巖溶隧道塌方冒頂處治措施及效果評價

摘要：文章以廣西區(qū)內某高速公路隧道塌方冒頂為背景，分析災變成因，并針對性地提出處治措施，同時利用數值模擬和監(jiān)控量測方法對處治效果進行分析與評價。結果表明：不良地質、支護強度不足以及施工爆破是隧道塌方冒頂的主要原因；采取反壓回填、加強超前預加固和襯砌結構、優(yōu)化洞內外防排水等措施可安全通過塌方冒頂段落，處治方案是成功的。

關鍵詞：公路隧道；巖溶；塌方冒頂；處治措施；效果評價

中圖分類號：U457+.2? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0195-02

0 引言[

近年來，隨著廣西公路交通建設的迅猛發(fā)展，巖溶隧道建設日漸普遍，但該類隧道塌方冒頂時有發(fā)生，因此合理的處治方案直接關系隧道安全。秦輝輝等［1］提出多循環(huán)管棚注漿方案，成功處治了某隧道洞身淺埋段塌方。張建軍等［2］研究了某隧道洞口淺埋段塌方冒頂災變機理和處治方案。李文韜等［3］通過現(xiàn)場監(jiān)測數據及數值模擬手段對某淺埋偏壓隧道塌方冒頂過程進行了分析。趙宗波等［4］針對巖溶裂隙發(fā)育區(qū)隧道塌方冒頂提出了超前大管棚和徑向注漿的處治方案，效果良好。各隧道災變成因不同，處治措施各異。

本文依托某高速公路隧道工程，對其塌方冒頂的原因進行分析，進而提出相應的工程處治措施，并采用數值計算與現(xiàn)場監(jiān)控量測結果進行驗證，進而得出結論，以期為類似隧道工程設計和施工提供參考。

1 工程概況

加假隧道位于廣西忻城縣境內，設計為上下分離雙向四車道，設計時速為120 km，左線起訖樁號為ZK69+977～ZK70+630，長653 m，右線起訖樁號為YK69+968～YK70+590，長622 m，屬中隧道。隧址區(qū)內巖溶強烈發(fā)育，隧道穿越的地層主要由第四系覆蓋層和二疊上統(tǒng)茅口階中風化石灰?guī)r組成。

2 塌方冒頂經過

2020-11-05，加假隧道左洞自進口開挖至ZK70+521處時，掌子面發(fā)生塌方，在掌子面左側拱頂位置附近揭露一縱向長約4 m、寬約5 m的充填型溶洞，溶洞內塌方物涌出約400 m3。隧道拱頂地表處出現(xiàn)大小約10 m×8 m、深5 m的冒頂塌陷區(qū)。該處隧道路面設計標高280.278 m，地面高程約346.692 m，拱頂以上埋深約58 m，設計圍巖為Ⅳ級，掌子面揭露以中風化灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，總體較破碎，溶洞填充物主要為黏土、夾雜塊石等，黏土為可-軟塑狀態(tài)，有少量滲水現(xiàn)象，塌渣涌出至掌子面（往隧道小樁號方向）約12 m。

3 原因分析

根據現(xiàn)場踏勘及相關資料分析，塌方冒頂的原因主要有以下三個方面：

（1）地質原因：隧道穿越的地層巖溶強烈發(fā)育，塌方位置發(fā)育垂直式串珠式溶洞，溶洞充填物松散潮濕，粘聚力低，主要靠黏土之間弱粘聚力及與溶洞周壁的摩擦力保持穩(wěn)定；由于塌方位置位于巖溶垂直循環(huán)帶，與地表存在直接的水力關系，地面降雨入滲導致充填物抗剪強度變低，自重增加，穩(wěn)定性降低。

（2）支護原因：隧道超前支護施工質量不理想。由于超前小導管施工注漿效果較差，未能實現(xiàn)對溶洞充填物良好的固結作用，同時溶洞發(fā)育規(guī)模較大，且位于拱頂位置，隧道開挖后，充填物在超前支護強度不足的條件下，引起拱頂下沉，進而在自重荷載作用下發(fā)生塌方冒頂。

（3）爆破原因：隧道施工開挖爆破，爆破后的震動在一定程度上降低了溶洞充填體的穩(wěn)定性。

4 處治措施

4.1 回填反壓并封閉塌方體

為保證洞內塌方體的穩(wěn)定，采用洞渣或沙袋等對塌方體進行反壓處理，且對塌方體表面噴射一層20 cm厚的C25早強混凝土，此外在適當位置布設排水管。

4.2 塌方段落超前支護

在拱頂徑向約120°范圍內，采用12 m長，規(guī)格為108 mm×6 mm超前大管棚對塌方段落進行超前預注漿，管棚環(huán)向間距30 cm，外插角為1°；同時增設一排42 mm×4 mm超前注漿小導管，外插角為25°～30°，注漿[JP4]材料為水灰比0.7～1∶1的水泥漿，注漿壓力為0.5～2.0 MPa。

4.3 洞身開挖和支護

對于塌方段落，采用短三臺階開挖法施工，采用短進尺、強支護形式，初期支護設置Ⅰ20b型鋼拱架，縱向間距為0.5 m，鎖腳錨管采用108 mm×6 mm注漿鋼管樁以控制隧道沉降；二次襯砌采用55 cm厚的C30防水鋼筋混凝土結構。

4.4 隧道拱頂地表塌陷區(qū)處理

對地表塌陷處采取黏土回填處理，回填高度超出原地面約1 m以預留下沉空間；并在回填至接近自然地表高度時設置防水板，防水板較塌坑徑向尺寸寬≥3 m。在塌方影響區(qū)周圍修筑截水溝，并引流至隧道范圍外，防止地表水入滲。此外設置地表變形監(jiān)測點，加強日常巡視監(jiān)測。

4.5 加強隧道防排水

隧道襯砌背后預埋排水管（無紡布包裹）及豎向盲管（滲水處設置），加密隧道環(huán)向盲管并及時接通，保證原有水系暢通，避免因堵塞水系造成運營期間襯砌背后水壓力對結構造成損害。

5 效果分析與評價

5.1 數值模擬分析

5.1.1 模型建立及參數選取

為驗證處治方案的合理性，采用Midas NX有限元分析軟件建立二維平面模型對加固后的隧道塌方斷面進行模擬分析。為降低邊界影響，模型中隧道輪廓線與兩側邊及底部的距離各取隧道寬度的3倍左右，底部采用固定約束，兩側x方向約束，頂面為自由面，整個模型尺寸為94 m（長）×101 m（寬），如圖1所示。隧道圍巖均采用平面應變單元，錨桿及鎖腳錨桿采用桁架單元。模型物理力學參數選取如表1所示。

5.1.2 數值計算結果分析

5.1.2.1 圍巖位移

從圖2、圖3可知，隧道圍巖最大豎向位移（y向位移）發(fā)生在隧道拱頂，其值為16.3 mm，且對應溶洞的段落較之其他部位明顯偏大，其原因為溶洞充填物雖已注漿加固，但其工程性質仍劣于中風化灰?guī)r，對隧道圍巖壓力相對較大；隧道水平向最大位移處為隧道拱腰，其最大位移為13.2 mm。隧道水平向、豎向位移較小，均在圍巖穩(wěn)定的可控范圍之內，方案合理。

5.1.2.2 初期支護應力

對塌方段處治后，隧道拱頂附近的初期支護節(jié)段受力相比其他部位節(jié)段總體受力較大，但峰值出現(xiàn)在隧道上臺階拱腳位置，最大主應力為1.96 MPa（拉應力），最小主應力為-3.2 MPa，均小于C25混凝土強度指標，滿足規(guī)范要求。如圖4、圖5所示。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)控量測分析

選取塌方冒頂段典型斷面，進行拱頂位移及水平收斂監(jiān)測，結果如圖6所示，隧道拱頂位移最大沉降為17.0 mm，水平收斂最大位移值為14.4 mm，現(xiàn)場實際監(jiān)測結果與數值模擬結果基本一致，遠低于圍巖變形預警值，處治方案安全可靠。

6 結語

本文基于某高速公路隧道工程案例，對巖溶隧道塌方冒頂的處治措施及其有效性進行分析研究，形成以下結論：

（1）在巖溶隧道施工中，當圍巖自穩(wěn)性差、地下水滲透、支護強度不足、施工爆破過大時，均有可能誘發(fā)隧道塌方甚至冒頂，因此隧道施工應扎實做好超前支護等措施，短進尺，少擾動。

（2）計算和實際結果表明，綜合采用加強超前預加固、優(yōu)化支護參數、加強隧道襯砌結構及洞內外防排水等措施處理巖溶隧道塌方冒頂是切實可行的。

參考文獻

［1］秦輝輝，趙占廠，李曉博.某公路隧道塌方原因分析及處治方案研究［J］.公路，2013，1：302-307.

［2］張建軍，馬吉倩.高速公路隧道洞口淺埋段塌方冒頂分析與治理［J］.公路工程，2017，42（2）：187-190.

［3］李文韜，張擁軍，劉思佳，等.山嶺隧道淺埋偏壓段塌方冒頂分析及工法優(yōu)化［J］.公路，2020，65（1）：309-314.

［4］趙宗波，謝永福，楊方林，等.巖溶裂隙發(fā)育區(qū)隧道塌方冒頂誘因分析及控制研究［J］.交通科技，2023，321（6）：110-114.

作者簡介：鄧喜昌（1983—），工程師，研究方向：高速公路建設管理。