高速公路隧道大型復(fù)雜巖溶坍塌涌泥處治實(shí)例分析

楊秀飛

(貴州省高速公路開(kāi)發(fā)總公司)

1 引言

巖溶指可溶性巖石，特別是碳酸鹽類(lèi)巖石(如石灰?guī)r、石膏等)，受含有二氧化碳的流水化學(xué)溶蝕，并包括水的機(jī)械侵蝕和崩解作用，以及物質(zhì)攜出、轉(zhuǎn)移和再沉降的綜合地質(zhì)作用結(jié)果。我國(guó)是碳酸鹽類(lèi)巖石分布極為廣泛的國(guó)家，覆蓋、掩埋、出露的碳酸鹽巖總面積約占我國(guó)領(lǐng)土面積的三分之一，其中西南地區(qū)是我國(guó)巖溶發(fā)育最廣的地區(qū)。隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多的隧道及地下工程在巖溶地區(qū)修建，隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中時(shí)常面臨坍塌、涌水、突泥、涌砂、地表塌陷、地表水枯竭等巖溶地質(zhì)災(zāi)害。貴州省黎平至洛香高速公路上皮林隧道施工過(guò)程中，曾發(fā)生大規(guī)模巖溶坍塌涌泥巖溶地質(zhì)災(zāi)害，給隧道施工帶來(lái)極大困難。本文根據(jù)該隧道巖溶坍塌涌泥特點(diǎn)及溶洞發(fā)育形態(tài)，綜合考慮隧道施工及運(yùn)營(yíng)的安全性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了相應(yīng)的處治措施。

2 工程概況

2.1 隧道概況

上皮林隧道位于貴州省從江縣境內(nèi)，是一座雙向四車(chē)道高速公路分離式長(zhǎng)隧道，隧道左幅隧道起訖樁號(hào)為ZK43+912～ZK45+340，長(zhǎng)1 428 m，最大埋深約149 m;右幅隧道起訖樁號(hào)為YK43+915～YK45+350，長(zhǎng)1 435 m，最大埋深約159 m。隧道場(chǎng)區(qū)位于雪峰山脈西南端與云貴高原的東緣，地勢(shì)整體北高南低，屬淺切低山侵蝕、剝蝕、溶蝕型地貌類(lèi)型。隧道通過(guò)一高大山體，四周地形低，為較獨(dú)立山體，山體上植被發(fā)育，主要為灌木，無(wú)地表水流。隧道軸線(xiàn)通過(guò)段高程介于411～591 m，相對(duì)高差180 m。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

隧道地表覆蓋層主要為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，黃褐色，可～硬塑，含少量碎石，厚度0～3 m。下伏基巖為石炭系中至上統(tǒng)的黃龍組、馬平組中至厚層白云質(zhì)灰?guī)r，其下為石炭系下統(tǒng)的擺佐組、大塘組中厚層夾薄層砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖，砂巖層間夾厚2～10 cm鈣質(zhì)泥巖。其中黃龍組、馬平組白云質(zhì)灰?guī)r賦水、導(dǎo)水性好，為含水巖組，擺佐組、大塘組砂質(zhì)泥巖透水性弱，為相對(duì)隔水巖組，砂巖層透水性好，為含水巖組，位于隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高以下，易形成承壓水。因隧道所處位置較高，地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水、巖溶溶洞水，地下水埋深較大。雨季連續(xù)降雨后經(jīng)節(jié)理裂隙、巖溶管道下滲后會(huì)在泥巖層頂面附近形成臨時(shí)性較高的連續(xù)的地下水位。隧道通過(guò)段地下水下蝕基準(zhǔn)面位于泥巖頂部，地下水活動(dòng)頻繁，為地下水運(yùn)移通道，在灰?guī)r底部與泥巖接觸帶部位節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，節(jié)理面多見(jiàn)水蝕痕跡，存在較強(qiáng)的巖溶發(fā)育現(xiàn)象。

3 巖溶坍塌涌泥過(guò)程及現(xiàn)狀

該隧道左右洞分別從進(jìn)口及出口雙向掘進(jìn)施工，右幅隧道出口端開(kāi)挖至YK45+130斷面開(kāi)始揭示溶洞，掌子面右側(cè)為強(qiáng)～弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，灰白～灰黃色，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部裂隙為粉質(zhì)粘土填充，巖體破碎，呈點(diǎn)滴狀滲水，掌子面左側(cè)出現(xiàn)溶洞，充填物為軟～可塑狀褐黃色粉質(zhì)粘土，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，溶洞內(nèi)填充物不斷發(fā)生掉落。當(dāng)隧道掌子面掘進(jìn)至YK45+125斷面時(shí)，巖溶范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，掌子面溶洞發(fā)生坍塌，施工現(xiàn)場(chǎng)采取了臨時(shí)措施封閉掌子面，并采用水平鉆孔探測(cè)了溶洞縱向發(fā)育規(guī)模。在隧道掌子面共設(shè)置6個(gè)水平超前探孔，根據(jù)超前探孔資料揭示 YK45+125～YK45+095段拱頂及掌子面左側(cè)為填充型溶洞，溶洞內(nèi)填充物為軟～可塑狀褐黃色粉質(zhì)粘土夾碎(卵)石，且所夾顆粒磨圓度好，成分多樣。推測(cè)該溶洞為早期發(fā)育的巖溶管道，由于場(chǎng)區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)侵蝕面下降，地下水穩(wěn)定水位下降，該巖溶管道成為雨期地表水下滲、下泄的巖溶豎向發(fā)育體系的組成部分。該溶洞發(fā)育規(guī)模大，溶洞內(nèi)填充物自穩(wěn)能力差。水平超前探孔基本探測(cè)溶洞范圍后，施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備按CRD法逐步向前掘進(jìn)施工，對(duì)掌子面進(jìn)行局部清理，準(zhǔn)備開(kāi)挖時(shí)發(fā)生涌泥，涌泥長(zhǎng)度約30 m。

涌泥發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)再次布置3個(gè)豎向地質(zhì)鉆孔勘察溶洞發(fā)育規(guī)模，經(jīng)豎向鉆孔、超前探孔資料綜合分析，該處溶洞發(fā)育大，其發(fā)育空間形態(tài)復(fù)雜。除溶洞頂部少量空間無(wú)充填外，大部分充填粉質(zhì)粘土(含部分碎卵石及細(xì)砂)。發(fā)育段落為YK45+125～YK45+065段，縱向長(zhǎng)60 m，縱向整體呈斜向的橢圓形、中間大兩頭小。溶洞最大高度約36 m，中間為部分巖體呈樹(shù)枝狀伸入，溶洞橫向發(fā)育寬度總體位于隧道界線(xiàn)以?xún)?nèi)，局部呈樹(shù)枝狀向外延伸。隧道內(nèi)溶洞周壁巖體因溶蝕作用呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體破碎。YK45+090～YK45+125段溶洞發(fā)育于隧道洞身段及隧道拱頂以上，YK45+090～YK45+065段溶洞總體向上延伸，分布于隧道拱頂7～16 m以上，呈叉狀分布。

4 處治措施

由于該溶洞發(fā)育規(guī)模大，其發(fā)育空間形態(tài)復(fù)雜，溶洞內(nèi)充填的可～軟塑狀含碎(卵)石粉質(zhì)粘土及細(xì)砂結(jié)構(gòu)松軟，加之溶洞局部有殘留的水體，施工中可能存在充填物二次坍塌、涌泥現(xiàn)象。巖溶橫向發(fā)育寬度總體位于隧道界線(xiàn)以?xún)?nèi)，局部呈樹(shù)枝狀向外延伸，因此，從隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全角度出發(fā)，該溶洞主要從洞內(nèi)采取強(qiáng)支護(hù)處治，具體處治措施如下:

(1)在確保安全條件下，對(duì)洞內(nèi)涌泥進(jìn)行逐段清除。由于該溶洞涌泥為軟～可塑狀褐黃色粉質(zhì)粘土夾碎(卵)石，在補(bǔ)充勘察階段受地質(zhì)鉆孔用水及地下滲水影響，局部粉質(zhì)粘土呈流塑狀，洞內(nèi)突泥清除過(guò)程中密切注意洞內(nèi)情況，若有二次涌泥跡象，應(yīng)立即停止清理工作，并及時(shí)撤出人員及機(jī)械，確保施工安全。

(2)大管棚作為隧道超前支護(hù)，在巖溶坍塌涌泥處治中有較好效果。當(dāng)洞內(nèi)涌泥清除至YK45+130附近時(shí)，在保證土體穩(wěn)定前提下，采用袋裝土石堆砌形成反壓平臺(tái)，擴(kuò)挖YK45+136～YK45+130段拱部形成管棚工作室及導(dǎo)向墻，施工φ108×6 mm大管棚。隧道拱部溶洞范圍內(nèi)設(shè)置φ108×6 mm大管棚，縱向共設(shè)置2個(gè)循環(huán)，第一循環(huán)長(zhǎng)35 m，設(shè)置管棚工作室，管棚外插角1～3°，第二循環(huán)長(zhǎng)20 m，不設(shè)置管棚工作室，兩循環(huán)管棚之間搭接長(zhǎng)度為5 m，大管棚環(huán)向間距35 cm。管棚注漿采用水泥漿液，添加水泥漿液體積5%的水玻璃，水泥漿水灰比1:1水玻璃濃度35波美度，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。拱頂溶洞部位φ108×6 mm大管棚之間以及溶洞兩側(cè)拱部135°范圍內(nèi)設(shè)置φ42×4 mm超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)4.0 m，環(huán)向間距35 cm，縱向排距200 cm，外插角10 ～15°。

(3)對(duì)隧道YK45+130～YK45+125段因坍塌涌泥局部破壞的初期支護(hù)進(jìn)行恢復(fù)，YK45+125～YK45+080段巖溶發(fā)育段加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，具體支護(hù)措施為:初期支護(hù)采用I20b型鋼拱架、φ6.5雙層鋼筋網(wǎng)(間距20×20 cm)、噴28 cm厚C20混凝土及拱部溶洞部位設(shè)置φ42×4斜向注漿鋼花管(L=4.0 m，間距50×120 cm)、溶洞以外兩側(cè)設(shè)置 φ25中空注漿錨桿(L=3.5 m，間距50×120 cm)。鑒于巖溶部位為軟～可塑狀褐黃色粉質(zhì)粘土及塊石填充，自穩(wěn)能力極差，承載能力低，為避免初期支護(hù)侵限，設(shè)置30 cm預(yù)留變形量。二次襯砌采用70 cm厚C25鋼筋混凝土，環(huán)向主筋為Φ22鋼筋，間距16.7 cm，縱向采用Φ12鋼筋，間距25 cm，箍筋采用φ8鋼筋，間距50×16.7 cm。

(4)巖溶發(fā)育段采用三臺(tái)階七部法施工，即首先環(huán)形開(kāi)挖上臺(tái)階Ⅰ部，施作初期支護(hù)①，然后開(kāi)挖中臺(tái)階Ⅱ、Ⅲ部，及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù)②、③，再開(kāi)挖下臺(tái)階Ⅳ、Ⅴ部，及時(shí)施作相應(yīng)的初期支護(hù)④、⑤，再分臺(tái)階開(kāi)挖核心土Ⅵ-1、Ⅵ-2、Ⅵ-3，仰拱Ⅶ開(kāi)挖后，及時(shí)封閉初期支護(hù)⑦，使初期支護(hù)封閉成環(huán)。全斷面初期支護(hù)施作完成后及時(shí)施作仰拱⑧并進(jìn)行仰拱回填⑨，然后整體模筑二次襯砌⑩，二次襯砌必須及時(shí)緊跟。隧道施工嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，上臺(tái)階開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺為0.5～1.0m，并不大于每2榀拱架間距，中、下臺(tái)階左右兩側(cè)跳槽開(kāi)挖并及時(shí)施作初期支護(hù)，雙側(cè)交錯(cuò)落底，避免上臺(tái)階兩側(cè)拱腳同時(shí)懸空，單側(cè)每次落底長(zhǎng)度小于2榀拱架。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)水平探孔、豎向地質(zhì)鉆探等手段，基本查明該溶洞發(fā)育規(guī)模及空間形態(tài)基礎(chǔ)上，綜合采用大管棚輔以小導(dǎo)管作為超前支護(hù)、洞內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、三臺(tái)階七部施工方法等措施成功處治該巖溶地質(zhì)災(zāi)害，處治過(guò)程中未出現(xiàn)二次坍塌涌泥等事故，為類(lèi)似大型復(fù)雜巖溶涌泥的處治提供了相關(guān)借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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