鐵路長大隧道溶腔塌陷處理方案研究

陳 濤

中鐵十七局集團第一工程有限公司

1 引言

近年來，我國的高速公路、城際鐵路、鐵路客運專線、高速鐵路、城市地鐵等交通的迅速發展、隧道及地下工程越來越多，雖然通過科技的進步和經驗的總結，形成了多種的隧道地質勘探、開挖方法，但是隧道內施工仍然有很多不可預見的事故發生，尤其是隧道塌方事情屢見不鮮，塌方后處理方式也各種各樣。針對不同的塌方程度和情況，多種處理方案也各不相同。本次課題主要研究隧道塌方造成地表塌陷后如何處置和安全穩定通過的方案研究。

2 鐵路隧道溶洞施工原則

2.1 工程概況

中鐵十七局集團第一工程有限公司成昆鐵路三峨山隧道位于四川省樂山市沙灣區，全長10352m，地處沙灣南～范店子區間，最大埋深約715m。隧道設計為雙線，設計時速160km/h，客貨共線，軌面以上凈空面積不小于76.6m2。本隧道出口段洞身主要穿越白云巖、白云質灰巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，穩定性較差。隧道在可溶巖段落遇溶洞、溶縫易發生突水突泥。

3 塌陷具體情況

三峨山隧道出口大里程端上臺階掌子面揭示一處半充填型溶洞，掌子面為白云質灰巖，圍巖自穩性較好，發育有從右側到左側延伸的溶洞，寬度3m～4m，向左前方延伸。隧道拱頂位置存在兩塊約8m3～13m3大孤石，掌子面基巖面積逐漸縮小，中部向上發育溶腔逐步揭示，高度及延伸長度不可見，裂縫內有涼風向洞內排出。在進行排危過程中對孤石進行了爆破排出，孤石排出后掌子面拱頂右上方出現黃色黏土夾塊石，逐步從掌子面前方緩慢擠壓涌出，涌出長度11m，方量約350m3。核對塌方現場后進行了洞內及地表調查，地表調查無異常情況，地表可見部分溶蝕、溶槽，在后續監控和地質勘察過程中洞內出現巨響，并有風極速沖出，對地表再次調查發現洞頂地表塌陷，形成長約30m，寬約20m，深約11m的陷坑，塌陷范圍位于掌子面前方右線正上方，塌陷處四周呈陡坡狀，出露物為黃黏土，未見基巖。

4 塌陷情況分析

結合超前地質預報、超前鉆孔資料、取芯、現場揭示地質情況及地表調查情況等分析，前期洞內充填物擠出，溶腔內產生空腔，溶洞與地表連通，遇雨水影響，內部沉陷。此次地表形成塌陷為巖溶發育造成的不可預見性地質原因引起。此次塌陷可分為二次塌陷，第一次為洞內掌子面和拱頂塌陷，第二次為地表塌陷，并且與洞內整個貫通，兩次塌陷時間間隔較長，且具有隱蔽性，如果在此過程中按照正常塌陷溶洞處理，會造成極大的安全危害。

5 塌陷處治前分析

此溶洞的分布規律和范圍為掌子面前方存在向下貫通延伸的條帶狀低阻異常，是為由于空溶腔引起的軟弱帶，如圖1所示。

圖1 瞬變電磁（TEM）勘探成果斷面圖

該溶洞位于掌子面前方，隧道基本正穿溶洞，長約60m，寬約36m，深30m～120m，地貌上大致呈橢圓形，為半充填隱伏干溶洞，充填物為硬塑狀粉質黏土夾塊石，無水。經過塌陷過程分析，處理洞內塌方前必須要做好各種地質勘探和洞內以及地表的觀測，必須通過綜合地質勘探手段，結合現場實際開挖情況，對溶洞進行詳細地質核查，查清溶洞的分布范圍、規律。

6 塌陷處治前準備

首先要根據隧道巖溶發育的形態、溶洞與隧道工程的關系，地表塌陷情況，結合現場施工情況等各方面因素，以及結合現場實際施工進度，來確定處理方式。

（1）塌通天的隧道，既隧道與外界聯通、必須考慮外部水、土、人、牲畜會掉入天坑中，尤其是雨季時期，更要避免雨水的灌入導致隧道多次塌方，內部出現突泥突水狀況，進一步加大洞內施工困難，增加安全隱患；所以何時何方法處理地表塌陷處也是重要的考慮因素。

（2）塌通天的隧道，隧道內與拱頂還有松散土質和各種不確定的地理環境，所以在通過期間必須保證洞頂的穩定性，如何加固洞頂的塌方土，保證洞內施工時不會再次塌陷也成為洞內安全通過的重要考慮因素。

（3）塌通天的隧道，不僅僅考慮拱頂土壓力，同時還要考慮到洞內土側壓力，尤其是前方塌方距離，可能在施工中由于側壓力增大導致泥土繼續溶出，甚至將初級支護等推落，造成施工二次事故，故如何防止側壓力對已做好的初級支護造成破壞也是塌方處理的重要考慮因素。

根據以上因素的綜合因素，結合該溶洞在雨季來臨前，無法完成洞內施工，對該隧道做如下處治安排，一、先施作地表截水溝并，鋪設防水防雨設施進行保護，設置警戒線和硬圍擋并派專人看守，避免人畜誤入；二、進行洞內注漿加固通過隧底探測和地質勘察資料確定進行施工；洞內支護及洞內外監控量測；三、地表兩次回填高爐礦渣等輕質材料、硬化及觀測。

7 處治主要措施

7.1 洞內加固措施

為保障洞內施工安全，在地表陷坑回填前應先采取如下洞內加固措施。

（1）掌子面暫停施工，對洞內塌方體前緣坍塌體表面采用噴混凝土封閉，厚度10cm，并采用大塊狀洞渣進行反壓回填，回填完成后對該段坍塌體采用A42鋼花管注漿加固。注漿完成洞內穩定后進行下一步施工。

（2）掌子面右側拱部及右邊墻靠上位置斜向上進行超前注漿加固。

（3）對掌子面后方4m范圍內鋼架拱腰及墻腳處增設A76鎖腳錨管，每處共計2根，單根長6m。

（4）對掌子面后方10m范圍內增設臨時剛套拱，鋼套拱采用I20b型鋼鋼架，間距0.5m/榀，每榀鋼架長度結合洞內回填體坡面確定，鋼套拱務必鎖腳穩固并落底在可靠基礎上。

7.2 地表塌陷處理

洞內安全措施施作完成后對地表陷坑采用分層回填的方式回填高爐礦渣等輕質回填材料，其中高爐礦渣的密度應小于1000kg/m3，回填分兩次進行，初次回填后采用彩條布覆蓋，防止雨水下滲，并于陷坑外10m及溶蝕洼地外10m分別設置一道截水天溝。

圖2 溶腔處治斷面示意圖

待第一次沉降滿足要求后，進行第二次回填，待陷坑回填體充分沉降后于表面施作一層30cm厚的C20混凝土防止雨水下滲；隧道施工前應對地表溶蝕洼地范圍進行持續沉降觀測，若發現異常應立即停止施工，并采取相應應急處理辦法。

7.3 溶洞段開挖

地表塌陷回填全部完成后，于掌子面后方4m位置開始施作T76自進式管棚，單次施作長度20m，每環搭接長度不小于4m。管棚施作完成后進行掌子面開挖，超前支護輔以A42大外插角小導管，確保施工安全；洞內初期支護采用I25b型鋼鋼架，間距0.5m/榀，鎖腳錨管采用A76中管棚，單根長度6.0m，每榀鋼架共設置8根；開挖工法采用三臺階法加臨時仰拱，每循環開挖進尺為1榀鋼架間距。

對溶腔段預留變形量調整至30cm，后續可根據現場監控量測情況進行適當調整；該段每循環開挖后采用C25噴混凝土封閉掌子面，保障施工安全，噴混凝土厚度8cm。

對溶腔段防排水措施進行適當調整，防水板背后增設一層凸殼式排水板，并將該段環向盲管加密至2m/環。

7.4 圍巖加固處理措施

為保障運營安全并防止地表水下滲進入隧道，開挖支護完成后對溶腔段采用A42鋼花管對拱墻范圍徑向注漿，注漿管長度4.5m/根，拱部間距1.2m×1.2m（環×縱），邊墻間距0.8m×0.8m（環×縱），注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線以外5m，漿液采用1:1的水泥凈漿，注漿終壓不小于2MPa。

為防止該段基底出現不均勻沉降引起襯砌開裂，縱向每10m設置1道變形縫，縫寬2cm，該段共計7道。

二襯施作完成后，采用地質雷達等檢測手段探明背后坍腔空洞情況，并根據檢測情況進一步采取鉆孔補注漿等措施，確保坍腔回填密實。

8 處治后效果、意見和建議

8.1 處治后效果和監測

根據以上處理措施、隧道已逐步穩定的緩慢渡過隧道塌方段，且處理后位置經過沉降觀測、洞內外觀察、凈空收斂、拱頂下沉、地表沉降量測，圍巖內部變形、錨桿軸力、圍巖壓力和兩層襯砌間壓力、襯砌及鋼架應力、錨桿拉拔試驗、底部鼓起量測及圍巖彈性波等測試，隧道內情況穩定，說明以上的處理措施滿足本次塌方形態的處理。

8.2 處治過程中意見和建議

（1）隧道開挖過程中，及時做好超前地質預報及監控量測工作，發現初支開裂變形時，應及時安排作業人員撤離至安全地帶。

（2）值班技術員及安全員必須24小時在場，保證通訊暢通，帶班領導每日對掌子面進行巡查研判，是否存在安全風險。

（3）與當地供電部門密切聯系、積極溝通，確保電力供應，如有檢修停電，提前通知。另自備應急發電機，若遇突發故障停電，應急發電機可隨時啟動。

（4）保證作業機械隨叫隨到，應對現場突發情況。

（5）對所有工人進行風險告知及施工注意事項，施工過程中發現隱患時能夠及時撤離。

（6）做好地表截排水工作，避免雨水倒灌入地表陷坑。

（7）施工中核心土必須保留，此為最重要的保護措施，無論如何施工，都要保證核心土的存在。

（8）掌子面一循環一封閉，可以大大地減少前方土石涌出。

9 結語

隨著科學的進步與發展，隧道塌方處理技術也越來越成熟，但塌方的形式巖、成因、形態、難以勘察全面，因此針對各種類型隧道巖溶塌方等問題的治理措施也不禁相同，唯一的共同點就是安全第一、質量至上、因地制宜、本著敬畏自然、順應自然的原則，盡量減少對環境的破壞，以促進人和環境的可持續發展。