趙宗波 謝永福 楊方林 王大兵 李 洲

(1.貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 貴陽 550001; 2.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督執(zhí)法支隊(duì) 貴陽 550001)

自十四五規(guī)劃以來,西南地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施得到了迅猛發(fā)展[1],地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大的隧道頻繁出現(xiàn)。巖溶(又稱喀斯特)在西南地區(qū)廣泛分布[2],其獨(dú)特的地貌環(huán)境和地質(zhì)條件為坍塌冒頂?shù)炔涣紴?zāi)害的發(fā)生提供了必要條件。在隧道穿越巖溶裂隙發(fā)育區(qū)時(shí),易因超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不細(xì)致、設(shè)計(jì)階段地質(zhì)調(diào)查深度不足、施工階段應(yīng)對(duì)措施不合理等因素,而造成冒頂事故[3]。為保障隧道施工安全,研究巖溶裂隙發(fā)育區(qū)隧道塌方冒頂誘因及控制具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外隧道學(xué)者對(duì)各個(gè)地區(qū)隧道冒頂機(jī)理進(jìn)行剖析并得到相關(guān)研究成果。王常金[4]以東皇廟隧道冒頂坍塌災(zāi)害為依托,指出隧道受巖層構(gòu)造及雨水天氣等誘因影響發(fā)生冒頂,并提出布置鋼花管等處治措施;鄒金杰等[5]以西部某山嶺隧道為例,基于“淺埋暗挖法”基本原理,提出隧道冒頂?shù)闹卫黻P(guān)鍵在于輔助功法的選擇;胡強(qiáng)等[6]針對(duì)某風(fēng)化花崗巖隧道塌方事故,通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),花崗巖風(fēng)化程度不同致使隧道圍巖具有強(qiáng)突變性,是隧道塌陷的根本原因;賈后省等[7]為探究冒頂事故頻發(fā)原因,基于保德礦回采巷道工程,采用數(shù)值模擬方法對(duì)圍巖主應(yīng)力進(jìn)行多角度分析,揭示圍巖應(yīng)力場(chǎng)改變與冒頂災(zāi)害的內(nèi)在聯(lián)系。由上述研究結(jié)果可知,受隧道開挖過程中地質(zhì)條件、開挖方式、支護(hù)結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響,隧道坍塌冒頂誘因復(fù)雜多變,當(dāng)隧址區(qū)出現(xiàn)大范圍巖溶裂隙發(fā)育的復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí),其治理方式仍需結(jié)合相關(guān)工程案例進(jìn)行深入研究。

為此,本文以貴州省賢昌隧道穿越巖溶裂隙發(fā)育區(qū)發(fā)生嚴(yán)重冒頂坍塌事故為例。擬通過地質(zhì)測(cè)繪、物探等方法,分析冒頂災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵誘因,總結(jié)提出相應(yīng)處治措施。并通過現(xiàn)場(chǎng)收斂等監(jiān)測(cè)驗(yàn)證提出的綜合處治方案的有效性,以期為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

賢昌隧道位于貴州省麻江縣賢昌鄉(xiāng)與都勻市楊柳街鎮(zhèn)之間,該地區(qū)為中北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,雨量較為充沛。隧道全長(zhǎng)5 759 m,最大埋深250 m。由于其地質(zhì)條件極為復(fù)雜,屬于鐵路I級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

隧址區(qū)上伏3條地下暗河,預(yù)計(jì)隧道施工過程中將發(fā)生大量的涌水情況,為保障隧道主洞的施工安全與進(jìn)度,因此平行設(shè)置1條沿隧道縱向貫通的泄水洞,見圖1,與主洞距離為30 m,泄水洞進(jìn)口里程DK0+000,出口里程DK5+035。泄水洞DK0+000-DK0+200段巖溶裂隙極為發(fā)育,圍巖為III～I(xiàn)V級(jí),洞身圍巖主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土、角礫土、灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖,地質(zhì)縱斷面見圖1b)。

1.2 隧道病害段支護(hù)設(shè)計(jì)

賢昌隧道泄水洞在DK0+047-DK0+107段勘測(cè)顯示段落圍巖等級(jí)為III級(jí),故選取錨網(wǎng)噴支護(hù)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道拱頂設(shè)置直徑8 mm、網(wǎng)孔間距25 cm×25 cm鋼筋網(wǎng)片,拱墻采用直徑22 mm砂漿錨桿,錨桿長(zhǎng)度為2 m,拱腳位置設(shè)置C30混凝土泄水槽,襯砌斷面見圖2。

圖2 泄水洞襯砌斷面圖(尺寸單位:cm)

2 隧道冒頂災(zāi)害情況及原因分析

2.1 隧道冒頂災(zāi)害情況

賢昌隧道泄水洞開挖至DK0+107時(shí),掌子面處拱頂出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象,局部存在少量擠出淤泥現(xiàn)象,見圖3a)。約10 h后,掌子面涌泥量突然增大,掌子面拱頂完全坍塌,見圖3b)。坍塌發(fā)生后,現(xiàn)場(chǎng)立即采用常規(guī)反壓回填掌子面方法抑制淤泥進(jìn)一步擴(kuò)展。然而,受隧道區(qū)多雨氣候影響,隧道淤泥涌出無法有效抑制。

圖3 掌子面現(xiàn)場(chǎng)圖

隧道上方山體隨后發(fā)生冒頂,冒頂面積約1 225 m2,山體表面距隧道洞頂約83 m,見圖4a)。洞內(nèi)淤泥直接涌至隧道泄水洞進(jìn)口處,淤泥涌出量約1 200～1 500 m3,涌出距離約100 m,見圖4b)。

圖4 隧道冒頂情況示意圖

2.2 隧道冒頂災(zāi)害原因分析

隧道冒頂災(zāi)害并非由單一因素引起,如圍巖強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度、施工工藝、裂隙水富集等都會(huì)造成隧道冒頂災(zāi)害出現(xiàn),需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行綜合分析考慮。因而冒頂災(zāi)害發(fā)生后,現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)測(cè)繪、物探等勘察方法沿泄水洞軸線及冒頂段落處橫向進(jìn)行補(bǔ)勘工作。經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn),泄水洞DK0+107處存在大規(guī)模溶洞,溶腔于隧道縱向方向發(fā)育約15 m,橫向發(fā)育區(qū)域超出隧道兩側(cè)邊墻,溶洞內(nèi)充填軟弱黏土,且溶洞周圍為巖溶裂隙發(fā)育區(qū),其斷面示意見圖5。

圖5 巖溶裂隙發(fā)育橫斷面示意圖

基于補(bǔ)勘結(jié)果,結(jié)合溶洞發(fā)育規(guī)模、巖土特性、隧道襯砌結(jié)構(gòu)等因素對(duì)隧道塌方冒頂原因分析如下。

1) 泄水洞塌陷區(qū)圍巖主要由灰?guī)r夾強(qiáng)風(fēng)化頁巖等軟巖組成,呈現(xiàn)破碎狀,裂隙水充分發(fā)育,致使洞頂、洞身圍巖缺乏自穩(wěn)性,使得原支護(hù)結(jié)構(gòu)無法滿足支護(hù)要求。

2) 泄水洞DK0+107掌子面正上方存在溶洞,溶洞內(nèi)受到地表水及地下水長(zhǎng)期作用,內(nèi)部蘊(yùn)藏大量軟弱黏土,其物理力學(xué)性質(zhì)差,極易形成滑動(dòng)面。在隧道開挖至其底部時(shí),形成臨空面,造成隧道拱頂發(fā)生塌陷,以致洞身段地表冒頂。

3) 巖溶裂隙區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,初勘共設(shè)地質(zhì)鉆孔22個(gè),勘測(cè)密度較小,易導(dǎo)致地層存在的巖溶發(fā)育突變無法被探測(cè)。且在施工采用全斷面開挖推進(jìn)過程中,對(duì)圍巖擾動(dòng)過大,為隧道圍巖穩(wěn)定性埋下隱患。

3 現(xiàn)場(chǎng)處治措施

考慮到隧道塌陷區(qū)巖石破碎及裂隙水充分發(fā)育,本研究采用以超前管棚注漿作為主要處置方式,并配合管棚間小導(dǎo)管注漿、加強(qiáng)初期支護(hù)、徑向注漿等輔助措施,旨在形成有效隧道加固圈,穩(wěn)定和支撐塌陷區(qū)域圍巖,為后續(xù)施工提供良好條件。

3.1 洞外處治措施

該地區(qū)雨量豐富,為防止地表塌陷區(qū)受降雨影響,再次引發(fā)周邊沉陷,采用洞頂回填增強(qiáng)地表穩(wěn)定性并進(jìn)行防水施工。根據(jù)冒頂事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,并結(jié)合該洞口地質(zhì)地形特征,對(duì)洞頂陷坑四壁及坑底加以網(wǎng)噴防護(hù),設(shè)置C25噴射混凝土,厚度15 cm,回填噴射效果見圖6,噴射完成后采用隔水黏土回填。

圖6 洞頂處置情況

3.2 洞內(nèi)處治措施

3.2.1清淤及多段臨時(shí)止?jié){墻

考慮該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜,圍巖等級(jí)較低,隧道清淤時(shí)采用“多段循環(huán)清淤+臨時(shí)止?jié){墻”工藝,將其分為洞口段、第一循環(huán)段、第二循環(huán)段,進(jìn)行三段式循環(huán)清淤,在每段循環(huán)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置止?jié){墻。其中洞口段清淤長(zhǎng)度為50 m,并做好監(jiān)控量測(cè)。由洞口清淤至指定位置處,回填洞渣注漿固結(jié)DK0+057處掌子面,設(shè)置3 m止?jié){墻,見圖7a)。然后施作第一循環(huán)全斷面注漿管,注漿管長(zhǎng)25 m,間距1.0 m,由下至上隔空壓注,形成5 m厚范圍止?jié){墻,見圖7b)。待止?jié){墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后啟動(dòng)止?jié){墻前20 m段落清淤,清淤至第一循環(huán)止?jié){墻位置施作第二循環(huán)全斷面注漿管,注漿管長(zhǎng)30 m,間距1.0 m,形成10 m厚范圍止?jié){墻。待止?jié){墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后啟動(dòng)止?jié){墻前段落清淤,見圖7c)。

圖7 隧道清淤示意圖

3.2.2超前大管棚

隧道塌陷區(qū)拱頂受災(zāi)害影響完全坍塌,為形成有效拱頂結(jié)構(gòu),抑制淺埋松軟地層的變形,避免地層開挖中塌方現(xiàn)象的產(chǎn)生[8],故采用管棚超前支護(hù)的方法對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行支護(hù)。管棚采用直徑108 mm鋼管,管棚中鋼管環(huán)向間距40 cm,共計(jì)19根。每處管棚長(zhǎng)度35 m,管棚施工傾角不大于12°,管棚環(huán)向施工范圍為120°。管棚施工結(jié)束后及時(shí)進(jìn)行管內(nèi)注漿,漿液采用1∶1水泥漿液,注漿壓力為0.5～2.0 MPa,管棚施工示意圖見圖8。

圖8 管棚施工示意圖

塌陷區(qū)施工期間,內(nèi)部堆積軟散巖土,如不能黏聚成整體,塌陷區(qū)內(nèi)黏土不可避免會(huì)從管棚間隙掉落,引發(fā)洞口發(fā)生二次塌陷風(fēng)險(xiǎn),故在管棚施工結(jié)束后正常掘進(jìn)期間,管棚間采用超前小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)。小導(dǎo)管采用外徑42 mm、厚度3.5 mm的熱軋無縫鋼管,鋼管長(zhǎng)度為4.5 m,小導(dǎo)管在每?jī)筛芘镩g施工,施工完成后采用1∶1水泥砂漿注漿,注漿壓力為0.5～1.0 MPa。

對(duì)塌陷段輔以圍巖徑向加固,采取3 m圍巖徑向注漿設(shè)計(jì)。注漿孔漿液擴(kuò)散半徑按2 m布設(shè),注漿孔按梅花形布置,注漿材料采用普通水泥漿,注漿壓力1～1.5 MPa。

3.3 隧道冒頂治理效果

經(jīng)采用“洞頂隔水黏土回填+多段循環(huán)清淤+臨時(shí)止?jié){墻+超前大管棚+徑向注漿”方案處置后,泄水洞坍塌冒頂災(zāi)害得到充分控制。處治完成后為記錄現(xiàn)場(chǎng)隧道拱頂及周邊收斂情況,在隧道拱頂及兩側(cè)安裝應(yīng)變計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),經(jīng)過為期28 d監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,隧道拱頂累計(jì)沉降量達(dá)到12.6 mm,拱腰累計(jì)收斂量達(dá)到13.9 mm。隧道處置完成初期,隧道收斂變形速率較快,16 d后趨于穩(wěn)定、變形速率降低,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形處于安全狀態(tài),隧道收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖9。基于現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果的觀察與分析,所采用的隧道冒頂處置方案在提高圍巖承載能力、構(gòu)筑隧道穩(wěn)定結(jié)構(gòu),以及抵御隧道塌方冒頂方面取得顯著效果。

圖9 隧道收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

基于對(duì)隧道位于巖溶裂隙發(fā)育環(huán)境下出現(xiàn)隧道坍塌冒頂問題的深入分析,提出隧道坍塌冒頂處置針對(duì)性方法,主要結(jié)論如下。

1) 穿越巖溶裂隙發(fā)育區(qū)段的工程中,須及時(shí)獲取并準(zhǔn)確了解隧道掌子面前方地質(zhì)情況,以防止前方存在溶洞等不良地質(zhì)條件下未采取相應(yīng)的針對(duì)性措施,并選擇正確的掘進(jìn)方式,避免對(duì)隧道圍巖造成過大擾動(dòng)。

2) 隧道在軟弱圍巖地質(zhì)條件下,單純采用常規(guī)掌子面回填無法有效遏制軟巖塌陷冒頂災(zāi)害的發(fā)展,須結(jié)合實(shí)際工程具體情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),避免塌陷后發(fā)生二次災(zāi)害。

3) 采用“洞頂隔水黏土回填+多段循環(huán)清淤+臨時(shí)止?jié){墻+超前大管棚+徑向注漿”的處治措施可形成穩(wěn)定而有效的隧道結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn),該方法可有效應(yīng)對(duì)巖溶裂隙發(fā)育區(qū)段隧道坍塌冒頂問題。