隧道巖溶空腔與坍空區(qū)處理技術(shù)

劉凱LIU Kai

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，保山 678000）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道巖溶空腔或坍空在施工中越來(lái)越常見(jiàn)，不僅給施工帶來(lái)很大的難度和技術(shù)挑戰(zhàn)，而且容易導(dǎo)致隧道塌方事故的發(fā)生，造成巨大的人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失。本文以南扎隧道進(jìn)口施工中掌子面正前方出現(xiàn)溶洞，拱頂處一巨大孤石與亂石堆積，隨著掌子面進(jìn)尺，孤石墜落，拱頂坍空，范圍擴(kuò)大，坍空長(zhǎng)度約6m，高度約4m，呈三角錐狀的坍空區(qū)處理為例，由此延伸，并結(jié)合隧道中出現(xiàn)的各類巖溶空腔或坍空區(qū)，系統(tǒng)性的總結(jié)了巖溶空腔或坍空區(qū)的處理技術(shù)。

1 巖溶空腔或坍空區(qū)分類

根據(jù)隧道施工中出現(xiàn)的各類巖溶空腔或坍空區(qū)，本文從范圍、深度和安全隱患大小等方面對(duì)其嚴(yán)重程度進(jìn)行分類，可劃分為以下二種情況：①小范圍巖溶空腔或坍空：該類面積小，深度較小，開(kāi)挖初支和圍巖面之間有少量間隙，深度在0～0.5m 范圍內(nèi)，主要由拱頂局部掉塊造成，危害較小。②嚴(yán)重巖溶空腔或坍空范圍：該類深度在0.5 以上范圍內(nèi)，拱頂?shù)魤K較嚴(yán)重，易引發(fā)塌方事故。

2 處理技術(shù)

2.1 小范圍巖溶空腔或坍空

該巖溶空腔或坍空區(qū)深度較小，初支和圍巖之間有少量間隙，深度在0～0.5m 范圍內(nèi)，可采取掛網(wǎng)填補(bǔ)的措施處理。

2.2 嚴(yán)重巖溶空腔或坍空

①開(kāi)挖后拱頂出現(xiàn)坍空，深度在0.5～2.5m 范圍內(nèi)，首先盡量避免擾動(dòng)圍巖面，盡快立架掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)，鋼拱架緊貼掌子面，拱腳增設(shè)鎖腳錨桿，用C25 噴射混凝土封閉掌子面，形成支護(hù)硬壁，同時(shí)使掌子面形成止?jié){墻成密閉空間。②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，拱頂預(yù)埋不少于2 根Φ150mm 泵管至最高點(diǎn)下20cm，預(yù)埋Φ50mm 的小導(dǎo)管兼排氣管至最高點(diǎn)。左右兩側(cè)拱腰根據(jù)實(shí)際需要各埋一根泵管。當(dāng)脫空范圍內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)的脫空位置時(shí)，采用3m 的間距環(huán)向布置孔位，縱向采用5m 的間距布置孔位。注漿的導(dǎo)管使用直徑42mm 壁厚3.5mm 的熱軋鋼管，長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際空腔深度布置，注漿管與圍巖密貼，注漿管埋設(shè)不應(yīng)少于2 根，一根為注漿孔使用，一根為排氣孔或檢查孔使用。③砼由拌合站集中拌合運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)，采用輸送泵通過(guò)預(yù)留泵管泵入坍空區(qū)，為避免初支受承載力過(guò)大，泵送混凝土采用分階段分層次的方式回填空洞，泵送過(guò)程中專人指導(dǎo)，讓混凝土向四周進(jìn)行填充。一次回填厚度不大于50cm，間隔時(shí)間不小于12h。待混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)后，通過(guò)預(yù)留注漿管再次注漿，為防止局部承載力過(guò)大，應(yīng)進(jìn)行兩次或三次注漿。待第一次注漿孔中混凝土初凝后具有一定強(qiáng)度時(shí)，再進(jìn)行第二次注漿，最終進(jìn)行補(bǔ)漿至空腔充盈、密實(shí)，用棉紗將注漿管進(jìn)行封堵，以防注漿管內(nèi)溢出漿液。注漿材料采用微膨脹水泥漿，注漿壓力應(yīng)達(dá)到0.2MPa。注漿過(guò)程中出現(xiàn)吸漿量異常的情況應(yīng)停止注漿，明確原因后采取針對(duì)措施。注漿順序宜沿線路上坡方向進(jìn)行，注漿過(guò)程中要時(shí)刻關(guān)注流量和注漿壓力變化。④利用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)脫空范圍，如發(fā)現(xiàn)不密實(shí)的現(xiàn)象則繼續(xù)進(jìn)行注漿回填處理，直至密實(shí)。⑤下循環(huán)施工中嚴(yán)格控制短進(jìn)尺，弱爆破，避免擾動(dòng)圍巖面。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

南扎隧道位于青藏滇緬印尼巨型“歹”字型構(gòu)造西支中段與三江經(jīng)向構(gòu)造帶中南段及南嶺緯向構(gòu)造延伸帶西延部分的復(fù)合部位，是藏滇地槽褶皺系的橫斷山地槽褶皺帶的一部分，地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，褶皺、斷裂構(gòu)造行跡發(fā)育，區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系主要為北東向構(gòu)造體系，主要斷裂有瀘水-瑞麗斷裂帶、法帕-畹町?dāng)嗔?、畹町?dāng)嗔?、瑞麗斷裂等。其中瀘水-瑞麗斷裂帶為區(qū)域性斷裂，沿?cái)嗔研纬杀Ｉ?、德宏州常?jiàn)的串珠狀斷陷盆地。受構(gòu)造影響，節(jié)理極為發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀絮亂。

該隧道施工至D3K320+225 處掌子面正前方出現(xiàn)溶洞，拱頂處一巨大孤石與亂石堆積，拱頂?shù)魤K嚴(yán)重，隨著掌子面進(jìn)尺，拱頂坍空范圍擴(kuò)大，坍空長(zhǎng)度約6m，高度約4m，寬度約5m，呈三角錐狀。屬于嚴(yán)重巖溶空腔或坍空情況。

結(jié)合嚴(yán)重巖溶空腔或坍空處理方法具體操作：

3.2 處理技術(shù)

3.2.1 掌子面開(kāi)挖設(shè)備選型

根據(jù)掌子面圍巖和拱頂坍空情況，盡量使用炮錘配合挖機(jī)鑿巖，根據(jù)需要適當(dāng)使用弱爆破，其特點(diǎn)：最大限度的避免鉆爆對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低因爆破而引發(fā)更大的坍空，進(jìn)而造成嚴(yán)重的安全事故?？梢越档桶踩[患發(fā)生的幾率，避免人員傷亡和設(shè)備的損失。

3.2.2 初期支護(hù)形成硬壁

首先用噴槍噴灌C25 細(xì)石混凝土處置坍空面，確保沒(méi)有石塊落下，采用I16 的格柵鋼架及系統(tǒng)錨桿，格柵鋼架間距每0.5m 一榀；掛設(shè)Φ 8 鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)間距20cm× 20cm；其次，每環(huán)布設(shè)兩排4.5m 長(zhǎng)Φ 42 注漿小導(dǎo)管，采用3m 的間距環(huán)向布置孔位，一排以水平5-10 度向前，注漿后在開(kāi)挖輪廓線外形成一個(gè)固結(jié)圈，以確保前進(jìn)時(shí)不再塌方。一排以45 度向前，待坍空空間細(xì)石混凝土初步凝固后，按照施工方案對(duì)坍空面注漿固結(jié)處置，確保支護(hù)硬壁強(qiáng)度，保證有足夠承載力承載回填混凝土。

最終在格柵鋼架螺栓連接處增加4m 長(zhǎng)Φ 22 鎖腳錨桿，每處增加4～6 根鎖腳錨桿避免格柵下沉。鎖腳錨桿要求灌注高強(qiáng)度砂漿固定，并與格柵焊接在一起。（圖1）

圖1 坍空處理示意圖

3.2.3 埋設(shè)泵管和注漿管

預(yù)埋不少于2 根Φ150mm 泵送管至最高點(diǎn)下20 厘米，埋Φ100mm 的吹灰管兼排氣管至最高點(diǎn)。

3.2.4 混凝土回填

混凝土由拌合站集中供應(yīng)至現(xiàn)場(chǎng)，采用輸送泵通過(guò)預(yù)留泵管泵入坍空區(qū)，為避免初支受力過(guò)大，泵送混凝土采用分階段分批次對(duì)空洞進(jìn)行回填處理，泵送過(guò)程中專人指揮及觀察，使得混凝土向四周空洞填充。一次回填厚度不大于50cm，間隔時(shí)間不小于12h。依次類推。

3.2.5 粉煤灰填塞

混凝土回填處理完成后，待混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)后，進(jìn)行雷達(dá)掃描檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)局部仍有不密實(shí)或存在空隙，采用粉煤灰進(jìn)行填塞直至密實(shí)。

3.2.6 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在掌子面在進(jìn)尺時(shí)，只有對(duì)地質(zhì)有非常深的認(rèn)識(shí)和了解才能制定出適合的施工方案，從而有效的進(jìn)行施工組織及技術(shù)管理，本隧采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)前方溶腔進(jìn)行預(yù)報(bào)，并采用超前鉆對(duì)巖溶坍空的范圍進(jìn)行鉆孔探測(cè)，通過(guò)孔內(nèi)成像新技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)前方的地質(zhì)作出準(zhǔn)確判斷，指導(dǎo)施工。

結(jié)論：

經(jīng)過(guò)對(duì)坍空區(qū)進(jìn)行封閉、注漿、加密格柵的處置措施，在接下來(lái)的開(kāi)挖過(guò)程中，若風(fēng)槍很難打碎掌子面封閉硬壁往前推進(jìn)，說(shuō)明注漿處置效果較好，很好的完成了加固圍巖的目的。在之后的圍巖量測(cè)中，觀測(cè)的數(shù)據(jù)顯示圍巖下沉控制在毫米計(jì)，日收斂值在0.5mm 以內(nèi)，說(shuō)明采取的加固處理技術(shù)合理有效。

3.3 監(jiān)控量測(cè)

3.3.1 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)的的制作埋設(shè)

立架及鋼筋網(wǎng)片掛設(shè)完畢，噴射C25 混凝土，形成支護(hù)硬壁后，在硬壁上埋設(shè)監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，按照指定位置將觀測(cè)點(diǎn)錨固，錨固長(zhǎng)度至少50cm。

埋設(shè)方法：按照拱頂下沉、周邊量測(cè)點(diǎn)要求，埋設(shè)示意圖中在鋼筋外露部分焊接5㎝*5cm 的鐵片，緊接著把測(cè)量專用反光片貼在鐵片上。觀測(cè)點(diǎn)埋好后，及時(shí)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)觀測(cè)并記錄。

3.3.2 監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)拱頂下沉和水平收斂

拱頂下沉實(shí)測(cè)步驟：數(shù)據(jù)測(cè)量人員首先在后視水準(zhǔn)點(diǎn)上安設(shè)棱鏡，固定在1.3M 左右作為后視標(biāo)高，把儀器架設(shè)在反光片和水準(zhǔn)點(diǎn)中間不受車輛干擾的矮邊墻適當(dāng)位置上，不必測(cè)量出儀器高以及后視標(biāo)高，這種方式可避免因測(cè)量出儀器高和后視標(biāo)高帶來(lái)的誤差。緊接著數(shù)據(jù)測(cè)量人員使用全站儀測(cè)量水準(zhǔn)點(diǎn)到拱頂反光片的高度差，正、倒鏡測(cè)量2 個(gè)測(cè)回，每個(gè)測(cè)回高差值比較需小于1.00mm，取2 個(gè)測(cè)回?cái)?shù)值的平均數(shù)作為拱頂下沉數(shù)據(jù)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)通報(bào)，及時(shí)處理。

水平凈空收斂實(shí)測(cè)步驟：隧道水平凈空量測(cè)，采用全站儀。按照拱頂下沉及凈空變化量測(cè)點(diǎn)布置示意圖所示測(cè)線進(jìn)行，每條測(cè)線讀數(shù)三次取平均值作為量測(cè)值并記錄。

如果收斂值及拱頂沉降值在3～5mm 時(shí)，納入Ⅱ級(jí)管理，加大量測(cè)頻率，并采取相應(yīng)工程對(duì)策。如果收斂值超出5mm 時(shí)，納入Ⅰ級(jí)管理，暫停施工，施工人員及時(shí)撤出作業(yè)區(qū)，待制定相應(yīng)工程對(duì)策后方可恢復(fù)施工。仰拱開(kāi)挖完成后，進(jìn)行一次量測(cè)，及時(shí)澆筑仰拱混凝土。仰拱澆筑完成后，每天量測(cè)頻率不少于2 次。直到收斂值穩(wěn)定為止。連續(xù)量測(cè)示意圖如圖2。

圖2 連續(xù)量測(cè)示意圖

3.2.3 量測(cè)數(shù)據(jù)的整理、分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)匯總歸集，繪制量測(cè)數(shù)據(jù)與時(shí)間的關(guān)系模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)律分析比較，選擇與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合的函數(shù)進(jìn)行回歸，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的凈空水平收斂及最大拱頂下沉值。

常用回歸函數(shù)：

對(duì)數(shù)函數(shù)：μ=alg（1+t）； μ=lg[（b+T）/（b+t0）]；

指數(shù)函數(shù)：μ=ae-b/t； μ=a（e-bto-e-bt）；

雙曲函數(shù)：μ=t/（a+bt）； μ=a[1/（1+bt0）2-1/（1+bt）2]

式中：

μ——變形位移值，mm；a、b——回歸系數(shù)；t——測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)后的時(shí)間，d；t0——測(cè)點(diǎn)埋設(shè)后的初讀數(shù)時(shí)間，d；T——測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間與隧道開(kāi)挖時(shí)間的時(shí)間差，d。

南扎隧道采用雙曲函數(shù)做回歸分析：

從圖3 中可看出，當(dāng)前累計(jì)沉降量y=5.0mm，最大沉降速率v=3.43mm/d，管理等級(jí)Ⅲ級(jí)，正常施工。隧道監(jiān)控量測(cè)專用軟件通過(guò)計(jì)算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量測(cè)數(shù)據(jù)得出相關(guān)系數(shù)R=0.9775，采用雙曲函數(shù)做回歸分析精度最高，預(yù)測(cè)12 天后累計(jì)值y=7.13mm，為總位移量的70.1%，圖中回歸值預(yù)測(cè)曲線明顯變緩，以此做為依據(jù)判定12 天后圍巖變化基本穩(wěn)定。

圖3 拱頂下沉回歸分析圖

從圖4 中可看出，當(dāng)前累計(jì)收斂量y=2.2mm，最大收斂速率v=1.2mm/d，管理等級(jí)Ⅲ級(jí)，正常施工。隧道監(jiān)控量測(cè)專用軟件通過(guò)計(jì)算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量測(cè)數(shù)據(jù)得出相關(guān)系數(shù)R=0.9698，采用雙曲函數(shù)做回歸分析精度最高，預(yù)測(cè)12 天后累計(jì)值y=3.23mm，為位移總量的68.1%，圖中回歸值預(yù)測(cè)曲線明顯變緩，以此做為依據(jù)判定12 天后圍巖變化基本穩(wěn)定。

圖4 周邊收斂回歸分析圖

在隧道施工過(guò)程中，由測(cè)量人員測(cè)得的數(shù)據(jù)受到環(huán)境、人為誤差等偶然的因素影響出現(xiàn)誤差。使得這些數(shù)據(jù)具備離散性，用這些數(shù)據(jù)繪制出的散點(diǎn)圖會(huì)出現(xiàn)圖上散點(diǎn)上下異常排列的現(xiàn)象，導(dǎo)致散點(diǎn)規(guī)律不明顯，很難通過(guò)這些數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖進(jìn)行分析判斷。所以量測(cè)工作結(jié)束后的整理采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)量班現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律分析比較，觀察變化趨勢(shì)，以便發(fā)現(xiàn)變形發(fā)展規(guī)律，判斷施工的安全性，指導(dǎo)隧道文明施工和安全生產(chǎn)。

結(jié)論：從拱頂下沉和水平收斂結(jié)果來(lái)看，南扎隧道所采取的坍空處理方法在技術(shù)和安全方面可行。

3.4 檢測(cè)結(jié)論

隧道回填注漿密實(shí)后，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，結(jié)論顯示：拱頂回填已密實(shí)。

4 推廣，結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)巖溶空腔或坍空區(qū)原因分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，總結(jié)形成了隧道巖溶空腔或坍空區(qū)處理技術(shù)：封閉掌子面形成閉合空間，拱頂預(yù)留泵管、注漿管，排氣管，泵管離最高點(diǎn)20cm，注漿管離最高點(diǎn)10cm，通過(guò)輸送泵分批泵入混凝土回填，形成支護(hù)硬壁，待強(qiáng)度增強(qiáng)，共同受力，最后注漿管回填注漿至拱頂密實(shí)，施工中嚴(yán)格控制短進(jìn)尺弱爆破，加密拱架，加強(qiáng)超前支護(hù)，施工期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)頻次。該技術(shù)的成功應(yīng)用對(duì)其他類似隧道有一定的借鑒價(jià)值，具有良好的效果，在后續(xù)類似施工有很好的借鑒作用，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。