貴州山區某市政巖溶隧道冒頂處理技術

胡兵華

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 依托工程概況

1.1 工程概況

隧道為一座上、下行分離(進出口段為小凈距)的四車道市政道路長隧道，隧道右線起訖樁號為YK2+210～YK3+350，全長1 140 m，隧道右線進口平面線形為圓曲線，R=625 m，接緩和曲線，Ls=80 m，再接圓曲線出洞，R=610 m；縱坡為單向坡，右線為2.9/1 490 m。

其中,YK2+450～YK2+480段為Ⅴ級圍巖深埋段，設計支護參數為：φ42超前小導管，L=4.0 m，環向間距40 cm，縱向間距225 cm，初期支護采用Ⅰ20b型鋼拱架間距75 cm，φ8鋼筋網間距20 cm×20 cm，26 cm厚C20噴射混凝土，D25中空注漿錨桿L=4.0 m,0.75 m(縱)×1.0 m(環)，二次襯砌為60 cm厚C30鋼筋混凝土。

1.2 隧道水文地質特征

本段隧道圍巖巖性為二疊系中統茅口組一段灰巖(P1m1)灰白色薄～中厚狀灰巖與二疊系上統峨嵋山組(P3β)玄武巖不整合接觸的過渡帶，節理裂隙發育，巖體以張節理為主，結構面不規則，巖體呈層狀結構，完整性較差；層間泥質、鈣質、方解石膠結，膠結一般。結構面以巖層層面為主，與洞軸線走向夾角為70°，總體具硬質巖特征，巖體破碎。節理裂隙發育，Rc=32.65 MPa，Vpm=3 003 m/s，計算Kv值為0.41，巖體節理裂隙發育，圍巖富水性不均一，透水性較弱。

圍巖基本質量指標：BQ=90+3×32.65+250×0.41=284；隧址區地下水出水狀態多為淋雨狀或涌流狀出水，單位出水量不大于10 L/(min·m)，地下水修正系數K1=0.5，節理裂隙發育,有斷層通過,軟弱結構面修正系數K2=0.6，不存在高應力，計算[BQ]=284-(0.5+0.6)×100=174；由于該段內發育有一平移斷層，其附近巖體較為破碎，因此，該段圍巖按Ⅴ級圍巖考慮[1-2]。

1.3 冒頂工況

掌子面K2+471開挖后，進洞左側拱腰、拱頂、右側距隧道中線4 m位置同時有3個大小不同的溶洞。初期支護還未完成時，溶洞填充物不斷坍塌，溶洞內大型孤石將已經施工完成的初期支護拱架砸壞3榀。由于溶洞溶腔較大且連通地面，溶腔填充物不斷坍塌造成隧道頂部以上地表區域塌陷。地表塌陷坑深5 m～8 m不等，塌陷面積約為1 307 m2,地表塌陷與隧道前進方向對應里程為K2+456～K2+494，長度約38 m，塌陷邊緣左側與隧道右洞中線橫向最大距離約14 m,塌陷邊緣右側與隧道右洞中線橫向最大距離約15 m。

1.4 原因分析

隧址區巖溶發育，溶洞內含有富水填充物，開挖臨空后溶洞內填充物極易涌出，加之正值貴州省雨季，隧道冒頂陷坑未能及時覆蓋封閉，大量雨水滲入溶腔與溶腔填充物混合，形成黏稠泥漿，從掌子面涌出，向前流動約20 m。由于工期緊張，掘進開挖方式由CD法調整為上下臺階法，增大臨空面，加上雨水作用，巖溶洞身圍巖變形較大，溶洞連通地表，其內填充物極易滑動，從而導致塌方冒頂[3-4]。

2 冒頂處置方案研究

2.1 地質補探

由于掌子面塌方，溶洞內填充物灌入溶洞，此時正值雨季，雨水通過洞頂陷坑滲入洞內，為防止塌方進一步擴展，洞內采用洞渣回填反壓，同時進行高密度電法探測溶洞發育情況如圖1，圖2所示。

根據物探檢測及現場調查分析，該塌陷區地下水來源主要為雨水匯集，溶腔裂隙水較少，溶洞填充物主要為碎石土，含少量孤石，溶洞未沿隧道走向發育。

2.2 處置方案

2.2.1 地表塌陷排水處理

隧道巖溶塌方冒頂處置，遵循治塌先治水原則，對冒頂洞內外首先完善排水系統，特別是對地表塌陷區，采取措施減少雨水通過陷坑入滲到洞內，一般采用在塌陷區周圍修建臨時排水溝排水，塌陷區正上方修建臨時雨棚，防止雨水直接沖刷塌陷區，具體措施如下：

1)做好地表防排水系統，地表塌陷、裂縫范圍四周水平距離5 m外開挖地表截水溝，截水溝凈空寬0.3 m×深0.4 m，采用M10砂漿硬化，厚度為10 cm，保證地表雨水不得滲流進入塌陷區域及溶腔內。

2)塌陷、裂縫范圍內做好臨時防排水設施，確保雨天雨水不得流入塌陷區域，地表水及雨水不往洞內滲漏。若坍塌面積較大，則應保證雨水排到塌陷區域外。

對問卷答案的數據進行了初步分析，58位教師在日常的教學過程中，PowerPoint的使用率為100%， word的使用率為51.7%， Excel 表格的使用率為25.9%；PowerPoint插入功能的使用中，文字，圖片，文本框的插入使用率為98.3%，插入超鏈接的使用率為77.6%，插入音頻的使用率為58.6%，插入視頻的使用率為65.5%，編輯背景的使用率為32.8%，設置動畫效果的使用率為29.3%；PPT因版本差異等原因無法正常播放，能現場自行解決的教師比例為25.9%。

3)做好安全警示標志及警戒，防止人員墜落深坑，加強地表值班巡視和監測。

2.2.2 洞內處理

超前小導管及大管棚由若干根簡支梁形成棚的支撐，單根管或棚之間彼此并不連接，通過壓力注漿，水泥漿填充溶腔填充物，并擴散一定厚度，水泥漿包裹小導管或管棚，形成“鋼筋混凝土殼體”，一定厚度并具有強度的殼體能為開挖施工提供保護空間[5-6]。殼體同時具有防水作用，能有效防止陷坑中雨水及地下水入滲。因此，處理隧道冒頂塌方，經常采用大管棚及小導管注漿形成殼體，提供保護空間，進而能進行下一步施工。

針對此次隧道塌方冒頂，首先采用洞渣回填反壓封閉掌子面至穩定初支段，在穩定初支段落內施作超前大管棚注漿[7-9]。待注漿凝結穩固后，開挖回填洞渣至塌方冒頂掌子面，在掌子面上打設超前小導管注漿可與超前管棚注漿形成雙層殼體，保障溶腔內及掌子面輪廓外圍一定范圍預期穩定，為開挖支護提供可靠的施工條件[10]，設計方案如圖3所示，具體施工措施及方法如下：

1)采用洞渣對YK2+452.878～YK2+464.532分層反壓回填，分層厚度1 m形成施工平臺逐步靠近溶洞部位，回填反壓過程中將擠出的泥漿運出洞外，YK2+464.532～YK2+471.301回填土至拱頂，回填不足部分立模灌注C20混凝土至拱頂。

2)對YK2+464.541～YK2+467.032溶洞塌腔體內打設約15根φ108注漿鋼管，L=12 m，灌注漿液為1∶1水泥漿進行注漿固結，施作過程中必須采取有效措施避免漿液流失，止漿墻厚度1 m。注漿從下往上，依次進行。

3)從回填臺階YK2+464.541～YK2+467.032拱頂依次施作，待洞內渣土固結穩定后在YK2+463.032施作φ108×6 mm超前灌漿孔兼做超前探孔，φ108鋼管環向間距40 cm，長度12 m，打設角度23°，注漿壓力1.5 MPa～2.5 MPa，管棚末端須支撐在穩固巖石中。

4)在YK2+467.032沿掌子面溶洞方向打設3根φ108超前探孔探明前方地質情況。

5)開挖YK2+467.032～YK2+475段初期支護采用Ⅰ20b工字鋼支撐加固，間距50 cm，拱頂采用雙層φ42×4 mm超前小導管注漿，L=4 m角度10°～15°，環向間距40 cm，縱向排距240 cm，拱腳處采用φ42×4 mm，L=4.5 m鎖腳錨管鎖腳。

6)隧道冒頂范圍內及時施作二襯進行封閉，在溶洞底部設置直徑11 cm的雙壁波紋管排水，間距2 m一處，接入隧道縱橫向排水系統。

7)待二襯混凝土達到齡期后，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平齊，并設不小于2%的坡度，確保塌坑內不積水。

8)由于隧道坍塌發生時，有部分拱架被砸，初支開裂，施工處理塌方過程中要加強洞內拱頂沉降、周邊位移收斂等監控量測工作。對初支開裂及時采用徑向注漿加固。對初支侵限情況，采用斜向注漿鋼花管注漿加固，并對超限拱架拆換。拆換時，禁止全部拆除超限拱架后，重新支拱架，而應支一榀拆一榀，可在超限拱架間先預支一榀拱架，然后拆除前一榀拱架，依次進行直至拆除完畢。

3 結語

本文通過對山區巖溶市政隧道塌方冒頂事故的原因進行分析，采用超前大管棚及小導管注漿聯合系統，在溶腔內及掌子面周圍形成殼體，有效防止隧道開挖過程中繼續坍塌，保證施工安全[11]。通過對該隧道溶洞冒頂全過程跟蹤，并開展了隧道冒頂處理技術方案研究，取得了較好的效果，為類似工程提供參考。

1)巖溶區隧道加強超前地質預報工作，并及時跟進初期支護，及時施作初期及超前支護能有效防止巖溶冒頂的發生。

2)洞內回填反壓至段落，并施作大管棚注漿支護是處理隧道塌方有效的方法，初支穩定后及時施作二次襯砌封閉成環，減少二次塌方風險。

3)二襯混凝土達到齡期后，洞頂可分次分層回填至原地貌并保證一定坡度排水。

4)整個施工過程要加強監控量測。