九龍嶺隧洞地表塌陷原因分析及處理措施

潘 登

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，長(zhǎng)沙 410007）

巖溶也稱喀斯特（Karst)，是指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類巖石（如石灰?guī)r、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蝕，侵蝕并加以沉積作用而形成的地貌。它往往呈現(xiàn)各種形狀，如洞穴、石芽、石溝、石林、溶洞、地下河，甚至峭壁。此種地貌地區(qū)，在我國分布較為廣泛，在湖南省主要分布于湘西北、湘中與湘東南地區(qū)。據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，巖溶發(fā)育和形成致使建筑物場(chǎng)地和地基的工程地質(zhì)條件惡化，出現(xiàn)巖溶地基的不穩(wěn)定性、巖溶地表塌陷、巖溶地面變形、巖溶地面開裂、巖溶滲漏突水、水資源流失、水質(zhì)污染等工程地質(zhì)問題。因此，在巖溶地區(qū)進(jìn)行各種工程施工時(shí)，須對(duì)巖溶進(jìn)行地質(zhì)研究，預(yù)測(cè)并解決因巖溶而引起的各種工程地質(zhì)問題。通過本文研究和探討，希望對(duì)巖溶地表塌陷處理起到借鑒作用。

1 概況

九龍嶺隧洞為國家“172”重大水利工程——犬木塘水庫工程控制性工程，為湖南省在建最長(zhǎng)的水利隧洞，隧洞全長(zhǎng)19.26 km，樁號(hào)ZG18+360～ZG37+620。共設(shè)7 個(gè)施工支洞，其中4 號(hào)施工支洞位于主洞樁號(hào)28+500 附近，為反向坡，坡度10%，全長(zhǎng)1.2 km。項(xiàng)目于2020 年7 月18 日開工，在4 號(hào)施工支洞開挖至樁號(hào)0+555 時(shí)，突遇涌水、涌泥現(xiàn)象，體積達(dá)2000 m3以上，導(dǎo)致洞內(nèi)設(shè)備被淹，地表產(chǎn)生3 處塌陷坑。采取洞內(nèi)固結(jié)灌漿后繼續(xù)前進(jìn)，但涌水點(diǎn)一直涌水不斷，水量時(shí)大時(shí)小。受2021 年5 月12 日大雨影響，洞內(nèi)涌水量突然增大，隧洞淹沒。5 月30 日開始抽水，受連續(xù)抽水的影響，塌陷坑數(shù)量及范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致周邊2000 m2范圍內(nèi)形成近20 個(gè)塌陷坑，如圖1，并有數(shù)個(gè)塌陷坑位于民房?jī)?nèi)，嚴(yán)重危及周邊百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全。

圖1 4 號(hào)支洞地表塌陷位置平面圖

2 4 號(hào)支洞地質(zhì)情況

隧洞穿越地貌類型主要為溶蝕構(gòu)造地貌及侵蝕構(gòu)造地貌。地形地貌較簡(jiǎn)單，以壟丘和低丘寬谷地貌為主，地形較平緩，地面高程多為300～350 m，沿線水文、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層、巖溶發(fā)育，地表隨處可見溶溝、溶槽、溶蝕洼地、落水洞、石芽等溶蝕現(xiàn)象，溶洞、巖溶泉、暗河亦分布較廣。

4 號(hào)施工支洞全長(zhǎng)1202 m，溶蝕構(gòu)造地貌為隧洞沿線主要地貌特征，主要包括壟丘寬谷地貌和低丘寬谷地貌，海拔250～500 m，相對(duì)高差30～250 m，山坡坡度5°～35°。壟丘地貌排列方向受構(gòu)造控制，谷地寬闊平坦，延伸較長(zhǎng)，丘體以壟崗出現(xiàn)，地表巖溶形態(tài)較發(fā)育；低丘地貌山丘低緩，谷地發(fā)育。其周邊地層巖性由泥盆系(D)可溶巖構(gòu)成，主要為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段D3x1深灰色厚～巨厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等，沿線巖溶較發(fā)育。場(chǎng)內(nèi)主要發(fā)育1條區(qū)域斷層：Fz35，逆斷層，產(chǎn)狀：N45°E·NW∠60°，寬5～10 m，影響帶寬15～25 m，傾向進(jìn)口方向，斜切洞身；區(qū)內(nèi)地表隨處可見溶溝、溶槽、溶蝕洼地、落水洞、石芽等溶蝕現(xiàn)象［1］，隧洞沿線地下水類型可分為第四系松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水，第四系松散巖類孔隙水主要分布在殘坡積層下部，水量受地形地貌、巖性及補(bǔ)給條件控制。主要接受地表水及雨水補(bǔ)給，其水位動(dòng)態(tài)變化與降雨關(guān)系密切。碳酸鹽巖裂隙溶洞水賦存于碳酸鹽巖裂隙及巖溶管道中，由大氣降水或地表水補(bǔ)給，以巖溶泉或地下河形式排泄，水量中等～豐富，為隧洞沿線主要地下水類型［1］［5］。

2021 年3 月27 日上午，九龍嶺隧洞4 號(hào)施工支洞樁號(hào)0+555 處掌子面鉆孔作業(yè)時(shí)有稀泥漿涌出。下午4：00 時(shí)，掌子面先導(dǎo)洞爆破掘進(jìn)后，掌子面有大量泥水涌出，掌子面正上方地表出現(xiàn)直徑約5 m的圓形塌陷坑，坑深12 m，四方代表至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，洞內(nèi)積水已淹至樁號(hào)0+480 附近。3 月28—30 日地表又連續(xù)出現(xiàn)2 個(gè)塌陷坑，如圖2，地表各塌陷坑目前有進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。為保證工程安全，不影響工程進(jìn)度，查明該處巖溶發(fā)育情況，擬對(duì)該部位處理方案如下：

圖2 4 號(hào)支洞地表塌陷

（1）加強(qiáng)地表覆蓋及排水。應(yīng)用彩條布或剛性彩鋼板對(duì)塌陷坑口進(jìn)行覆蓋，并于周邊設(shè)置土溝，避免雨水下滲。

（2）設(shè)置止?jié){墻。在樁號(hào)0+554 附近設(shè)置止?jié){墻，墻體采用C25 混凝土，止?jié){墻頂拱范圍進(jìn)行回填灌漿。

（3）地表物探。地表采用高密度電法查明溶巖發(fā)育情況。

施工方依照方案思路對(duì)掌子面突水突泥處及地表塌陷處進(jìn)行處理。

3 塌陷原因分析

本次在地表共布置物探（高密度電法）3 縱3 橫共6 條剖面，如圖3，6 條測(cè)線共測(cè)得9 個(gè)溶洞，洞徑2～10 m，高程283～292 m，分布在洞軸線兩側(cè)。受物探測(cè)線限制，洞軸線只在掌子面正前方16 m 測(cè)得1個(gè)洞徑為1.8 m×2.8 m 溶洞，其底板高程283 m。其成果表明，在0+555～0+600 范圍內(nèi)，巖溶發(fā)育以垂直洞線方向?yàn)橹鳌Ｔ诙磧?nèi)實(shí)施2 個(gè)超前取芯鉆孔，其中頂拱部位鉆孔顯示，0～7.5 m 無異常，7.5 m 后有大量渾水涌出，導(dǎo)致無法鉆進(jìn)停工，后灌入大量水泥漿止水；在掌子面左下角部位的另一鉆孔巖芯完整，多呈長(zhǎng)柱狀，無溶蝕現(xiàn)象，據(jù)鉆探反映，在2.5～3 m 位置有0.2～0.3 m 異常，有渾水，其他地段無異常。

圖3 4#支洞塌陷物探平面成果

根據(jù)探測(cè)成果分布情況來看，巖溶發(fā)育方向?yàn)榇怪倍淳€方向(如圖4)。

圖4 典型物探剖面成果

綜合以上數(shù)據(jù)分析判斷，地表塌陷的主要原因有以下幾點(diǎn)：

（1）地表覆蓋層較薄，覆蓋層厚度一般2～4 m，土體結(jié)構(gòu)松散，與下伏基巖通過裂隙、巖溶管道等與溶洞相通。

（2）支洞淺埋段地層巖性為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組下段D3x1深灰色厚～巨厚層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等, 巖溶相當(dāng)發(fā)育，溶洞與地表覆蓋層直接相連通，洞內(nèi)多充填地下水、泥等，發(fā)育方向以垂直洞線、順沖溝方向?yàn)橹鳎芏炊辔挥陧敼吧喜浚植康囟慰赡艽嬖趲r溶漏斗，各溶洞與地表、頂拱、掌子面通過溶洞裂隙、巖溶管道等相互貫通，且有豐富的地下水補(bǔ)給來源。地下河水力坡度多在3%以上，接受大氣降雨補(bǔ)給為主，逕流、排泄條件好。地下水及主要富水層高于隧洞。掌子面巖體完整，為相對(duì)隔水層，暫時(shí)將溶洞或巖溶管道內(nèi)的地下水堵在巖體內(nèi)，當(dāng)掌子面爆破揭露后，相對(duì)隔水層破壞，裂隙或管道暴露，溶洞內(nèi)的地下水就通過裂隙、巖溶管道等通道向掌子面涌出。

（3）支洞沿線溶洞都很發(fā)育，由于洞內(nèi)長(zhǎng)期滲水，全線地下水位下降，同時(shí)將溶洞內(nèi)原充填的泥質(zhì)顆粒物通過裂隙、巖溶管道等攜帶走，溶洞呈空洞。

（4）上部土體自重作用下產(chǎn)生坍陷，由于溶洞內(nèi)的地下水排泄后溶洞為空洞，無法承受上部的地表土體荷載，從而造成地表塌陷。

2021 年4 月23 日，4 號(hào)支洞開挖至樁號(hào)0+556，掌子面揭露一處溶槽，充填黃褐色黏性土，流塑～軟塑狀，主要位于掌子面右側(cè)。樁號(hào)0+554～0+556 底板位置發(fā)育一處溶槽，溶槽形狀不規(guī)則，最大寬度約2 m，向下發(fā)育至支洞底板以下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反鏟挖掘最大深度約3.0 m，充填流塑狀淤泥，溶槽內(nèi)有一處涌水點(diǎn)，往上涌出泥漿，流量0.5～1.0 L/s。兩溶槽未連通，溶槽周邊巖石受溶蝕影響，穩(wěn)定性較差。

4 處理措施

4.1 洞內(nèi)處理措施

根據(jù)開挖段揭示的圍巖情況，為保證支洞施工安全，防止洞內(nèi)涌水造成地表進(jìn)一步塌陷，現(xiàn)對(duì)此段提出如下處理方案：

（1）于樁號(hào)0+554、0+556 處增設(shè)兩榀I16 鋼拱架，每榀鋼拱架拱腳施打4 根φ22 鎖腳錨桿。樁號(hào)0+556 起前方增設(shè)I16 鋼拱架，間距0.8 m，縱向φ22 聯(lián)系筋環(huán)向間距1.0 m，拱腳施打4 根φ22 鎖腳錨桿。

（2）對(duì)于底部揭露溶槽，對(duì)巖溶充填物進(jìn)行清除與回填開挖洞渣擠淤處理。設(shè)計(jì)建基面以下1 m 范圍內(nèi)的溶洞充填物予以清除，1.0 m 深度以下充填物采用回填開挖洞渣擠淤處理。

（3）對(duì)洞內(nèi)局部灌漿效果不理想的點(diǎn)進(jìn)行局部固結(jié)灌漿。待底板回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，樁號(hào)0+554～0+558 段通過徑向灌漿對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵［2-4］。

5 月12 日，支洞已開挖至0+633 樁號(hào)，掌子面炮孔出現(xiàn)滲水后暫停掘進(jìn)。支洞恢復(fù)洞挖期間樁號(hào)0+556 附近底板靠左側(cè)一直存在溶蝕通道滲水，水量時(shí)大時(shí)小，期間多次要求施工方對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行灌漿封堵，由于各種原因未能及時(shí)封堵。2021 年5 月16 日，受強(qiáng)降水影響，0+556 涌水點(diǎn)涌水量加大，掌子面0+633 附近滲水加大，支洞隨后被淹，次日地表距涌水點(diǎn)100 m 附近出現(xiàn)多處塌陷坑。支洞最高淹至樁號(hào)0+085 附近（水位約313 m）。

4.2 地表帷幕灌漿及塌陷坑回填處理措施

2021 年5 月25 日，施工方開始對(duì)支洞積水進(jìn)行抽排，洞內(nèi)水位開始下降，抽水期間地表又發(fā)生多處塌陷，附近兩處水塘干涸、一處水井干涸。現(xiàn)場(chǎng)雖對(duì)塌陷坑進(jìn)行回填，但連續(xù)抽排導(dǎo)致塌陷范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，已發(fā)展至公路及房屋聚集區(qū)，一處平房屋前坪及屋內(nèi)地面發(fā)生下沉，且存在發(fā)展趨勢(shì)，周邊百姓房屋及生命財(cái)產(chǎn)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述情況，本著安全第一的原則，采取如下處理措施：

（1）立即撤離已下沉房屋的住戶，同時(shí)對(duì)下沉住戶及附近其他住戶、公路，做好監(jiān)測(cè)和緊急撤離預(yù)案，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)地面存在下沉跡象，立即實(shí)施撤離和封路方案。

（2）現(xiàn)場(chǎng)立即停止洞內(nèi)抽排水作業(yè)。維持洞內(nèi)水平衡，防止地下水下降繼續(xù)產(chǎn)生塌陷。

（3）立即對(duì)塌陷坑進(jìn)行地表回填，回填至原地面高程。

耕植區(qū)塌陷坑采用黏土回填，農(nóng)田范圍應(yīng)進(jìn)行復(fù)墾處理；房屋聚集區(qū)附近塌陷坑采用混凝土或石渣回填。

（4）地表帷幕灌漿。對(duì)支洞已開挖段（樁號(hào)0+550～0+570）左右兩側(cè)從地表各布置一排帷幕灌漿，以封堵0+556 處等涌水點(diǎn)集中滲漏通道并有效阻止該洞段兩側(cè)地表水下滲。灌漿中心線距支洞左右兩側(cè)開挖邊線5 m，孔間距2 m(局部進(jìn)漿量大的灌漿孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按1 m 間距加密)，孔底高程為洞底板以下5～10 m，帷幕灌漿地表覆蓋層的鉆孔宜跟管鉆進(jìn)，防止塌孔。帷幕灌漿分3 個(gè)孔序施灌，以分序加密原則進(jìn)行施工，其他帷幕灌漿施工應(yīng)按照SL/T62—2020 《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

2021 年6 月6 日，設(shè)計(jì)單位就九龍嶺隧洞4 號(hào)施工支洞樁號(hào)0+633 處地表帷幕灌漿提出處理方案（圖5），灌漿范圍：對(duì)洞段（樁號(hào)0+630～0+638，長(zhǎng)8 m）右側(cè)開挖線外5 m 從地表布置一排帷幕灌漿，同時(shí)在樁號(hào)0+638 線上 （右側(cè)帷幕灌漿中心線至左側(cè)開挖線外3 m，長(zhǎng)度13.7 m）從地表布置一排帷幕灌漿。孔間距2 m（局部進(jìn)漿量大的灌漿孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按1 m 間距加密），以封堵0+633 處涌水點(diǎn)集中滲漏通道。帷幕灌漿地表覆蓋層的鉆孔宜跟管鉆進(jìn)，防止塌孔。帷幕灌漿分3 個(gè)孔序施灌，以分序加密原則進(jìn)行施工，帷幕灌漿應(yīng)選取1 個(gè)Ⅰ序孔作為先導(dǎo)孔。帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿，分段長(zhǎng)度可根據(jù)具體地質(zhì)條件確定，但不得大于10 m，可采用純壓式灌漿。灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。灌漿漿液一般采用純水泥漿液，遇巖溶集中滲漏通道等大耗量灌漿段，則宜采用水泥水玻璃雙液漿，或灌注水泥砂漿、混凝土等。灌漿壓力初定0.8 MPa，具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況進(jìn)行調(diào)整。灌漿要求與樁號(hào)0+550～0+570 段基本相同。

圖5 0+633 地表帷幕灌漿布置

通過上述地表帷幕灌漿及塌陷坑回填處理措施，樁號(hào)0+556 處涌水量逐漸減小，掌子面及周邊圍巖只有少量地下水滲出，樁號(hào)0+633 處涌水點(diǎn)已沒有滲水現(xiàn)象。巖溶滲漏通道已被灌漿封堵。后續(xù)施工期間地表周邊未出現(xiàn)過較大規(guī)模地表塌陷現(xiàn)象。

5 結(jié)語

（1）該段洞線地勢(shì)低洼，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，周邊地表水和地下水向該處匯集，又有區(qū)域斷層帶從洞線右側(cè)經(jīng)過，形成良好的巖溶通道。

（2）此次4 號(hào)支洞地表塌陷原因，主要是由于洞內(nèi)涌水后，連續(xù)抽排水加劇地表水下降引發(fā)的環(huán)境問題。

（3）處理措施要及時(shí)得當(dāng)，可為后續(xù)工程施工縮短工期、減少費(fèi)用，產(chǎn)生地表塌陷后，要果斷停工，采用地表處理方式，最終把損失降到最低。

（4）此次4 號(hào)施工支洞突水突泥、地表塌陷原因及處理措施，希望能對(duì)隧洞的后續(xù)施工開挖和類似巖溶地區(qū)隧洞施工起到借鑒與參考作用。