隧道巖溶空腔與坍空區處理技術

劉凱LIU Kai

（中鐵十七局集團第五工程有限公司，保山 678000）

0 引言

隨著我國鐵路建設的快速發展，隧道巖溶空腔或坍空在施工中越來越常見，不僅給施工帶來很大的難度和技術挑戰，而且容易導致隧道塌方事故的發生，造成巨大的人身傷害和經濟損失。本文以南扎隧道進口施工中掌子面正前方出現溶洞，拱頂處一巨大孤石與亂石堆積，隨著掌子面進尺，孤石墜落，拱頂坍空，范圍擴大，坍空長度約6m，高度約4m，呈三角錐狀的坍空區處理為例，由此延伸，并結合隧道中出現的各類巖溶空腔或坍空區，系統性的總結了巖溶空腔或坍空區的處理技術。

1 巖溶空腔或坍空區分類

根據隧道施工中出現的各類巖溶空腔或坍空區，本文從范圍、深度和安全隱患大小等方面對其嚴重程度進行分類，可劃分為以下二種情況：①小范圍巖溶空腔或坍空：該類面積小，深度較小，開挖初支和圍巖面之間有少量間隙，深度在0～0.5m 范圍內，主要由拱頂局部掉塊造成，危害較小。②嚴重巖溶空腔或坍空范圍：該類深度在0.5 以上范圍內，拱頂掉塊較嚴重，易引發塌方事故。

2 處理技術

2.1 小范圍巖溶空腔或坍空

該巖溶空腔或坍空區深度較小，初支和圍巖之間有少量間隙，深度在0～0.5m 范圍內，可采取掛網填補的措施處理。

2.2 嚴重巖溶空腔或坍空

①開挖后拱頂出現坍空，深度在0.5～2.5m 范圍內，首先盡量避免擾動圍巖面，盡快立架掛網噴射混凝土進行支護，鋼拱架緊貼掌子面，拱腳增設鎖腳錨桿，用C25 噴射混凝土封閉掌子面，形成支護硬壁，同時使掌子面形成止漿墻成密閉空間。②根據現場情況，拱頂預埋不少于2 根Φ150mm 泵管至最高點下20cm，預埋Φ50mm 的小導管兼排氣管至最高點。左右兩側拱腰根據實際需要各埋一根泵管。當脫空范圍內出現連續的脫空位置時，采用3m 的間距環向布置孔位，縱向采用5m 的間距布置孔位。注漿的導管使用直徑42mm 壁厚3.5mm 的熱軋鋼管，長度根據實際空腔深度布置，注漿管與圍巖密貼，注漿管埋設不應少于2 根，一根為注漿孔使用，一根為排氣孔或檢查孔使用。③砼由拌合站集中拌合運輸至現場，采用輸送泵通過預留泵管泵入坍空區，為避免初支受承載力過大，泵送混凝土采用分階段分層次的方式回填空洞，泵送過程中專人指導，讓混凝土向四周進行填充。一次回填厚度不大于50cm，間隔時間不小于12h。待混凝土強度增強后，通過預留注漿管再次注漿，為防止局部承載力過大，應進行兩次或三次注漿。待第一次注漿孔中混凝土初凝后具有一定強度時，再進行第二次注漿，最終進行補漿至空腔充盈、密實，用棉紗將注漿管進行封堵，以防注漿管內溢出漿液。注漿材料采用微膨脹水泥漿，注漿壓力應達到0.2MPa。注漿過程中出現吸漿量異常的情況應停止注漿，明確原因后采取針對措施。注漿順序宜沿線路上坡方向進行，注漿過程中要時刻關注流量和注漿壓力變化。④利用地質雷達超前探測脫空范圍，如發現不密實的現象則繼續進行注漿回填處理，直至密實。⑤下循環施工中嚴格控制短進尺，弱爆破，避免擾動圍巖面。

3 應用實例

3.1 工程概況

南扎隧道位于青藏滇緬印尼巨型“歹”字型構造西支中段與三江經向構造帶中南段及南嶺緯向構造延伸帶西延部分的復合部位，是藏滇地槽褶皺系的橫斷山地槽褶皺帶的一部分，地質結構異常復雜，褶皺、斷裂構造行跡發育，區內構造體系主要為北東向構造體系，主要斷裂有瀘水-瑞麗斷裂帶、法帕-畹町斷裂、畹町斷裂、瑞麗斷裂等。其中瀘水-瑞麗斷裂帶為區域性斷裂，沿斷裂形成保山、德宏州常見的串珠狀斷陷盆地。受構造影響，節理極為發育，巖體破碎，巖層產狀絮亂。

該隧道施工至D3K320+225 處掌子面正前方出現溶洞，拱頂處一巨大孤石與亂石堆積，拱頂掉塊嚴重，隨著掌子面進尺，拱頂坍空范圍擴大，坍空長度約6m，高度約4m，寬度約5m，呈三角錐狀。屬于嚴重巖溶空腔或坍空情況。

結合嚴重巖溶空腔或坍空處理方法具體操作：

3.2 處理技術

3.2.1 掌子面開挖設備選型

根據掌子面圍巖和拱頂坍空情況，盡量使用炮錘配合挖機鑿巖，根據需要適當使用弱爆破，其特點：最大限度的避免鉆爆對圍巖的擾動，降低因爆破而引發更大的坍空，進而造成嚴重的安全事故。可以降低安全隱患發生的幾率，避免人員傷亡和設備的損失。

3.2.2 初期支護形成硬壁

首先用噴槍噴灌C25 細石混凝土處置坍空面，確保沒有石塊落下，采用I16 的格柵鋼架及系統錨桿，格柵鋼架間距每0.5m 一榀；掛設Φ 8 鋼筋網，鋼筋網間距20cm× 20cm；其次，每環布設兩排4.5m 長Φ 42 注漿小導管，采用3m 的間距環向布置孔位，一排以水平5-10 度向前，注漿后在開挖輪廓線外形成一個固結圈，以確保前進時不再塌方。一排以45 度向前，待坍空空間細石混凝土初步凝固后，按照施工方案對坍空面注漿固結處置，確保支護硬壁強度，保證有足夠承載力承載回填混凝土。

最終在格柵鋼架螺栓連接處增加4m 長Φ 22 鎖腳錨桿，每處增加4～6 根鎖腳錨桿避免格柵下沉。鎖腳錨桿要求灌注高強度砂漿固定，并與格柵焊接在一起。（圖1）

圖1 坍空處理示意圖

3.2.3 埋設泵管和注漿管

預埋不少于2 根Φ150mm 泵送管至最高點下20 厘米，埋Φ100mm 的吹灰管兼排氣管至最高點。

3.2.4 混凝土回填

混凝土由拌合站集中供應至現場，采用輸送泵通過預留泵管泵入坍空區，為避免初支受力過大，泵送混凝土采用分階段分批次對空洞進行回填處理，泵送過程中專人指揮及觀察，使得混凝土向四周空洞填充。一次回填厚度不大于50cm，間隔時間不小于12h。依次類推。

3.2.5 粉煤灰填塞

混凝土回填處理完成后，待混凝土強度增強后，進行雷達掃描檢測。若發現局部仍有不密實或存在空隙，采用粉煤灰進行填塞直至密實。

3.2.6 超前地質預報

在掌子面在進尺時，只有對地質有非常深的認識和了解才能制定出適合的施工方案，從而有效的進行施工組織及技術管理，本隧采用地質雷達對前方溶腔進行預報，并采用超前鉆對巖溶坍空的范圍進行鉆孔探測，通過孔內成像新技術的運用，對前方的地質作出準確判斷，指導施工。

結論：

經過對坍空區進行封閉、注漿、加密格柵的處置措施，在接下來的開挖過程中，若風槍很難打碎掌子面封閉硬壁往前推進，說明注漿處置效果較好，很好的完成了加固圍巖的目的。在之后的圍巖量測中，觀測的數據顯示圍巖下沉控制在毫米計，日收斂值在0.5mm 以內，說明采取的加固處理技術合理有效。

3.3 監控量測

3.3.1 監控量測點的的制作埋設

立架及鋼筋網片掛設完畢，噴射C25 混凝土，形成支護硬壁后，在硬壁上埋設監控量測點，按照指定位置將觀測點錨固，錨固長度至少50cm。

埋設方法：按照拱頂下沉、周邊量測點要求，埋設示意圖中在鋼筋外露部分焊接5㎝*5cm 的鐵片，緊接著把測量專用反光片貼在鐵片上。觀測點埋好后，及時進行原始數據觀測并記錄。

3.3.2 監控量測點拱頂下沉和水平收斂

拱頂下沉實測步驟：數據測量人員首先在后視水準點上安設棱鏡，固定在1.3M 左右作為后視標高，把儀器架設在反光片和水準點中間不受車輛干擾的矮邊墻適當位置上，不必測量出儀器高以及后視標高，這種方式可避免因測量出儀器高和后視標高帶來的誤差。緊接著數據測量人員使用全站儀測量水準點到拱頂反光片的高度差，正、倒鏡測量2 個測回，每個測回高差值比較需小于1.00mm，取2 個測回數值的平均數作為拱頂下沉數據結果。發現異常情況及時通報，及時處理。

水平凈空收斂實測步驟：隧道水平凈空量測，采用全站儀。按照拱頂下沉及凈空變化量測點布置示意圖所示測線進行，每條測線讀數三次取平均值作為量測值并記錄。

如果收斂值及拱頂沉降值在3～5mm 時，納入Ⅱ級管理，加大量測頻率，并采取相應工程對策。如果收斂值超出5mm 時，納入Ⅰ級管理，暫停施工，施工人員及時撤出作業區，待制定相應工程對策后方可恢復施工。仰拱開挖完成后，進行一次量測，及時澆筑仰拱混凝土。仰拱澆筑完成后，每天量測頻率不少于2 次。直到收斂值穩定為止。連續量測示意圖如圖2。

圖2 連續量測示意圖

3.2.3 量測數據的整理、分析

現場測量得到的數據應及時匯總歸集，繪制量測數據與時間的關系模型，并進行數據規律分析比較，選擇與實測數據符合的函數進行回歸，預測可能出現的凈空水平收斂及最大拱頂下沉值。

常用回歸函數：

對數函數：μ=alg（1+t）； μ=lg[（b+T）/（b+t0）]；

指數函數：μ=ae-b/t； μ=a（e-bto-e-bt）；

雙曲函數：μ=t/（a+bt）； μ=a[1/（1+bt0）2-1/（1+bt）2]

式中：

μ——變形位移值，mm；a、b——回歸系數；t——測點，埋設后的時間，d；t0——測點埋設后的初讀數時間，d；T——測量數據時間與隧道開挖時間的時間差，d。

南扎隧道采用雙曲函數做回歸分析：

從圖3 中可看出，當前累計沉降量y=5.0mm，最大沉降速率v=3.43mm/d，管理等級Ⅲ級，正常施工。隧道監控量測專用軟件通過計算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量測數據得出相關系數R=0.9775，采用雙曲函數做回歸分析精度最高，預測12 天后累計值y=7.13mm，為總位移量的70.1%，圖中回歸值預測曲線明顯變緩，以此做為依據判定12 天后圍巖變化基本穩定。

圖3 拱頂下沉回歸分析圖

從圖4 中可看出，當前累計收斂量y=2.2mm，最大收斂速率v=1.2mm/d，管理等級Ⅲ級，正常施工。隧道監控量測專用軟件通過計算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量測數據得出相關系數R=0.9698，采用雙曲函數做回歸分析精度最高，預測12 天后累計值y=3.23mm，為位移總量的68.1%，圖中回歸值預測曲線明顯變緩，以此做為依據判定12 天后圍巖變化基本穩定。

圖4 周邊收斂回歸分析圖

在隧道施工過程中，由測量人員測得的數據受到環境、人為誤差等偶然的因素影響出現誤差。使得這些數據具備離散性，用這些數據繪制出的散點圖會出現圖上散點上下異常排列的現象，導致散點規律不明顯，很難通過這些數據散點圖進行分析判斷。所以量測工作結束后的整理采集的數據，根據測量班現場測量的數據進行規律分析比較，觀察變化趨勢，以便發現變形發展規律，判斷施工的安全性，指導隧道文明施工和安全生產。

結論：從拱頂下沉和水平收斂結果來看，南扎隧道所采取的坍空處理方法在技術和安全方面可行。

3.4 檢測結論

隧道回填注漿密實后，通過地質雷達檢測，結論顯示：拱頂回填已密實。

4 推廣，結束語

通過對巖溶空腔或坍空區原因分析和現場實踐，總結形成了隧道巖溶空腔或坍空區處理技術：封閉掌子面形成閉合空間，拱頂預留泵管、注漿管，排氣管，泵管離最高點20cm，注漿管離最高點10cm，通過輸送泵分批泵入混凝土回填，形成支護硬壁，待強度增強，共同受力，最后注漿管回填注漿至拱頂密實，施工中嚴格控制短進尺弱爆破，加密拱架，加強超前支護，施工期間加強監控量測頻次。該技術的成功應用對其他類似隧道有一定的借鑒價值，具有良好的效果，在后續類似施工有很好的借鑒作用，具有廣闊的推廣應用前景。