岩溶裂隙发育区隧道塌方冒顶诱因分析及控制研究*

2023-12-29赵宗波谢永福杨方林王大兵

交通科技 2023年6期

赵宗波谢永福杨方林王大兵李洲

(1.贵州桥梁建设集团有限责任公司贵阳 550001; 2.贵州省交通建设工程质量监督执法支队贵阳 550001)

自十四五规划以来,西南地区交通基础设施得到了迅猛发展[1],地质条件复杂、施工难度大的隧道频繁出现。岩溶(又称喀斯特)在西南地区广泛分布[2],其独特的地貌环境和地质条件为坍塌冒顶等不良灾害的发生提供了必要条件。在隧道穿越岩溶裂隙发育区时,易因超前地质预报工作不细致、设计阶段地质调查深度不足、施工阶段应对措施不合理等因素,而造成冒顶事故[3]。为保障隧道施工安全,研究岩溶裂隙发育区隧道塌方冒顶诱因及控制具有重要意义。

国内外隧道学者对各个地区隧道冒顶机理进行剖析并得到相关研究成果。王常金[4]以东皇庙隧道冒顶坍塌灾害为依托,指出隧道受岩层构造及雨水天气等诱因影响发生冒顶,并提出布置钢花管等处治措施;邹金杰等[5]以西部某山岭隧道为例,基于“浅埋暗挖法”基本原理,提出隧道冒顶的治理关键在于辅助功法的选择;胡强等[6]针对某风化花岗岩隧道塌方事故,通过现场调研及数据分析发现,花岗岩风化程度不同致使隧道围岩具有强突变性,是隧道塌陷的根本原因;贾后省等[7]为探究冒顶事故频发原因,基于保德矿回采巷道工程,采用数值模拟方法对围岩主应力进行多角度分析,揭示围岩应力场改变与冒顶灾害的内在联系。由上述研究结果可知,受隧道开挖过程中地质条件、开挖方式、支护结构等诸多因素的影响,隧道坍塌冒顶诱因复杂多变,当隧址区出现大范围岩溶裂隙发育的复杂地质条件时,其治理方式仍需结合相关工程案例进行深入研究。

为此,本文以贵州省贤昌隧道穿越岩溶裂隙发育区发生严重冒顶坍塌事故为例。拟通过地质测绘、物探等方法,分析冒顶灾害发生的关键诱因,总结提出相应处治措施。并通过现场收敛等监测验证提出的综合处治方案的有效性,以期为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

贤昌隧道位于贵州省麻江县贤昌乡与都匀市杨柳街镇之间,该地区为中北亚热带湿润季风气候,雨量较为充沛。隧道全长5 759 m,最大埋深250 m。由于其地质条件极为复杂,属于铁路I级风险隧道。

隧址区上伏3条地下暗河,预计隧道施工过程中将发生大量的涌水情况,为保障隧道主洞的施工安全与进度,因此平行设置1条沿隧道纵向贯通的泄水洞,见图1,与主洞距离为30 m,泄水洞进口里程DK0+000,出口里程DK5+035。泄水洞DK0+000-DK0+200段岩溶裂隙极为发育,围岩为III～IV级,洞身围岩主要为第四系坡残积粉质黏土、角砾土、灰岩、灰岩夹页岩,地质纵断面见图1b)。

1.2 隧道病害段支护设计

贤昌隧道泄水洞在DK0+047-DK0+107段勘测显示段落围岩等级为III级,故选取锚网喷支护作为支护结构。隧道拱顶设置直径8 mm、网孔间距25 cm×25 cm钢筋网片,拱墙采用直径22 mm砂浆锚杆,锚杆长度为2 m,拱脚位置设置C30混凝土泄水槽,衬砌断面见图2。

图2 泄水洞衬砌断面图(尺寸单位:cm)

2 隧道冒顶灾害情况及原因分析

2.1 隧道冒顶灾害情况

贤昌隧道泄水洞开挖至DK0+107时,掌子面处拱顶出现垮塌现象,局部存在少量挤出淤泥现象,见图3a)。约10 h后,掌子面涌泥量突然增大,掌子面拱顶完全坍塌,见图3b)。坍塌发生后,现场立即采用常规反压回填掌子面方法抑制淤泥进一步扩展。然而,受隧道区多雨气候影响,隧道淤泥涌出无法有效抑制。

图3 掌子面现场图

隧道上方山体随后发生冒顶,冒顶面积约1 225 m2,山体表面距隧道洞顶约83 m,见图4a)。洞内淤泥直接涌至隧道泄水洞进口处,淤泥涌出量约1 200～1 500 m3,涌出距离约100 m,见图4b)。

图4 隧道冒顶情况示意图

2.2 隧道冒顶灾害原因分析

隧道冒顶灾害并非由单一因素引起,如围岩强度、裂隙发育程度、施工工艺、裂隙水富集等都会造成隧道冒顶灾害出现,需要结合现场施工情况进行综合分析考虑。因而冒顶灾害发生后,现场采用地质测绘、物探等勘察方法沿泄水洞轴线及冒顶段落处横向进行补勘工作。经勘察发现,泄水洞DK0+107处存在大规模溶洞,溶腔于隧道纵向方向发育约15 m,横向发育区域超出隧道两侧边墙,溶洞内充填软弱黏土,且溶洞周围为岩溶裂隙发育区,其断面示意见图5。

图5 岩溶裂隙发育横断面示意图

基于补勘结果,结合溶洞发育规模、岩土特性、隧道衬砌结构等因素对隧道塌方冒顶原因分析如下。

1) 泄水洞塌陷区围岩主要由灰岩夹强风化页岩等软岩组成,呈现破碎状,裂隙水充分发育,致使洞顶、洞身围岩缺乏自稳性,使得原支护结构无法满足支护要求。

2) 泄水洞DK0+107掌子面正上方存在溶洞,溶洞内受到地表水及地下水长期作用,内部蕴藏大量软弱黏土,其物理力学性质差,极易形成滑动面。在隧道开挖至其底部时,形成临空面,造成隧道拱顶发生塌陷,以致洞身段地表冒顶。

3) 岩溶裂隙区地质条件复杂,初勘共设地质钻孔22个,勘测密度较小,易导致地层存在的岩溶发育突变无法被探测。且在施工采用全断面开挖推进过程中,对围岩扰动过大,为隧道围岩稳定性埋下隐患。

3 现场处治措施

考虑到隧道塌陷区岩石破碎及裂隙水充分发育,本研究采用以超前管棚注浆作为主要处置方式,并配合管棚间小导管注浆、加强初期支护、径向注浆等辅助措施,旨在形成有效隧道加固圈,稳定和支撑塌陷区域围岩,为后续施工提供良好条件。

3.1 洞外处治措施

该地区雨量丰富,为防止地表塌陷区受降雨影响,再次引发周边沉陷,采用洞顶回填增强地表稳定性并进行防水施工。根据冒顶事故现场实际情况,并结合该洞口地质地形特征,对洞顶陷坑四壁及坑底加以网喷防护,设置C25喷射混凝土,厚度15 cm,回填喷射效果见图6,喷射完成后采用隔水黏土回填。

图6 洞顶处置情况

3.2 洞内处治措施

3.2.1清淤及多段临时止浆墙

考虑该隧道地质条件复杂,围岩等级较低,隧道清淤时采用“多段循环清淤+临时止浆墙”工艺,将其分为洞口段、第一循环段、第二循环段,进行三段式循环清淤,在每段循环节点处设置止浆墙。其中洞口段清淤长度为50 m,并做好监控量测。由洞口清淤至指定位置处,回填洞渣注浆固结DK0+057处掌子面,设置3 m止浆墙,见图7a)。然后施作第一循环全断面注浆管,注浆管长25 m,间距1.0 m,由下至上隔空压注,形成5 m厚范围止浆墙,见图7b)。待止浆墙达到设计强度后启动止浆墙前20 m段落清淤,清淤至第一循环止浆墙位置施作第二循环全断面注浆管,注浆管长30 m,间距1.0 m,形成10 m厚范围止浆墙。待止浆墙达到设计强度后启动止浆墙前段落清淤,见图7c)。

图7 隧道清淤示意图

3.2.2超前大管棚

隧道塌陷区拱顶受灾害影响完全坍塌,为形成有效拱顶结构,抑制浅埋松软地层的变形,避免地层开挖中塌方现象的产生[8],故采用管棚超前支护的方法对塌陷区进行支护。管棚采用直径108 mm钢管,管棚中钢管环向间距40 cm,共计19根。每处管棚长度35 m,管棚施工倾角不大于12°,管棚环向施工范围为120°。管棚施工结束后及时进行管内注浆,浆液采用1∶1水泥浆液,注浆压力为0.5～2.0 MPa,管棚施工示意图见图8。

图8 管棚施工示意图

塌陷区施工期间,内部堆积软散岩土,如不能黏聚成整体,塌陷区内黏土不可避免会从管棚间隙掉落,引发洞口发生二次塌陷风险,故在管棚施工结束后正常掘进期间,管棚间采用超前小导管加强支护。小导管采用外径42 mm、厚度3.5 mm的热轧无缝钢管,钢管长度为4.5 m,小导管在每两根管棚间施工,施工完成后采用1∶1水泥砂浆注浆,注浆压力为0.5～1.0 MPa。

对塌陷段辅以围岩径向加固,采取3 m围岩径向注浆设计。注浆孔浆液扩散半径按2 m布设,注浆孔按梅花形布置,注浆材料采用普通水泥浆,注浆压力1～1.5 MPa。

3.3 隧道冒顶治理效果

经采用“洞顶隔水黏土回填+多段循环清淤+临时止浆墙+超前大管棚+径向注浆”方案处置后,泄水洞坍塌冒顶灾害得到充分控制。处治完成后为记录现场隧道拱顶及周边收敛情况,在隧道拱顶及两侧安装应变计进行监测,经过为期28 d监测结果表明,隧道拱顶累计沉降量达到12.6 mm,拱腰累计收敛量达到13.9 mm。隧道处置完成初期,隧道收敛变形速率较快,16 d后趋于稳定、变形速率降低,隧道支护结构整体变形处于安全状态,隧道收敛监测结果见图9。基于现场施工结果的观察与分析,所采用的隧道冒顶处置方案在提高围岩承载能力、构筑隧道稳定结构,以及抵御隧道塌方冒顶方面取得显著效果。