岩溶隧道塌方形成机理及处治对策研究

肖吉维

（湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000）

0 引言

岩溶作为一种特殊的地质条件，在我国分布面积达国土面积的13%，广泛分布于广西、云南、贵州、四川、湖北、山西、山东等地区。近年来，随着国家高速公路建设规模的不断增加，高速公路隧道逐渐向崇山峻岭、地质条件复杂地区迈进，岩溶隧道也越来越多。岩溶隧道在施工过程中，极易因岩溶水的泄放、溶洞填充物的塌陷而改变围岩原有应力分布情况，导致围岩整体稳定性差，诱发隧道掌子面突泥、涌水、掉块、塌方等地质灾害，对隧道施工安全造成极大的威胁。

近年来，国内外学者们针对岩溶隧道开展了大量而深入的研究工作，宋瑞刚[1]结合岩溶隧道的工程特点，分析其对隧道安全性的影响，总结勘察设计经验及施工方案；林国涛[2]结合工程案例，深入分析岩溶与隧道的位置关系，利用力学分析手段研究岩溶隧道的突泥机理及防治措施；吕言新[3]针对大瑶山隧道高压、富水、岩溶分布多的特征，研究岩溶隧道注浆堵水措施，为岩溶隧道施工安全提供技术支撑；解东升[4]分析了高风险岩溶隧道在施工过程中产生突水突泥病害的主要影响因素，提出突水突泥预测技术体系。本文在前人研究的基础上，结合四方山岩溶隧道的工程实例，全面分析其工程特性，研究其塌方形成机理，并有针对性地制定岩溶隧道塌方处治对策，为类似研究工程提供参考。

1 工程概况

1.1 地形地貌

四方山隧道为特长分离式隧道，其左右线长度分别为3 405 m、3 390 m。隧址区属低山丘陵区，隧道进出口处坡面均较为平缓，其坡角约为25°～35°，坡体两侧分布有小型沟壑，其走向与隧道轴线平行。隧址区处于复式背斜地形，其岩层整体呈单斜构造，中部夹有褶皱，地层裂隙较为发育。隧道穿越地层主要为砂岩、石灰岩，其节理裂隙发育，且地下水系发育，溶洞分布较多，围岩整体稳定性较差，对施工安全影响较大。该隧道地形地貌现场情况如图1所示。

图1 隧道洞口地形地貌情况

1.2 气象及水文条件

隧址区气候条件属典型的亚热带温湿气候，四季分明，局部小气候效应明显，雨量充沛。隧址区年平均降雨量达950 mm，每年5月至9月为汛期。隧址区河流较多，均属珠江水系，地表降雨、河流形成的地表水水量较大，同时由于隧址区横坡较为平缓，地表水极易下渗，溶洞内水量补给充足。隧址区地下水类型主要为裂隙潜水、孔隙水、岩溶水等，其主要来源为入渗补给及区域外渗流补给。

1.3 地层岩性

根据隧址区勘探资料显示，隧址区地层情况主要为第四系残坡积层（Q4el+dl）、三叠系下统罗楼群（T11）灰岩、砂岩，以及侏罗纪下统汪门组J1w砂岩，其地层从上到下依次为：

a）第四系残坡积层（Q4el+dl）岩体呈褐色，主要有碎石、黏土组成，岩层厚度为0.5～28.0 m之间，主要分布于地表斜坡平缓地带，为隧道洞口段的主要围岩。

b）三叠系下统罗楼群（T11）灰岩 岩体呈灰黄色，主要由长石、石英、伊利石、蒙脱石组成，颗粒较细，呈中薄层构造，弱风化，围岩完整性较差。

c）三叠系下统罗楼群（T11）砂岩 岩体呈灰白色，主要由长石、石英、云母组成，颗粒成分为中细粒，呈厚层构造，弱风化，围岩完整性相对较好。

1.4 隧道设计参数

图2 隧道支护结构设计图

该隧道设计理念采用新奥法原理，施工工法采用上下台阶法，循环进尺不大于1.5 m。隧道初期支护结构采用I20a型钢拱架，其沿隧道轴向间距为65 cm，钢拱架为全环形设计；两榀钢拱架之间设置有内外两层连接钢筋，其环形间距为0.8 m，内外层交错设置；钢筋网片采用φ8钢筋，其内外两层的间距均为20×20 cm；系统锚杆采用Φ22砂浆锚杆，长度为4 m，环向间距为1 m，纵向间距为0.65 m；喷射混凝土采用26 cm厚的C25混凝土，二次衬砌采用厚度为50 cm的C25钢筋混凝土，隧道支护结构参数的具体情况如图2所示。

2 塌方形成过程及机理分析

2.1 塌方具体形成过程

隧道左线进口开挖至ZK76+748时，掌子面后方已施作完成的初期支护出现掉块现象，并发出明显的混凝土开裂声，随后现场人员紧急撤离。后经现场观察后发现，该段隧道初期支护产生多条裂缝，且随着时间的推移，初期支护变形不断增大，裂缝持续发展，隧道拱顶及拱腰部位产生明显剪切变形。同时，局部格栅钢架严重扭曲，混凝土开裂严重，最终发展为隧道塌方。

塌方发生时，大量溶洞填充物涌出，其主要由碎石土、黏性土组成，呈流塑状，结构较为松散。塌方体涌入隧道后，堵塞整个隧道开挖面，其沿隧道轴向长度约15 m，塌方量达1 200 m3；塌方共导致7榀格栅钢架严重变形，且该段隧道初期支护严重破损，需进行拆除重新施工。本次塌方空间位置分布情况如图3所示，现场具体情况如图4所示。

图3 塌方空间位置分布示意图（单位：m）

图4 隧道塌方现场情况

2.2 塌方形成机理分析

隧道掌子面前方存在大型溶洞，其内部填充有碎石、黏性土，结构疏松，强度较低，而在隧道施工过程中，围岩在开挖卸荷作用下受到扰动，溶洞内填充物稳定性遭受破坏。然而，在地质勘察过程中并未准确预测到该溶洞，导致该段隧道在施工过程中仍采用常规手段，初期支护强度并未加强，导致初期支护强度不足以支撑溶洞内填充物的压力，使得初期支护产生大变形，溶洞填充物及上部围岩坍塌，涌入隧道内部，形成塌方体。

隧址区内地下水丰富，地表水补给充分，且隧道围岩结构疏松，渗透性较好，导致地下水渗入溶洞，而溶洞内部填充物含有大量的黏性土，其在地下水作用下呈流塑状，强度极差。在开挖卸荷作用下，围岩应力重新分布，原有隧道支护结构不足以支撑其荷载，导致隧道塌方的发生。

3 塌方处治对策

3.1 基本稳定区的处治

隧道塌方发生后，对于已施作初期支护但未施作二衬部分，其未产生变形破坏的隧道段可视为基本稳定区。为最大限度保证基本稳定区的整体稳定性，避免后期变形影响到该区域，该项目采用“早封闭、二衬快跟进”的防治措施，其中二次衬砌可采用跳跃式施工方法，即在岩溶地段应先施作离溶洞最近的隧道段二衬，避免初期支护产生过大变形。对于局部无法尽快施工的二衬段，应采用小导管注浆法对隧道径向围岩进行注浆加固，其注浆管长度不小于3 m，孔位分布间距为1.0×1.0 m，呈梅花型布设。注浆管前端应加工成锥形，管壁上布设有直径为8 mm的小孔，孔间距为5×5 cm。浆液可根据围岩具体情况采用水泥浆液或水泥-水玻璃浆液，其注浆压力不小于1.5 MPa。隧道开挖过程中，下台阶与上台阶错开距离不小于3 m，仰拱及时施作，尽快成环。

3.2 塌方影响区的处治

隧道塌方掌子面后方10 m范围内可界定为塌方影响区，其初期支护变形较大，格栅钢架扭曲变形严重，因此需对其进行换拱处治，并对其围岩进行注浆加固。首先，拆除原有格栅钢架，凿除侵限的初支喷射混凝土，安装I20a型钢拱架，纵向间距为0.7 m，并焊接双层钢筋网片，其间距为20×20 cm；随后喷射25 cm厚的C25混凝土，并打设锁脚锚杆，其采用直径为25 mm、长度为3.5 m的砂浆锚杆，其具体布设情况如图5所示。在隧道围岩注浆方面，采用直径为42 mm、长度为6 m的小导管，其外插角度为30°，环向间距为1.0 m，纵向间距为1.5 m，呈梅花型布设；浆液可采用水泥-水玻璃双浆液，水玻璃浓度应为35波美度，注浆压力不小于1.5 MPa。

对影响区内的塌方体处治过程中，应采用微台阶掘进法，预留核心土，保证开挖体整体稳定，对局部存在的大型孤石应切割后再进行开挖，不宜采用爆破开挖法，其循环进尺不应大于0.5 m，仰拱应尽快封闭成环，其现场具体情况如图6所示。

图5 隧道塌方影响区处治结构示意图

图6 隧道塌方影响区塌方体处治现场情况

3.3 塌方发生区的处治

对于隧道塌方发生区，主要采用加强支护、注浆加固及陷穴回填措施进行处治。首先，将原有支护结构型式变更为“钢拱架+锁脚锚管+环向小导管+双层钢筋网+C30喷射混凝土”的支护结构型式，其钢拱架采用I20a型，纵向间距为0.5 m，连接钢筋采用Φ22螺纹钢，环向间距为1.0 m；锚管采用直径为42 mm的小导管，长度不小于3.5 m；钢筋网片采用φ8钢筋，其间距为20×20 cm，搭接长度不小于10 cm。在陷穴填充方面，首先通过布设小导管对陷穴空腔内塌方体进行注浆，待注浆体强度形成后，通过导管泵送早强混凝土，第一次填充50%，待混凝土强度达80%后，再填充第二次，填充至100%，其具体处治措施如图7所示。

图7 隧道塌方区处治结构示意图

4 结论

a）该隧道在施工过程中产生塌方主要原因在于3个方面，首先隧道掌子面前方存在大型溶洞，其内部填充有碎石、黏性土，结构疏松，强度较低，在施工扰动，溶洞内填充物稳定性遭受破坏；其次，溶洞段隧道支护结构强度未加强，无法承受其填充物压力，导致初期支护结构产生大变形；最后，溶洞内部填充物含有大量的黏性土，在地下水作用下呈流塑状，强度极差，进一步加剧了塌方的产生。

b）对于隧道基本稳定区，应采用“早封闭、二衬快跟进”的防治措施，二次衬砌可采用跳跃式施工方法，而对于局部无法尽快施工的二衬段，应采用小导管注浆法对隧道径向围岩进行注浆加固；对于塌方影响区，因初期支护变形较大，钢拱架扭曲变形严重，需对其进行换拱处治，并对其围岩进行注浆加固；对于隧道塌方发生区，主要采用加强支护、注浆加固及陷穴回填措施进行处治。