肖吉維

（湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽(yáng) 413000）

0 引言

巖溶作為一種特殊的地質(zhì)條件，在我國(guó)分布面積達(dá)國(guó)土面積的13%，廣泛分布于廣西、云南、貴州、四川、湖北、山西、山東等地區(qū)。近年來(lái)，隨著國(guó)家高速公路建設(shè)規(guī)模的不斷增加，高速公路隧道逐漸向崇山峻嶺、地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)邁進(jìn)，巖溶隧道也越來(lái)越多。巖溶隧道在施工過程中，極易因巖溶水的泄放、溶洞填充物的塌陷而改變圍巖原有應(yīng)力分布情況，導(dǎo)致圍巖整體穩(wěn)定性差，誘發(fā)隧道掌子面突泥、涌水、掉塊、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)隧道施工安全造成極大的威脅。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)巖溶隧道開展了大量而深入的研究工作，宋瑞剛[1]結(jié)合巖溶隧道的工程特點(diǎn)，分析其對(duì)隧道安全性的影響，總結(jié)勘察設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及施工方案；林國(guó)濤[2]結(jié)合工程案例，深入分析巖溶與隧道的位置關(guān)系，利用力學(xué)分析手段研究巖溶隧道的突泥機(jī)理及防治措施；呂言新[3]針對(duì)大瑤山隧道高壓、富水、巖溶分布多的特征，研究巖溶隧道注漿堵水措施，為巖溶隧道施工安全提供技術(shù)支撐；解東升[4]分析了高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道在施工過程中產(chǎn)生突水突泥病害的主要影響因素，提出突水突泥預(yù)測(cè)技術(shù)體系。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合四方山巖溶隧道的工程實(shí)例，全面分析其工程特性，研究其塌方形成機(jī)理，并有針對(duì)性地制定巖溶隧道塌方處治對(duì)策，為類似研究工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地形地貌

四方山隧道為特長(zhǎng)分離式隧道，其左右線長(zhǎng)度分別為3 405 m、3 390 m。隧址區(qū)屬低山丘陵區(qū)，隧道進(jìn)出口處坡面均較為平緩，其坡角約為25°～35°，坡體兩側(cè)分布有小型溝壑，其走向與隧道軸線平行。隧址區(qū)處于復(fù)式背斜地形，其巖層整體呈單斜構(gòu)造，中部夾有褶皺，地層裂隙較為發(fā)育。隧道穿越地層主要為砂巖、石灰?guī)r，其節(jié)理裂隙發(fā)育，且地下水系發(fā)育，溶洞分布較多，圍巖整體穩(wěn)定性較差，對(duì)施工安全影響較大。該隧道地形地貌現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口地形地貌情況

1.2 氣象及水文條件

隧址區(qū)氣候條件屬典型的亞熱帶溫濕氣候，四季分明，局部小氣候效應(yīng)明顯，雨量充沛。隧址區(qū)年平均降雨量達(dá)950 mm，每年5月至9月為汛期。隧址區(qū)河流較多，均屬珠江水系，地表降雨、河流形成的地表水水量較大，同時(shí)由于隧址區(qū)橫坡較為平緩，地表水極易下滲，溶洞內(nèi)水量補(bǔ)給充足。隧址區(qū)地下水類型主要為裂隙潛水、孔隙水、巖溶水等，其主要來(lái)源為入滲補(bǔ)給及區(qū)域外滲流補(bǔ)給。

1.3 地層巖性

根據(jù)隧址區(qū)勘探資料顯示，隧址區(qū)地層情況主要為第四系殘坡積層（Q4el+dl）、三疊系下統(tǒng)羅樓群（T11）灰?guī)r、砂巖，以及侏羅紀(jì)下統(tǒng)汪門組J1w砂巖，其地層從上到下依次為：

a）第四系殘坡積層（Q4el+dl）巖體呈褐色，主要有碎石、黏土組成，巖層厚度為0.5～28.0 m之間，主要分布于地表斜坡平緩地帶，為隧道洞口段的主要圍巖。

b）三疊系下統(tǒng)羅樓群（T11）灰?guī)r 巖體呈灰黃色，主要由長(zhǎng)石、石英、伊利石、蒙脫石組成，顆粒較細(xì)，呈中薄層構(gòu)造，弱風(fēng)化，圍巖完整性較差。

c）三疊系下統(tǒng)羅樓群（T11）砂巖 巖體呈灰白色，主要由長(zhǎng)石、石英、云母組成，顆粒成分為中細(xì)粒，呈厚層構(gòu)造，弱風(fēng)化，圍巖完整性相對(duì)較好。

1.4 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

該隧道設(shè)計(jì)理念采用新奧法原理，施工工法采用上下臺(tái)階法，循環(huán)進(jìn)尺不大于1.5 m。隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用I20a型鋼拱架，其沿隧道軸向間距為65 cm，鋼拱架為全環(huán)形設(shè)計(jì)；兩榀鋼拱架之間設(shè)置有內(nèi)外兩層連接鋼筋，其環(huán)形間距為0.8 m，內(nèi)外層交錯(cuò)設(shè)置；鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋，其內(nèi)外兩層的間距均為20×20 cm；系統(tǒng)錨桿采用Φ22砂漿錨桿，長(zhǎng)度為4 m，環(huán)向間距為1 m，縱向間距為0.65 m；噴射混凝土采用26 cm厚的C25混凝土，二次襯砌采用厚度為50 cm的C25鋼筋混凝土，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體情況如圖2所示。

2 塌方形成過程及機(jī)理分析

2.1 塌方具體形成過程

隧道左線進(jìn)口開挖至ZK76+748時(shí)，掌子面后方已施作完成的初期支護(hù)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，并發(fā)出明顯的混凝土開裂聲，隨后現(xiàn)場(chǎng)人員緊急撤離。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察后發(fā)現(xiàn)，該段隧道初期支護(hù)產(chǎn)生多條裂縫，且隨著時(shí)間的推移，初期支護(hù)變形不斷增大，裂縫持續(xù)發(fā)展，隧道拱頂及拱腰部位產(chǎn)生明顯剪切變形。同時(shí)，局部格柵鋼架嚴(yán)重扭曲，混凝土開裂嚴(yán)重，最終發(fā)展為隧道塌方。

塌方發(fā)生時(shí)，大量溶洞填充物涌出，其主要由碎石土、黏性土組成，呈流塑狀，結(jié)構(gòu)較為松散。塌方體涌入隧道后，堵塞整個(gè)隧道開挖面，其沿隧道軸向長(zhǎng)度約15 m，塌方量達(dá)1 200 m3；塌方共導(dǎo)致7榀格柵鋼架嚴(yán)重變形，且該段隧道初期支護(hù)嚴(yán)重破損，需進(jìn)行拆除重新施工。本次塌方空間位置分布情況如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖4所示。

圖3 塌方空間位置分布示意圖（單位：m）

圖4 隧道塌方現(xiàn)場(chǎng)情況

2.2 塌方形成機(jī)理分析

隧道掌子面前方存在大型溶洞，其內(nèi)部填充有碎石、黏性土，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，而在隧道施工過程中，圍巖在開挖卸荷作用下受到擾動(dòng)，溶洞內(nèi)填充物穩(wěn)定性遭受破壞。然而，在地質(zhì)勘察過程中并未準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到該溶洞，導(dǎo)致該段隧道在施工過程中仍采用常規(guī)手段，初期支護(hù)強(qiáng)度并未加強(qiáng)，導(dǎo)致初期支護(hù)強(qiáng)度不足以支撐溶洞內(nèi)填充物的壓力，使得初期支護(hù)產(chǎn)生大變形，溶洞填充物及上部圍巖坍塌，涌入隧道內(nèi)部，形成塌方體。

隧址區(qū)內(nèi)地下水豐富，地表水補(bǔ)給充分，且隧道圍巖結(jié)構(gòu)疏松，滲透性較好，導(dǎo)致地下水滲入溶洞，而溶洞內(nèi)部填充物含有大量的黏性土，其在地下水作用下呈流塑狀，強(qiáng)度極差。在開挖卸荷作用下，圍巖應(yīng)力重新分布，原有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以支撐其荷載，導(dǎo)致隧道塌方的發(fā)生。

3 塌方處治對(duì)策

3.1 基本穩(wěn)定區(qū)的處治

隧道塌方發(fā)生后，對(duì)于已施作初期支護(hù)但未施作二襯部分，其未產(chǎn)生變形破壞的隧道段可視為基本穩(wěn)定區(qū)。為最大限度保證基本穩(wěn)定區(qū)的整體穩(wěn)定性，避免后期變形影響到該區(qū)域，該項(xiàng)目采用“早封閉、二襯快跟進(jìn)”的防治措施，其中二次襯砌可采用跳躍式施工方法，即在巖溶地段應(yīng)先施作離溶洞最近的隧道段二襯，避免初期支護(hù)產(chǎn)生過大變形。對(duì)于局部無(wú)法盡快施工的二襯段，應(yīng)采用小導(dǎo)管注漿法對(duì)隧道徑向圍巖進(jìn)行注漿加固，其注漿管長(zhǎng)度不小于3 m，孔位分布間距為1.0×1.0 m，呈梅花型布設(shè)。注漿管前端應(yīng)加工成錐形，管壁上布設(shè)有直徑為8 mm的小孔，孔間距為5×5 cm。漿液可根據(jù)圍巖具體情況采用水泥漿液或水泥-水玻璃漿液，其注漿壓力不小于1.5 MPa。隧道開挖過程中，下臺(tái)階與上臺(tái)階錯(cuò)開距離不小于3 m，仰拱及時(shí)施作，盡快成環(huán)。

3.2 塌方影響區(qū)的處治

隧道塌方掌子面后方10 m范圍內(nèi)可界定為塌方影響區(qū)，其初期支護(hù)變形較大，格柵鋼架扭曲變形嚴(yán)重，因此需對(duì)其進(jìn)行換拱處治，并對(duì)其圍巖進(jìn)行注漿加固。首先，拆除原有格柵鋼架，鑿除侵限的初支噴射混凝土，安裝I20a型鋼拱架，縱向間距為0.7 m，并焊接雙層鋼筋網(wǎng)片，其間距為20×20 cm；隨后噴射25 cm厚的C25混凝土，并打設(shè)鎖腳錨桿，其采用直徑為25 mm、長(zhǎng)度為3.5 m的砂漿錨桿，其具體布設(shè)情況如圖5所示。在隧道圍巖注漿方面，采用直徑為42 mm、長(zhǎng)度為6 m的小導(dǎo)管，其外插角度為30°，環(huán)向間距為1.0 m，縱向間距為1.5 m，呈梅花型布設(shè)；漿液可采用水泥-水玻璃雙漿液，水玻璃濃度應(yīng)為35波美度，注漿壓力不小于1.5 MPa。

對(duì)影響區(qū)內(nèi)的塌方體處治過程中，應(yīng)采用微臺(tái)階掘進(jìn)法，預(yù)留核心土，保證開挖體整體穩(wěn)定，對(duì)局部存在的大型孤石應(yīng)切割后再進(jìn)行開挖，不宜采用爆破開挖法，其循環(huán)進(jìn)尺不應(yīng)大于0.5 m，仰拱應(yīng)盡快封閉成環(huán)，其現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖6所示。

圖5 隧道塌方影響區(qū)處治結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 隧道塌方影響區(qū)塌方體處治現(xiàn)場(chǎng)情況

3.3 塌方發(fā)生區(qū)的處治

對(duì)于隧道塌方發(fā)生區(qū)，主要采用加強(qiáng)支護(hù)、注漿加固及陷穴回填措施進(jìn)行處治。首先，將原有支護(hù)結(jié)構(gòu)型式變更為“鋼拱架+鎖腳錨管+環(huán)向小導(dǎo)管+雙層鋼筋網(wǎng)+C30噴射混凝土”的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，其鋼拱架采用I20a型，縱向間距為0.5 m，連接鋼筋采用Φ22螺紋鋼，環(huán)向間距為1.0 m；錨管采用直徑為42 mm的小導(dǎo)管，長(zhǎng)度不小于3.5 m；鋼筋網(wǎng)片采用φ8鋼筋，其間距為20×20 cm，搭接長(zhǎng)度不小于10 cm。在陷穴填充方面，首先通過布設(shè)小導(dǎo)管對(duì)陷穴空腔內(nèi)塌方體進(jìn)行注漿，待注漿體強(qiáng)度形成后，通過導(dǎo)管泵送早強(qiáng)混凝土，第一次填充50%，待混凝土強(qiáng)度達(dá)80%后，再填充第二次，填充至100%，其具體處治措施如圖7所示。

圖7 隧道塌方區(qū)處治結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

a）該隧道在施工過程中產(chǎn)生塌方主要原因在于3個(gè)方面，首先隧道掌子面前方存在大型溶洞，其內(nèi)部填充有碎石、黏性土，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低，在施工擾動(dòng)，溶洞內(nèi)填充物穩(wěn)定性遭受破壞；其次，溶洞段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未加強(qiáng)，無(wú)法承受其填充物壓力，導(dǎo)致初期支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形；最后，溶洞內(nèi)部填充物含有大量的黏性土，在地下水作用下呈流塑狀，強(qiáng)度極差，進(jìn)一步加劇了塌方的產(chǎn)生。

b）對(duì)于隧道基本穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)采用“早封閉、二襯快跟進(jìn)”的防治措施，二次襯砌可采用跳躍式施工方法，而對(duì)于局部無(wú)法盡快施工的二襯段，應(yīng)采用小導(dǎo)管注漿法對(duì)隧道徑向圍巖進(jìn)行注漿加固；對(duì)于塌方影響區(qū)，因初期支護(hù)變形較大，鋼拱架扭曲變形嚴(yán)重，需對(duì)其進(jìn)行換拱處治，并對(duì)其圍巖進(jìn)行注漿加固；對(duì)于隧道塌方發(fā)生區(qū)，主要采用加強(qiáng)支護(hù)、注漿加固及陷穴回填措施進(jìn)行處治。