物的重力，導(dǎo)致填充物涌出。由于拱頂溶洞存在，掌子面前方10 m范圍內(nèi)圍巖等級由IV級調(diào)整為V級。根據(jù)超前水平鉆孔揭示，掌子面前方25 m范圍均為巖土體充填，無溶洞發(fā)育；通過斜向上超前鉆孔揭示，涌泥塌空區(qū)前方拱頂被1～2 m厚填充物覆蓋，覆蓋物頂部存在塌方空洞，溶洞沿隧道縱向長度約18 m(YK6+612～YK6+594)，受鉆孔角度限制，未能揭示出溶洞具體高度；地質(zhì)雷達有效探測范圍所探測出塌空區(qū)初步尺寸：寬度為1～8 m,長度為18 m，高度為4～7 m。

4.4 掌子面前方加固處理措施

在掌子面拱頂部打設(shè)2孔泄水孔進行排水；YK6+614～YK6+630段兩側(cè)拱腳部位各補打2根3.5 m長?42 mm×4 mm鎖腳小導(dǎo)管，拱部120°范圍內(nèi)采用4 m長?42 mm×4 mm小導(dǎo)管注漿加固圍巖，小導(dǎo)管梅花形布置，間距1.0 m×0.8 m(環(huán)×縱)；將YK6+614～YK6+604襯砌類型由WS-IVa調(diào)整為WS-Va，采用間距60 cmI20a工字鋼代替間距100 cmI14工字鋼；采用?108 mm超前大管棚代替超前小導(dǎo)管，管棚長度15 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向排距2.4 m，共布設(shè)3排；YK6+614～YK6+604段初期支護施作過程中，在拱頂溶腔部位預(yù)埋混凝土泵送管及吹砂管，待初期支護穩(wěn)定后泵送C20混凝土填充溶腔，混凝土厚度不小于3 m，混凝土泵送完成后進行吹砂，吹砂厚度不小于1 m；YK6+614～YK6+604段增設(shè)2根環(huán)向排水管排水。具體處理措施見圖7。

4.5 掌子面后方影響段加固處理措施

對掌子面后方Y(jié)K6+614～YK6+624段已完成初期支護進行加固處理，具體措施為：拱頂每2榀拱架間補打6根?42 mm×4 mm注漿小導(dǎo)管，環(huán)向間距40 cm，對掌子面后方影響區(qū)拱頂注漿加固；每處拱腳工字鋼接頭部位增設(shè)2根3.5 m長?42 mm×4 mm鎖腳錨桿并注漿加固；在初支噴射混凝土內(nèi)側(cè)增加環(huán)向臨時I18工字鋼支護，工字鋼間距1 m且應(yīng)與初支緊貼。待初期支護穩(wěn)定后，對侵限超過10 cm處工字鋼單元進行換拱處理，換拱時掌子面不得進行施工，換拱應(yīng)逐榀進行拆換。侵限未超過10 cm部分采取對二次襯砌加強措施，將原設(shè)計的二次襯砌素混凝土調(diào)整為鋼筋混凝土。

5 結(jié)束語

舊州隧道施工過中遇到溶洞、采空區(qū)、坍塌、涌泥等多種不良地質(zhì)，通過調(diào)整圍巖等級及支護參數(shù)，采取管棚加固、小導(dǎo)管加密注漿、泵送混凝土及吹砂回填等措施，保證了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及運營期安全性，積累了巖溶地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工管理經(jīng)驗。