九龙岭隧洞地表塌陷原因分析及处理措施

潘 登

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，长沙 410007）

岩溶也称喀斯特（Karst)，是指可溶性岩石，特别是碳酸盐类岩石（如石灰岩、石膏等），受含有二氧化碳的流水溶蚀，侵蚀并加以沉积作用而形成的地貌。它往往呈现各种形状，如洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河，甚至峭壁。此种地貌地区，在我国分布较为广泛，在湖南省主要分布于湘西北、湘中与湘东南地区。据以往工程实践经验，岩溶发育和形成致使建筑物场地和地基的工程地质条件恶化，出现岩溶地基的不稳定性、岩溶地表塌陷、岩溶地面变形、岩溶地面开裂、岩溶渗漏突水、水资源流失、水质污染等工程地质问题。因此，在岩溶地区进行各种工程施工时，须对岩溶进行地质研究，预测并解决因岩溶而引起的各种工程地质问题。通过本文研究和探讨，希望对岩溶地表塌陷处理起到借鉴作用。

1 概况

九龙岭隧洞为国家“172”重大水利工程——犬木塘水库工程控制性工程，为湖南省在建最长的水利隧洞，隧洞全长19.26 km，桩号ZG18+360～ZG37+620。共设7 个施工支洞，其中4 号施工支洞位于主洞桩号28+500 附近，为反向坡，坡度10%，全长1.2 km。项目于2020 年7 月18 日开工，在4 号施工支洞开挖至桩号0+555 时，突遇涌水、涌泥现象，体积达2000 m3以上，导致洞内设备被淹，地表产生3 处塌陷坑。采取洞内固结灌浆后继续前进，但涌水点一直涌水不断，水量时大时小。受2021 年5 月12 日大雨影响，洞内涌水量突然增大，隧洞淹没。5 月30 日开始抽水，受连续抽水的影响，塌陷坑数量及范围进一步扩大，导致周边2000 m2范围内形成近20 个塌陷坑，如图1，并有数个塌陷坑位于民房内，严重危及周边百姓的生命财产安全。

图1 4 号支洞地表塌陷位置平面图

2 4 号支洞地质情况

隧洞穿越地貌类型主要为溶蚀构造地貌及侵蚀构造地貌。地形地貌较简单，以垄丘和低丘宽谷地貌为主，地形较平缓，地面高程多为300～350 m，沿线水文、工程地质条件复杂，断层、岩溶发育，地表随处可见溶沟、溶槽、溶蚀洼地、落水洞、石芽等溶蚀现象，溶洞、岩溶泉、暗河亦分布较广。

4 号施工支洞全长1202 m，溶蚀构造地貌为隧洞沿线主要地貌特征，主要包括垄丘宽谷地貌和低丘宽谷地貌，海拔250～500 m，相对高差30～250 m，山坡坡度5°～35°。垄丘地貌排列方向受构造控制，谷地宽阔平坦，延伸较长，丘体以垄岗出现，地表岩溶形态较发育；低丘地貌山丘低缓，谷地发育。其周边地层岩性由泥盆系(D)可溶岩构成，主要为泥盆系上统锡矿山组下段D3x1深灰色厚～巨厚层灰岩、白云质灰岩、泥灰岩等，沿线岩溶较发育。场内主要发育1条区域断层：Fz35，逆断层，产状：N45°E·NW∠60°，宽5～10 m，影响带宽15～25 m，倾向进口方向，斜切洞身；区内地表随处可见溶沟、溶槽、溶蚀洼地、落水洞、石芽等溶蚀现象［1］，隧洞沿线地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙溶洞水，第四系松散岩类孔隙水主要分布在残坡积层下部，水量受地形地貌、岩性及补给条件控制。主要接受地表水及雨水补给，其水位动态变化与降雨关系密切。碳酸盐岩裂隙溶洞水赋存于碳酸盐岩裂隙及岩溶管道中，由大气降水或地表水补给，以岩溶泉或地下河形式排泄，水量中等～丰富，为隧洞沿线主要地下水类型［1］［5］。

2021 年3 月27 日上午，九龙岭隧洞4 号施工支洞桩号0+555 处掌子面钻孔作业时有稀泥浆涌出。下午4：00 时，掌子面先导洞爆破掘进后，掌子面有大量泥水涌出，掌子面正上方地表出现直径约5 m的圆形塌陷坑，坑深12 m，四方代表至现场时，洞内积水已淹至桩号0+480 附近。3 月28—30 日地表又连续出现2 个塌陷坑，如图2，地表各塌陷坑目前有进一步发展趋势。为保证工程安全，不影响工程进度，查明该处岩溶发育情况，拟对该部位处理方案如下：

图2 4 号支洞地表塌陷

（1）加强地表覆盖及排水。应用彩条布或刚性彩钢板对塌陷坑口进行覆盖，并于周边设置土沟，避免雨水下渗。

（2）设置止浆墙。在桩号0+554 附近设置止浆墙，墙体采用C25 混凝土，止浆墙顶拱范围进行回填灌浆。

（3）地表物探。地表采用高密度电法查明溶岩发育情况。

施工方依照方案思路对掌子面突水突泥处及地表塌陷处进行处理。

3 塌陷原因分析

本次在地表共布置物探（高密度电法）3 纵3 横共6 条剖面，如图3，6 条测线共测得9 个溶洞，洞径2～10 m，高程283～292 m，分布在洞轴线两侧。受物探测线限制，洞轴线只在掌子面正前方16 m 测得1个洞径为1.8 m×2.8 m 溶洞，其底板高程283 m。其成果表明，在0+555～0+600 范围内，岩溶发育以垂直洞线方向为主。在洞内实施2 个超前取芯钻孔，其中顶拱部位钻孔显示，0～7.5 m 无异常，7.5 m 后有大量浑水涌出，导致无法钻进停工，后灌入大量水泥浆止水；在掌子面左下角部位的另一钻孔岩芯完整，多呈长柱状，无溶蚀现象，据钻探反映，在2.5～3 m 位置有0.2～0.3 m 异常，有浑水，其他地段无异常。

图3 4#支洞塌陷物探平面成果

根据探测成果分布情况来看，岩溶发育方向为垂直洞线方向(如图4)。

图4 典型物探剖面成果

综合以上数据分析判断，地表塌陷的主要原因有以下几点：

（1）地表覆盖层较薄，覆盖层厚度一般2～4 m，土体结构松散，与下伏基岩通过裂隙、岩溶管道等与溶洞相通。

（2）支洞浅埋段地层岩性为泥盆系上统锡矿山组下段D3x1深灰色厚～巨厚层灰岩、白云质灰岩、泥灰岩等, 岩溶相当发育，溶洞与地表覆盖层直接相连通，洞内多充填地下水、泥等，发育方向以垂直洞线、顺冲沟方向为主，溶洞多位于顶拱上部，局部地段可能存在岩溶漏斗，各溶洞与地表、顶拱、掌子面通过溶洞裂隙、岩溶管道等相互贯通，且有丰富的地下水补给来源。地下河水力坡度多在3%以上，接受大气降雨补给为主，迳流、排泄条件好。地下水及主要富水层高于隧洞。掌子面岩体完整，为相对隔水层，暂时将溶洞或岩溶管道内的地下水堵在岩体内，当掌子面爆破揭露后，相对隔水层破坏，裂隙或管道暴露，溶洞内的地下水就通过裂隙、岩溶管道等通道向掌子面涌出。

（3）支洞沿线溶洞都很发育，由于洞内长期渗水，全线地下水位下降，同时将溶洞内原充填的泥质颗粒物通过裂隙、岩溶管道等携带走，溶洞呈空洞。

（4）上部土体自重作用下产生坍陷，由于溶洞内的地下水排泄后溶洞为空洞，无法承受上部的地表土体荷载，从而造成地表塌陷。

2021 年4 月23 日，4 号支洞开挖至桩号0+556，掌子面揭露一处溶槽，充填黄褐色黏性土，流塑～软塑状，主要位于掌子面右侧。桩号0+554～0+556 底板位置发育一处溶槽，溶槽形状不规则，最大宽度约2 m，向下发育至支洞底板以下，根据现场反铲挖掘最大深度约3.0 m，充填流塑状淤泥，溶槽内有一处涌水点，往上涌出泥浆，流量0.5～1.0 L/s。两溶槽未连通，溶槽周边岩石受溶蚀影响，稳定性较差。

4 处理措施

4.1 洞内处理措施

根据开挖段揭示的围岩情况，为保证支洞施工安全，防止洞内涌水造成地表进一步塌陷，现对此段提出如下处理方案：

（1）于桩号0+554、0+556 处增设两榀I16 钢拱架，每榀钢拱架拱脚施打4 根φ22 锁脚锚杆。桩号0+556 起前方增设I16 钢拱架，间距0.8 m，纵向φ22 联系筋环向间距1.0 m，拱脚施打4 根φ22 锁脚锚杆。

（2）对于底部揭露溶槽，对岩溶充填物进行清除与回填开挖洞渣挤淤处理。设计建基面以下1 m 范围内的溶洞充填物予以清除，1.0 m 深度以下充填物采用回填开挖洞渣挤淤处理。

（3）对洞内局部灌浆效果不理想的点进行局部固结灌浆。待底板回填混凝土达到设计龄期后，桩号0+554～0+558 段通过径向灌浆对涌水点进行封堵［2-4］。

5 月12 日，支洞已开挖至0+633 桩号，掌子面炮孔出现渗水后暂停掘进。支洞恢复洞挖期间桩号0+556 附近底板靠左侧一直存在溶蚀通道渗水，水量时大时小，期间多次要求施工方对涌水点进行灌浆封堵，由于各种原因未能及时封堵。2021 年5 月16 日，受强降水影响，0+556 涌水点涌水量加大，掌子面0+633 附近渗水加大，支洞随后被淹，次日地表距涌水点100 m 附近出现多处塌陷坑。支洞最高淹至桩号0+085 附近（水位约313 m）。

4.2 地表帷幕灌浆及塌陷坑回填处理措施

2021 年5 月25 日，施工方开始对支洞积水进行抽排，洞内水位开始下降，抽水期间地表又发生多处塌陷，附近两处水塘干涸、一处水井干涸。现场虽对塌陷坑进行回填，但连续抽排导致塌陷范围进一步扩大，已发展至公路及房屋聚集区，一处平房屋前坪及屋内地面发生下沉，且存在发展趋势，周边百姓房屋及生命财产存在安全风险。

针对上述情况，本着安全第一的原则，采取如下处理措施：

（1）立即撤离已下沉房屋的住户，同时对下沉住户及附近其他住户、公路，做好监测和紧急撤离预案，一旦监测数据发现地面存在下沉迹象，立即实施撤离和封路方案。

（2）现场立即停止洞内抽排水作业。维持洞内水平衡，防止地下水下降继续产生塌陷。

（3）立即对塌陷坑进行地表回填，回填至原地面高程。

耕植区塌陷坑采用黏土回填，农田范围应进行复垦处理；房屋聚集区附近塌陷坑采用混凝土或石渣回填。

（4）地表帷幕灌浆。对支洞已开挖段（桩号0+550～0+570）左右两侧从地表各布置一排帷幕灌浆，以封堵0+556 处等涌水点集中渗漏通道并有效阻止该洞段两侧地表水下渗。灌浆中心线距支洞左右两侧开挖边线5 m，孔间距2 m(局部进浆量大的灌浆孔根据现场情况按1 m 间距加密)，孔底高程为洞底板以下5～10 m，帷幕灌浆地表覆盖层的钻孔宜跟管钻进，防止塌孔。帷幕灌浆分3 个孔序施灌，以分序加密原则进行施工，其他帷幕灌浆施工应按照SL/T62—2020 《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》执行。

2021 年6 月6 日，设计单位就九龙岭隧洞4 号施工支洞桩号0+633 处地表帷幕灌浆提出处理方案（图5），灌浆范围：对洞段（桩号0+630～0+638，长8 m）右侧开挖线外5 m 从地表布置一排帷幕灌浆，同时在桩号0+638 线上 （右侧帷幕灌浆中心线至左侧开挖线外3 m，长度13.7 m）从地表布置一排帷幕灌浆。孔间距2 m（局部进浆量大的灌浆孔根据现场情况按1 m 间距加密），以封堵0+633 处涌水点集中渗漏通道。帷幕灌浆地表覆盖层的钻孔宜跟管钻进，防止塌孔。帷幕灌浆分3 个孔序施灌，以分序加密原则进行施工，帷幕灌浆应选取1 个Ⅰ序孔作为先导孔。帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆，分段长度可根据具体地质条件确定，但不得大于10 m，可采用纯压式灌浆。灌浆水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。灌浆浆液一般采用纯水泥浆液，遇岩溶集中渗漏通道等大耗量灌浆段，则宜采用水泥水玻璃双液浆，或灌注水泥砂浆、混凝土等。灌浆压力初定0.8 MPa，具体可根据现场实施情况进行调整。灌浆要求与桩号0+550～0+570 段基本相同。

图5 0+633 地表帷幕灌浆布置

通过上述地表帷幕灌浆及塌陷坑回填处理措施，桩号0+556 处涌水量逐渐减小，掌子面及周边围岩只有少量地下水渗出，桩号0+633 处涌水点已没有渗水现象。岩溶渗漏通道已被灌浆封堵。后续施工期间地表周边未出现过较大规模地表塌陷现象。

5 结语

（1）该段洞线地势低洼，岩溶发育强烈，周边地表水和地下水向该处汇集，又有区域断层带从洞线右侧经过，形成良好的岩溶通道。

（2）此次4 号支洞地表塌陷原因，主要是由于洞内涌水后，连续抽排水加剧地表水下降引发的环境问题。

（3）处理措施要及时得当，可为后续工程施工缩短工期、减少费用，产生地表塌陷后，要果断停工，采用地表处理方式，最终把损失降到最低。

（4）此次4 号施工支洞突水突泥、地表塌陷原因及处理措施，希望能对隧洞的后续施工开挖和类似岩溶地区隧洞施工起到借鉴与参考作用。