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喀斯特岩溶地区隧道塌方冒顶对策方案研究

2020-12-01 395 上传者：管理员

摘要：喀斯特岩溶地区隧道建设地质条件复杂，岩溶塌方冒顶是施工中经常遇到的难题。通过喀斯特岩溶地区凤凰隧道塌方冒顶实例，对该隧道塌方冒顶的经过与原因进行了分析，提出了处置岩溶地区塌方冒顶的实施方案，方案行之有效，可供类似地区隧道、隧洞工程施工提供参考。

关键词：
地质条件
塌方冒顶
岩溶地区
隧洞工程
隧道
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岩溶导致的塌方突泥突水冒顶是喀斯特地区隧道建设中经常遇到的难题，地下突泥、突水、地表塌陷给岩溶治理带来新的挑战，轻者带来工期损失，重者造成人员伤亡和财产损失，处理不善将会降低后期隧道使用可靠度甚至危害正常使用，损失不可估量。因此，妥善有效的处理方案对于岩溶隧道塌方冒顶施工就显得尤为重要。

1、工程案例

1.1工程概况

凤凰隧道位于贵州省织金县花红村，隶属于G321青山至织金城关段，为单洞双线隧道，隧道设计时速40km/h，建筑限界净宽10.5m，净高5.0m。隧道桩号为K1+640～K2+510，总长870m，最大埋深约88m。隧道平面线形进口段位于直线段，出口段位于R=600m的圆曲线上。隧道纵坡为人字坡，进口段为1.14%上坡，洞身及出口段为-2.59%下坡。

1.2工程地质情况

根据工程地质调绘及勘探成果揭示，该隧道所在的山体属溶蚀侵蚀中低山，进出口地形坡度为45°～60°。全段地层为二叠系下统茅口组(P1m)地层，根据岩性分为两个岩性段:第一段(P11m)为中厚层～厚层块状灰岩;第二段(P21m)为深灰色薄至中厚层硅质灰岩。隧址区位于珠藏向斜西南翼，岩层呈单斜产出。该隧道工程段地质构造不发育，隧道区内无大型断层发育通过，隧道沿线岩层为单斜产出岩层总体产状为320°～350°∠5°～10°，岩层走向与隧道轴线小角度斜交。

主要地下水类型:基岩裂隙水、岩溶管道水，隧道沿线地下水位多低于隧道结构底板。岩溶强发育，分期为山盆二期，发育高程为1310m～1360m。塌方段K2+063～K2+083原地质划分为Ⅳ级围岩。

1.3原支护类型

K2+063～K2+083段采用S-Ⅳa级复合式衬砌支护，支护形式分为超前支护+初期支护+二次衬砌。超前支护采用42×4mm注浆小导管(L=4.0m)，钢管环向间距约40cm，外插角控制在10°～15°左右，尾端支撑于钢架外侧，每排小导管纵向至少需搭接1.0m;初期支护采用22cm厚喷射C20混凝土，挂6.5钢筋网，打设22药卷锚杆(L=3.0m，间距80cm×120cm)，辅以22锁脚锚杆，Ⅰ16型钢拱架(间距80cm)，预留变形量8cm;二次衬砌采用40cm厚C30二级配素混凝土。

2、冒顶过程

该段隧道从2018年4月初第一次岩溶处理至9月底最终处理完成前后经历了将近6个月的时间，主要经历了4个阶段，每个阶段施工方均进行了针对性岩溶处理，但依然无法阻挡最终突泥冒顶的发生，整个过程复杂多变，具体如下。

2.1第一阶段:原状溶洞

2018年4月2日，隧道开挖至K2+063桩号，掌子面右边墙靠近拱顶部位揭露一溶洞。溶洞总体沿垂直洞轴线方向发育，呈狭长型，宽度为2m～4m，可见高度大于17m。溶洞内充填块、碎石及粘土，块、碎石含量约70%，块石最大粒径3m～4m，一般粒径10cm～50cm。开挖过程中地下水丰富，沿溶洞壁见股状水流，水流量约3L/s～8L/s。靠近拱顶部位发育有一脱离母岩的大孤石，大孤石高度17m～21m，宽度3m～4m，厚度2m～3m。

2.2第二阶段:岩溶通道堵塞，初支变形

4月15日，隧道K2+070～K2+078桩号右边墙系溶洞充填物区域，因爆破震动、排水不畅等原因，局部出现初支钢支撑开裂(缝宽6cm～8cm)、初期支护变形，变形区域局部已侵占二衬断面空间，边墙多处出现渗流迹象。

2.3第三阶段:初期地表塌陷

5月19日，施工单位在进行该部位下导坑及仰拱开挖时，拱顶至右侧边墙出现塌方，塌方量约150m3，为黏土夹碎石，拱顶多处渗水，隧道施工通道被塌方阻断;同时隧道上方地表出现塌陷，塌陷范围约10m×7m，塌陷深度约2m。

2.4第四阶段:突泥冒顶，塌坑呈漏斗状

6月5日，处理工作尚未实施完毕，因连日降雨，K2+068～K2+080段洞内出现大量塌方突泥，涌泥冲出冒顶桩号约60m，地表深坑进一步扩大，塌方冒顶面貌见图1，图2。沿隧道轴线方向塌陷长度约50m～60m，平行于掌子面方向塌陷宽度约30m，塌陷深度约30m，塌陷方量约5000m3。受主汛期强降雨影响，地表汇水及岩溶管道水从塌坑内流入洞内，导致溶洞内粘土填充物含水量增大呈软～流塑状，隧道进口端有大量填充物从隧洞右边墙溶洞口流入、挤入隧洞内，处理工作停止施工。

图1地表冒顶塌陷

图2洞内塌方突泥

3、处理方案

3.1地质补勘及冒顶原因分析

多次处理未果，塌坑冒顶范围有逐渐扩大的趋势，危及临近35kV线塔，严重制约隧道建设工期，为进一步摸清溶洞及管道发育规律，地勘进行了地质CT补勘工作。

通过补勘资料分析(分析资料见图3)，塌陷坑地处分水垭口位置。地表的集雨面积相对较小，该塌陷坑内，主要地下水来源为基岩裂隙水。地表的封闭、回填处理，对防止地下水(基岩裂隙水)汇入塌陷坑，作用不明显。

岩溶破碎体主要集中在右侧边墙上下方区域，呈漏斗状，填充物多为黏土夹碎石，周边为厚状灰岩。隧道边墙右上方原为冲蚀型空腔，局部为薄壁岩体，接近地表上方为覆盖层，经施工爆破震动局部岩体掉落，地表出现塌陷，原岩溶管道堵塞，造成水压力不断增大，初期支护变形。受汛期强降雨影响，填充物在水力作用下规模不断壮大，使得逐渐变形失效的初期支护出现脆性破坏发生突泥冒顶。处理方案应重视裂隙水的引排与漏斗充填物的加固，在超强支护措施处理下，使裂隙水岩溶管道改道并恢复正常流通。

图3物探分析成果

3.2处理措施

根据前几次地表塌陷分析，岩溶塌陷发生前，均有强降雨情况。若在汛期施工，由于降雨的不可预测及处理周期，存在再次塌方的安全隐患，但隧道工期的迫切性不允许拖至枯期(10月份以后)再施工，结合当前出口工作面即将贯通，该段岩溶处理具备双工作面同时处理条件，可缩短处理周期，降低施工风险。具体处理方案如下:

1)溶洞顶部塌坑周边设警戒线防止人畜靠近，做好塌坑周边临时截排水措施，防止雨水继续灌入塌坑及隧道内，加强地表值班巡视和监测。

2)根据天气预报避开强降雨期，从进出口两个工作面同时施工，两端采用石渣反压回填形成施工平台逐步接近溶洞部位，回填反压长度10m，在靠近溶洞口部位置(K2+083部位、K2+063部位)施作简易钢支撑喷混凝土套拱，采用管棚台车打设108×6大管棚作为超前支护，管棚环向间距40cm，单根长12m，管棚中间交叉搭接长度不小于5m，倾角5°～7°，管棚注浆采用1∶1水泥浆液，注浆压力1.5MPa～2.0MPa。打设50钢花管作为排水孔，间排距1m×1m，呈梅花形布置。

3)上述措施施工完成后，K2+063～K2+083溶洞段辅以斜向注浆钢花管超前对坍塌段进行开挖拆换，斜向注浆钢花管长4.5m，环向间距80cm，纵向间距50cm，环向与超前大管棚间隔布置，注浆采用1∶1水泥浆液，注浆压力1.0MPa～1.5MPa，每循环斜向注浆钢花管注浆完成后进行逐榀开挖拆换，施工中加强监控量测及安全管理，确保施工安全。

4)初期支护采用Ⅰ20b型钢拱架，间距50cm，设置双层钢筋网，喷28cm厚C20混凝土，预留变形量28cm，钢拱架及初期支护封闭成环，上断面开挖拆换完成后，及时开挖施工下台阶及仰拱，使支护结构封闭成环。二次衬砌采用55cm厚C30钢筋混凝土，并加强该段二次衬砌钢筋。加强K2+063～K2+083段两端各10m范围内二次衬砌钢筋混凝土结构。

5)溶洞坍塌及前后10m范围内加强隧道排水系统，环向排水管采用80打孔波纹管，纵向间距2m/道。

6)隧道二次衬砌施工完毕并待混凝土达到龄期后，对溶洞顶部地表塌坑采用土石进行分期分层回填，回填高度与较低一侧齐平，并设不小于2%的坡度，确保塌坑内不积水，待后期沉降稳定后，对塌坑地表进行喷播绿化。

7)施工过程中加强监控量测，发现异常情况及时撤出人员及设备，并在该段设置逃生通道，以确保施工安全。

3.3实施效果

凤凰隧道K2+063～K2+083溶洞突泥冒顶段于7月中下旬开始双工作面处理，8月中旬二衬顺利通过，9月下旬完成上部冒顶塌陷洞回填，施工过程安全顺利。至此历经将近6个月的溶洞冒顶处理全部完成，根据布设的位移监测显示，最大拱顶下沉量95mm。通过近一年的监控量测，地表下沉和二衬拱顶下沉已经稳定。

4、结语

通过对该溶洞全阶段跟踪与处理，从最初的岩溶空腔衍化为岩溶管道堵塞钢拱架变形，再到后来的大范围塌陷冒顶与突泥，整个过程岩溶管道水是助推溶洞处理条件不断恶化的重要因素。隧道溶洞处理应加强对岩溶管道水的引排，避免回填堵塞，这是施工中的难点和重点。岩溶空腔初期处理效果至关重要，加强措施、减少周边扰动可降低溶洞塌方冒顶发生概率。双向洞口回填反压+大管棚超前注浆支护是隧道塌方突泥冒顶处理行之有效的方法，及时跟进二衬形成闭环是降低安全风险、减少二次塌陷风险的重要手段。过程中须加强地表塌坑的管理，二衬达到龄期后方可分期分层回填，回填材料可选择原状土石或其他轻型材料，注重地表植被恢复和排水。此外，施工过程中应加强地质超前预报，地质资料的准确性对决策至关重要。本文阐述了喀斯特岩溶地区凤凰隧道塌方突泥冒顶的处理方案，该方案安全有效，可供类似工程的处理施工提供参考。

参考文献：

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