郭海坡

灰?guī)r夾頁巖地質(zhì)隧道溶洞及地表塌陷技術探究

郭海坡

(中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000)

結(jié)合漆樹壩隧道的工程與水文地質(zhì)條件，對該隧道地表塌陷事故進行了現(xiàn)場勘察，分析了其溶洞特征和需要解決的問題，并提出了溶洞及地表塌陷的綜合處理技術，達到了預期的施工效果。

隧道，溶洞，地表塌陷，掌子面

0 引言

灰?guī)r夾頁巖地質(zhì)特性有本身的特殊性，頁巖具弱膨脹性，遇水容易軟化，巖體強度降低?；?guī)r夾頁巖巖溶發(fā)育增加了工程施工困難。漆樹壩隧道在該段施工中遇到了溶洞，并造成洞內(nèi)坍塌及洞頂?shù)乇硭?，施工發(fā)現(xiàn)有涌泥現(xiàn)象后，項目及時組織撤離人員機械設備，未造成人員財產(chǎn)直接損失。并對坍塌和地表陷坑進行了科學有效的技術處理。地表塌坑位置有大面積水田，坍塌段造成水位降低，地表水不能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，處理后達到該段水文環(huán)境的自然狀態(tài)。該段通過監(jiān)控量測觀測，拱頂下沉及收斂在規(guī)定范圍之內(nèi)，也成為一個成功案例。

1 工程概況

漆樹壩隧道位于陜西省勉縣境內(nèi)大巴山低中山區(qū)，在大巴山間潮河、干溝、大水溝等溝谷底部通過。區(qū)域內(nèi)平均海拔為1 080 m，最高海拔為1 369 m，隧道最大埋深392 m，最小埋深38 m。洞身地表起伏較大，地表自然坡度30°～80°，地形復雜。隧道全長7 225.7 m，為雙線隧道，其中200 m灰?guī)r夾頁巖溶蝕發(fā)育位于埋深范圍38 m～48 m，埋深最淺處上部溝谷有10余米寬常年流水通過，常年正常水深0.6 m左右，且有大片水田。

1.1 工程地質(zhì)條件

隧道工程涉及主要地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積膨脹土、洪積粗角礫土、沖積卵石土，志留系下統(tǒng)頁巖，奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，奧陶系下統(tǒng)砂巖夾礫巖、灰?guī)r夾砂巖等，受多期構(gòu)造活動影響，內(nèi)部構(gòu)造極其復雜，構(gòu)造變形強烈，一般由南向北被斷層切割的現(xiàn)象逐步加劇，工點范圍內(nèi)發(fā)育有區(qū)域斷裂fa-3，該段褶皺構(gòu)造較發(fā)育，系由向西傾伏的復式背斜、向斜組成，受構(gòu)造影響，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。

其中論述段地層巖性為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，厚層狀構(gòu)造，巖石表面滴鹽酸冒氣泡，局部有溶孔和溶隙發(fā)育，巖溶發(fā)育程度為弱發(fā)育～微弱發(fā)育，采用Ⅳa型復合式襯砌結(jié)構(gòu)支護。地下水以碳酸鹽巖溶裂隙水為主。

1.2 水文地質(zhì)條件

漆樹壩隧道頂部及附近較大的溝谷皆有常年流水，水量豐富。且雨季水量增加顯著。流域面積為1.86 km2，流量為967 m3/d。

隧址區(qū)地下水的形成、分布受地形地貌、巖性、構(gòu)造、植被、降水量等多種因素控制和影響。特別是在構(gòu)造、巖溶作用下，巖溶發(fā)育帶、斷層破碎帶、巖性接觸帶、節(jié)理密集帶等，為地下水貯存和運移創(chuàng)造了良好的地質(zhì)條件。地下水貯存類型主要有碳酸鹽巖溶裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水。

區(qū)內(nèi)地下水的補給來源主要是大氣排水，其次為地表水。地下水的徑流狀態(tài)主要受地形地勢的控制，一般由分水嶺向河谷方向運移，即沿山坡向就近溝谷排泄，基本上與地表水流方向一致，徑流排泄是該區(qū)地下水的主要排泄方式。

由于地勢起伏較大，坡度大，地下水的徑流較短，水交替循環(huán)迅速，溶濾作用強烈而礦化作用微弱，隧道通過地段的地表水及地下水化學類型為:HCO3-Ca，HCO3·SO4-Na+K·Mg型水，礦化度小于0.6 g/L，pH值大于8，水質(zhì)呈弱堿性。

2 事件描述

8月12日15:30，施工掌子面里程為DgK293+867，揭示的地層巖性為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，中厚層狀，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，掌子面巖體完整性較差。掌子面有滲水。

出砟完成后，面向掌子面右側(cè)拱腰至拱頂處，有泥水混合物夾帶礫石滑落，在17:00采用噴射混凝土進行了封堵處理。泥水混合物夾帶礫石滑落現(xiàn)象持續(xù)至21:30仍在繼續(xù)，至8月13日早上基本不再有泥石從右側(cè)滑落，滑落泥石總計方量約100 m3。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，右側(cè)發(fā)育一溶洞，可見范圍內(nèi)縱向延伸約3 m，橫向延伸至邊墻外3 m～4 m，垂直高度拱頂以上約5 m，溶洞內(nèi)壁巖體受溶蝕作用影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體溶蝕破碎，內(nèi)壁表面局部可見泥土，土黃色，溶洞內(nèi)充填物為泥水混合物夾帶礫石。拱頂右側(cè)溶隙有股狀水流出，水量約1 400 m3/d。根據(jù)DgK293+ 867掌子面的地質(zhì)情況及超前地質(zhì)預報的結(jié)果分析，該溶腔發(fā)育范圍朝掌子面方向延伸至少8 m，高度大于7 m，溶腔內(nèi)為全充填礫石夾泥土。溶洞塌坑位置關系及地表環(huán)境見圖1。

圖1 溶洞塌坑位置關系及地表環(huán)境

3 勘察后情況及分析

1)中線剖面反映出測區(qū)表層為膨脹土、圓礫土，厚度約為5 m，下伏為志留系下統(tǒng)頁巖風化層，巖體較破碎，富水，厚度約為10 m～15 m，頁巖風化層下伏為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，其中，在里程DgK293+835～DgK293+875段存在向下延伸的異常低阻帶，結(jié)合地質(zhì)情況，推斷此處為巖溶發(fā)育區(qū)(見圖2)。

2)中線左剖面反映出，在DgK293+830～DgK293+890段表層為膨脹土、圓礫土，厚度約為5 m，下伏為志留系下統(tǒng)頁巖風化層，巖體較破碎，富水，厚度約為10 m～15 m，頁巖風化層下部為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，其中，在里程DgK293+835～DgK293+ 875段存在向下延伸的異常低阻帶，結(jié)合地質(zhì)情況，推斷此處為巖溶發(fā)育區(qū)(見圖3)。

圖2 中線剖面圖

圖3 中線左剖面圖

3)中線右剖面反映出，在DgK293+830～DgK293+890段表層為膨脹土、圓礫土，厚度約為5 m，下伏為志留系下統(tǒng)頁巖風化層，巖體較破碎，富水，厚度約為10 m～15 m，風化層下伏為志留系頁巖，巖體較破碎，頁巖下部為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖，無明顯異常低阻帶(見圖4)。

圖4 中線右剖面圖

4)橫剖面:由于地表為水稻田，較濕潤，為膨脹土、圓礫土，在覆蓋層下部為志留系下統(tǒng)頁巖，巖體較破碎，下伏為奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r夾頁巖。

DgK293+850橫剖面圖中，在左線線路中線左側(cè)，存在一向下延伸的異常低阻帶，結(jié)合地質(zhì)情況，推斷此異常為巖溶發(fā)育區(qū);

DgK293+860橫剖面圖中，在左線線路中線左側(cè)，有一處向下延伸的異常低阻帶，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況推測為巖溶發(fā)育區(qū);

DgK293+870橫剖面圖中，在左線線路中線左側(cè)有一處向下延伸的異常低阻閉合圈，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況推測為巖溶發(fā)育區(qū)。

4 溶洞工程特征分析及需要解決的問題

結(jié)合DgK293+828～DgK293+890段勘察階段資料、施工開挖中巖溶揭示情況、地表塌陷情況及補充勘察資料綜合分析，DgK293+828～DgK293+890段地表塌坑位于DgK293+859～DgK293+867段左線線路中線左側(cè)5 m，右側(cè)3 m;隧道洞內(nèi)施工揭示的巖溶發(fā)育段落為DgK293+838～DgK293+870段，其中施工中發(fā)生巖溶塌陷的段落為DgK293+850～DgK293+870段。結(jié)合高密度電法探測結(jié)果分析認為:

DgK293+828～DgK293+890段巖溶主要發(fā)育在DgK293+ 835～DgK293+875段左線線路中線左側(cè)20 m、右側(cè)10 m范圍內(nèi)。

該段地表灌溉水易下滲進入隧道內(nèi)，導致該區(qū)域內(nèi)水田不能蓄水。為阻止地表水下滲入隧道內(nèi)，保證隧道工程運營安全，同時減少地表水流失，保證居民正常的生產(chǎn)活動，需對地表加固防滲處理。

根據(jù)溶洞和地表塌陷的現(xiàn)象和過程分析，隧道遇到填滿飽和水分的填充物溶槽，當開挖至邊緣時，含水填充物不斷涌入隧道內(nèi)，溶槽內(nèi)形成空腔，逐步剝落槽壁，頂部破損巖石隨之崩塌，加之隧道埋深較淺，頂部壓力劇增，最終造成地表開裂下沉。

塌方出現(xiàn)后，需要解決的幾個問題:確保人員安全的情況下不發(fā)生二次坍塌和次生災害;保證后續(xù)施工安全推進;不給運營留隱患，一次處理到位;洞頂塌坑回填處理后并達到自然的水文環(huán)境，不影響水田繼續(xù)耕種。

5 溶洞及地表塌陷綜合處理技術

溶洞段處理主要為地下水和填充物的處理，防止突水涌泥，巖溶及基地處理不留隱患，達到地表水文環(huán)境平衡。必須根據(jù)地質(zhì)預報的情況，判斷分析堵排結(jié)合一勞永逸的綜合處理方案見圖5。

注：洞身及仰拱基底巖溶發(fā)育區(qū)已在現(xiàn)場施工過程中處理

圖5 溶洞坍塌處理圖

5.1 掌子面應急處理

緊急調(diào)集水泵設置臨時水倉對涌水進行抽排，防止圍巖浸水時間過長造成基地軟化;采用棄砟土對掌子面進行反壓回填，并對淤泥砂礫進行置換，確保掌子面臨時穩(wěn)定;噴射混凝土對掌子面及塌體進行臨時封閉，并設置3 m混凝土止?jié){墻。

5.2 超前地質(zhì)預報

漆樹壩隧道采用TgP203地震反射法、物探法、振法、全斷面地質(zhì)素描、紅外探水和超前長距離鉆探及炮眼加深法進行綜合超前地質(zhì)預測預報。對圍巖破碎帶和富水帶及特殊地質(zhì)主要采用TSP203地震反射法、地質(zhì)雷達、紅外探水和超前長距離鉆探進行綜合超前地質(zhì)預測預報進行預測和驗證，及時反饋并指導現(xiàn)場施工，確保現(xiàn)場施工安全。斷面設四個超前探水孔、進行超地質(zhì)預報和探測。超前探孔布置見圖6。

5.3 超前預注漿

超前地質(zhì)預報探明在溶洞突水突泥地段，應采用25 m長超前全斷面預注漿，預注漿有效注入范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m;注漿孔徑為108，注漿壓力一般控制在1.5 MPa～1.0 MPa，每循環(huán)注漿段長度30 m，開挖長度為25 m，留5 m作為下一循環(huán)注漿的止水巖盤，第一循環(huán)采用5 m厚C20混凝土止?jié){墻。

注漿由外圈向內(nèi)圈，同一圈孔間隔施工，先無水孔后有水孔，采用前進式分段注漿。注漿鉆孔孔口位置應準確定位，與設計位置的容許偏差為±5 cm，偏角應符合設計要求，每鉆進一段，檢查一段，及時糾偏，孔底位置偏移應小于30 cm。鉆孔時遇涌水或因地層破碎卡鉆時，停止鉆進，進行注漿，然后掃孔再鉆進，再注漿。除出水量很大的注漿孔外，一般注漿孔先進行壓水試驗，據(jù)此修正注漿參數(shù)。

5.4 通過溶洞發(fā)育區(qū)段的處理

施工遵循基本方針“堆碴反壓、監(jiān)測反饋、鉆孔放水、穩(wěn)步開挖、提高支護等級、增強襯砌類型”。

1)開挖、支護。超前支護:在DgK293+871處拱部范圍設置一環(huán)T76L自進式管棚，管棚長度16 m，環(huán)向間距50 cm，共計36根。拱部設 φ42超前小導管，縱向每2.0 m一環(huán)，長度為3.5 m，環(huán)向間距0.5 m，并注水泥漿。

開挖方法:施工方法采用三臺階弱爆破法開挖施工。減少圍巖擾動，每次開挖支護進尺不得大于1榀鋼架間距，中、下臺階開挖時左、右側(cè)應交錯進行，同一榀鋼架基礎不應同時懸空。開挖后掌子面必須迅速使用噴射混凝土封閉，初期支護盡早封閉成環(huán)。

支護參數(shù):拱墻采用Ⅰ22a型鋼鋼架，縱向間距0.5 m/榀。鎖腳錨管采用注M20水泥砂漿錨固，應與鋼架連接牢固。上臺階右側(cè)鋼架拱腳沿隧道縱向設置縱梁，縱梁采用Ⅰ22a型鋼鋼架，并應與初期支護鋼架焊接牢固，縱梁兩端應嵌入完整基巖內(nèi)。溶洞處預留φ300泵送混凝土管，預埋管長度不小于2 m，采用C30泵送混凝土，回填厚度不小于2 m，并注水泥漿對溶洞內(nèi)填充物加固。采取雙液注漿(水泥漿、水玻璃濃度為35Be)對圍巖進行加固堵水。

施工注意事項:溶洞內(nèi)預埋5根直徑為200 cm的PVC管，作為排水通道，暫按引入右側(cè)(面向掌子面)側(cè)溝內(nèi)，管口應高于泵送混凝土面，保持溶洞排水暢通。加強施工用水管理，禁止亂排，隧道內(nèi)的水應及時排出，防止積水浸泡墻腳。掌子面不同位置選擇3個炮孔加深至5 m，以探明前方地質(zhì)情況。

2)襯砌。仰拱超前施工，施工前基底巖溶、巖隙進行注漿填充加固，加固引導地下水與中心水溝聯(lián)通，不得完全堵死地下過水通道，確保運營期間基地不沉降，不隆起。根據(jù)量測結(jié)果，及時加固穩(wěn)定，及早襯砌，滿足步距要求和結(jié)構(gòu)整體受力。

5.5 地表塌坑處理

洞內(nèi)該段二襯施工完成后，再進行地表塌坑處理。該溶洞處于溶槽段，地表為溝谷有常年流水和大量水田，因此與地面存在較強的水力聯(lián)系，如果進行堵水處理，長期排放會影響周圍環(huán)境、隧道穩(wěn)定性和運營安全。所以須通過地表有效注漿進行溶洞的加固和聯(lián)系水的封堵。

1)袖閥管注漿。根據(jù)漆樹壩隧道洞頂?shù)乇硭菡畏桨秆杏憰＜乙庖?，采取袖閥管注漿方案封堵地下水的處理方案，防止地下水下滲。注漿范圍為左線線路中線左側(cè)23 m，右側(cè)13 m，總的加固范圍為45 m×36 m。

2)地表耕種層處理。地表以下2.5 m進行無漿處理后，地表塌坑先采用粘土分次回填，每次回填倒入的粘土不得大于0.5 m3。填至于地表1 m以內(nèi)采用淤泥質(zhì)及有機土回填。

5.6 監(jiān)控量測

量測斷面布置及檢測頻率:洞內(nèi)觀察分為開挖工作面觀察和支護表面狀況觀察兩部分。開挖工作面觀察應在每循環(huán)開挖完成后及時進行。隧道初期支護量測點應在隧道開挖完成后12 h內(nèi)布設完成，并及時讀取數(shù)據(jù)。支護的表面觀察每天至少進行兩次，觀察內(nèi)容包括噴射混凝土、錨桿、鋼架的表面外觀狀況等。洞外觀察主要為地表沉降觀察及地表水滲透等觀察，地表沉降測點和隧道內(nèi)測點應布置在同一斷面里程。不良地質(zhì)地段施工時，應加密布置量測斷面，并適當增大監(jiān)控量測頻率。隧道拱頂下沉和凈空變化的量測斷面間距:Ⅳ級圍巖不得大于10 m，Ⅴ級圍巖不得大于5 m。

加強地表沉降監(jiān)測點，點位布置見圖7，洞內(nèi)外監(jiān)測頻率均為2次/d。

圖6 超前探孔布置圖

圖7 圍巖測點布置示意圖

6 效果評價

該段巖溶溶洞段洞內(nèi)襯砌及地表塌坑處理完成2個月后，根據(jù)監(jiān)控量測及測量資料數(shù)據(jù)顯示洞內(nèi)支護無開裂現(xiàn)象，拱頂下沉、凈空變化、地表沉降、工后沉降在規(guī)范規(guī)定之內(nèi)并已穩(wěn)定。隧底隆起變化為0。地表水田通過圍堰觀察無下滲現(xiàn)象。達到了預期處理效果。

7 結(jié)語

通過對該段巖溶溶洞處理，處理過程得益于超前地質(zhì)預報和監(jiān)控量測信息技術手段的應用，并根據(jù)分析結(jié)果使用了與之對應成熟的綜合施工處理技術。該方案可以作為處理巖溶溶洞及造成地表塌陷的通用做法。隨著隧道施工的發(fā)展會有更多的類似難題值得我們繼續(xù)探究。

［1］ 鐵道部第二工程局，鐵路工程施工技術手冊隧道(下冊) ［M］.中國鐵道出版社，2003.

［2］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術［M］.北京:人民交通出版社，2010.

Limestone clip shale stratum geological tunnels and surface collapsible techniques

Guo Haipo
(China Railway Tunnel Co.，Ltd，Zhengzhou 450000，China)

Combining with the engineering and hydrological and geological conditions of Qishu Dam Tunnel，the paper undertakes the on-site survey of the tunnel surface collapse accidents，analyzes the problems for the karst features，and points out the comprehensive treatment techniques of the karst and surface karst，so as to achieve the expected effect.

tunnel，karst，surface collapse，face

U457.2

A

1009-6825(2016)35-0179-03

2016-10-10

郭海坡(1978-)，男，工程師