隧道穿越巖性交界地層致災機理與處治技術(shù)研究

中圖分類號：U455.49 文獻標識碼：A DOl:10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.045

文章編號：1673-4874(2025)03-0156-04

0 引言

近年來，廣西公路項目中隧道所占比重不斷增大，隧道建設(shè)品質(zhì)出現(xiàn)日新月異的提高，施工面臨的地質(zhì)條件愈發(fā)復雜多變，施工過程中地質(zhì)災害問題屢屢發(fā)生，安全生產(chǎn)形勢愈發(fā)嚴峻[1-2]。尤其是受限于各種因素影響，隧道工程還需穿越砂泥巖與灰?guī)r的不整合接觸帶。相關(guān)研究表明[3，隧道穿越巖性交界地層面臨的施工技術(shù)難度很高，極易引發(fā)各類地質(zhì)災害問題，施工安全風險極大，需準確掌握接觸帶地層的力學特性與致災機理，才能對癥下藥，從而制定合理可行的處治方案。

國內(nèi)目前關(guān)于隧道穿越砂泥巖與灰?guī)r巖性接觸帶的相關(guān)研究還較少，主要集中在巖體力學特性、開挖失穩(wěn)機理、施工難點與控制措施等方面[3-5]。本文以廣西地區(qū)瑤山至南丹公路項目蓮花山隧道工程為研究背景，分析可溶巖與非可溶巖的不整合接觸帶地層的力學特性與致災機理，并全面研究總結(jié)相應(yīng)的處治關(guān)鍵技術(shù)與措施，為類似工程提供參考。

1工程概況

1. 1 工程背景

瑤山至南丹公路是《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013一2030年)》中縱線G243國道開縣至憑祥公路的重要路段，是黔南乃至貴州省南下出海的公路。項自隧址區(qū)屬于典型山嶺重丘區(qū)地貌，境內(nèi)高山連綿起伏，地勢由東北向西南傾斜。

蓮花山隧道是瑤山至南丹公路(二期)項目的關(guān)鍵控制性工程，該隧道起止樁號為 K1+430～K2+740 設(shè)計長度為 1310m ，設(shè)計為單洞雙向行車的越嶺長隧道。隧道進、出口洞門形式設(shè)計為端墻式，最大埋深為316m，線路總體近似呈東西走向，線路縱坡坡度設(shè)計為 2.75% 。

1.2工程地質(zhì)條件

根據(jù)施工圖詳勘地質(zhì)資料表明，隧址區(qū)地層主要為第四系殘坡積層、三疊系下統(tǒng)砂巖、三疊系下統(tǒng)灰?guī)r夾硅質(zhì)巖。隧道洞口段圍巖主要為第四系殘坡積土夾碎石，圍巖級別為V級；洞內(nèi)圍巖主要為中風化砂巖、泥巖、灰?guī)r，主要為Ⅲ級與N級圍巖。其中，隧道洞身于 K1+ 540～1×1+640 段 .K1+710～K1+800 段穿越可溶巖與非可溶巖的巖性交界帶，地質(zhì)條件不理想，圍巖級別為V級，施工過程中極易引發(fā)塌方冒頂、洞內(nèi)大變形等不良地質(zhì)問題。

2巖性接觸帶致災機理分析

巖性接觸帶主要指可溶巖與非可溶巖的不整合接觸帶，如圖1所示，接觸帶范圍巖性主要為殘積土、淤泥質(zhì)王、塊石、強一全風化砂泥巖、灰?guī)r等。巖性接觸帶的出現(xiàn)與地質(zhì)構(gòu)造作用密切相關(guān)，接觸帶附近往往伴隨著斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，從而使原有巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到破壞，導致接觸帶影響區(qū)域內(nèi)的巖體風化強烈，巖體非常破碎，巖體力學性質(zhì)極不穩(wěn)定，開挖擾動下地層的初始平衡狀態(tài)極易被破壞，極易引發(fā)洞內(nèi)塌方、洞內(nèi)沉降大變形等問題。

巖性接觸帶地層的物理力學性質(zhì)存在較大差異，可溶巖為典型的透水地層，非可溶巖為典型的不透水地層，兩者形成的不整合接觸帶是地下水滲流與匯集的主要通道，地下水匯集發(fā)育。地下水滲流與地質(zhì)構(gòu)造的影響導致接觸帶區(qū)域內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，巖溶帶來的各類災害問題屢屢發(fā)生，極大威脅隧道運營期結(jié)構(gòu)與行車安全。

從更深層次的角度分析，由于接觸帶巖性的水穩(wěn)定性較差，黏聚力較差，施工荷載擾動及地下水滲流極易增大掌子面圍巖的松動程度，圍巖塑性區(qū)不斷往外擴展，導致掌子面上方巖體不斷松動塌落，產(chǎn)生地層損失，圍巖荷載急劇增加，原有襯砌支護參數(shù)無法滿足荷載要求，從而引起各類地質(zhì)災害。

3巖性接觸帶問題處治研究

根據(jù)上述巖性接觸帶的致災機理分析，隧道穿越此地層過程中，受施工荷載的擾動以及地層內(nèi)在特性的影響，主要容易引發(fā)隧道洞內(nèi)塌方、洞內(nèi)沉降大變形、巖溶等地質(zhì)災害問題。本文針對不同的災害問題，分析總結(jié)相應(yīng)的處治關(guān)鍵技術(shù)，并提煉出技術(shù)創(chuàng)新點。

3.1洞內(nèi)塌方處治關(guān)鍵技術(shù)

隧道下穿巖性接觸帶期間共出現(xiàn)有3次拱頂塌方冒頂事故，人員作業(yè)安全與施工工期受到極大影響。其中較為典型的工程案例為 K1+620 處塌方，受前方軟弱夾層及爆破振動的影響，掌子面拱頂位置局部松散巖體出現(xiàn)掉落，隨著上方脫空區(qū)域的土體不斷掉落，使得拱頂脫空區(qū)域不斷往上發(fā)展，直到塌腔口被堵住塌方才停止發(fā)育。隧道塌方體工程量約400 m³ ，拱頂形成規(guī)模較大的空腔，現(xiàn)場情況與上述致災機理分析情況相似。

根據(jù)隧道巖性接觸帶塌方災害發(fā)生的機理可知，洞內(nèi)塌方處治最關(guān)鍵的問題在于把握處治時機與時效性，以最快速度采取最為簡單有效的措施來阻止塌方范圍的進一步發(fā)展。具體處治技術(shù)措施如下：

（1)以最快的速度采用洞渣對掌子面進行反壓回填，并整修成相應(yīng)的施工平臺，噴射20cm厚C25混凝土進行封閉，阻止塌方范圍的進一步發(fā)展。

(2)提前預埋好泵送管及排氣管若干，待掌子面穩(wěn)定后，利用C20混凝土對塌腔進行回填，以形成混凝土護拱；于坍腔范圍施工雙層 ?42mm×4mm 超前注漿小導管，長度為 4.5m ，雙層超前小導管的仰角分別為 45^° 和30^° ，注水灰比為 0.75:1 的硅酸鹽水泥凈漿（摻 5% 含量的水玻璃)，加固范圍為拱頂塌腔外3.0m范圍，使拱頂形成加固硬殼保護層。

（3）加強超前支護措施，采用長度為12m的?108mm×6 mm超前洞內(nèi)管棚，環(huán)向間距為40cm，并于相鄰管棚間再增設(shè)長度為4.5m的 ?42mm×4mm 超前小導管，形成完整密實的超前支護體系；洞內(nèi)管棚長度根據(jù)實際鉆孔情況進行調(diào)整，確保管棚末端嵌入中風化基巖，外插角 3^°～5^° （必架立型鋼導向架，以作為洞內(nèi)管棚的固定支點），采用跟管鉆進工藝以避免塌孔問題。

(4)處治過程中，對初支變形、沉降、收斂等持續(xù)進行監(jiān)測，做好相關(guān)應(yīng)急預案措施。

3.2洞內(nèi)大變形處治關(guān)鍵技術(shù)

由于前期施工經(jīng)驗不足、施工工序銜接不緊湊、初期支護未及時閉合成環(huán)等原因，使得隧道穿越巖性接觸帶時洞內(nèi)沉降變形控制變得異常困難，多次出現(xiàn)洞內(nèi)沉降變形過大引起初支侵限的問題，初支侵限段落最長達20m ，最大侵限值高達 35cm ，后期換拱作業(yè)施工風險極高。

根據(jù)隧道巖性接觸帶洞內(nèi)大變形災害發(fā)生的機理可知，洞內(nèi)大變形處治最關(guān)鍵的問題在于注漿加固巖體來改善地層條件，采取合理有效的措施控制沉降，最大程度減少施工對隧道圍巖的擾動，來阻止巖體塑性區(qū)的發(fā)

展，具體處治技術(shù)措施如下：

(1)注漿加固巖體，改善地層條件。采用 ?50mm× 5mm熱軋無縫鋼管進行注漿加固，管壁四周鉆四排?6 mm壓漿孔，縱、環(huán)向間距為100cm x 100cm（梅花形布設(shè)形式)，根據(jù)現(xiàn)場情況進行適當加密；注漿參數(shù)：水泥-水玻璃漿液（添加水泥重量含量 10% 的水玻璃）水灰比為 0.75:1 ；水玻璃濃度為 35^° Be；水玻璃模數(shù)為2.4；注漿壓力為初壓 0.5～1.0MPa ，終壓 2.0MPa 注漿前應(yīng)先進行注漿現(xiàn)場試驗，有效確保注漿效果。

(2)合理優(yōu)化開挖工法，適當縮短各臺階的長度，有效減少施工擾動；上臺階與中臺階均設(shè)計臨時仰拱，以確保及時將初期支護閉合成環(huán)，采用有效厚度為40cm的C20素混凝土作為臨時仰拱，適當添加速凝劑，既方便拆除又兼具強度，以嚴格控制洞內(nèi)沉降及收斂變形。

(3加強隧道鎖腳支護措施，以嚴格控制洞內(nèi)沉降及收斂變形。采用 ?108mm×6mm 鎖腳大鋼管進行支護，并加強鎖腳大鋼管與型鋼支護的連接，對大鎖腳鋼管與型鋼拱架的連接進行優(yōu)化，如圖2所示。鎖腳鋼管端部通過預制加工的Q235連接鋼板與初支型鋼拱架進行焊接，并增強相鄰兩榀初支型鋼的整體連接效果，提高初期支護的整體抗扭轉(zhuǎn)能力，有效解決傳統(tǒng)施工工藝下大鋼管鎖腳與初支型鋼脫節(jié)或焊接不牢固，無法形成共同的受力體系的問題。

3.3巖溶處治成套關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)隧道巖性接觸帶巖溶發(fā)育的機理可知，可溶巖與非可溶巖不整合接觸帶是地下水匯集的主要通道，地下水滲流導致接觸帶區(qū)域內(nèi)巖溶強烈發(fā)育，接觸帶范圍巖溶問題較為突出。處治巖溶問題關(guān)鍵在于提前探明巖溶具體情況，然后制定可靠的結(jié)構(gòu)安全措施，處理好地下水排泄的問題。本文選取隧道巖性交界段 K1+720 位置的溶洞作為研究對象，具體處治技術(shù)措施如下。

3.3.1溶洞情況探測技術(shù)

為準確探明隧道 K1+720 位置的不規(guī)則溶洞情況，利用SLAM100手持移動式激光雷達掃描儀進行探測，操作較簡單便捷，只需操作人員手持儀器對隧道溶洞邊界輪廓進行全方位掃描，可精準測量溶洞與線路的空間位置關(guān)系，得到精確化的溶洞測量數(shù)據(jù)，形成更為直觀的三維模型，為后續(xù)處治方案的制定提供重要依據(jù)。隧道溶洞探測整體模型如圖3所示，探測模型揭示該溶洞主要往隧道兩側(cè)及底部方向發(fā)展，溶洞規(guī)模較大，呈非封閉式，無溶洞填充物。現(xiàn)場調(diào)查時發(fā)現(xiàn)存在地下水流動痕跡，推測存在與地下水相連通的巖溶管道。

3.3.2巖溶處治關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)溶洞探測情況（三維激光掃描 + 現(xiàn)場調(diào)查），全面把握溶洞輪廓的基本情況與溶洞段地下水發(fā)育情況，從而對癥下藥，確定合理的襯砌結(jié)構(gòu)安全措施與地下水處治方案。為解決好巖溶地下水的排泄問題，防止洞內(nèi)排水系統(tǒng)淤積堵塞（巖溶區(qū)地下水夾雜大量泥沙），有效確保隧道運營期安全，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，創(chuàng)新性提出“泄壓沉淀集水橫洞 + 泄水減壓孔 + 加密排水系統(tǒng)\"專項處治技術(shù)方案。主要技術(shù)措施與要點如下：

(1)為確保隧道施工及運營期安全，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，擬將溶洞段原設(shè)計襯砌類型由S5-B變更為S5-P，加強初期支護與二次襯砌參數(shù)，提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

三維模型建立可以任意測量、切片，可提取某個橫斷面、標高的測量數(shù)據(jù)，顯示某個區(qū)域的工程量數(shù)據(jù)，方便后續(xù)進行溶洞與隧道相互作用的安全評估和判斷，并作為巖溶處治的準確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，方便方案制定以及工程量結(jié)算。隧道溶洞模型測量數(shù)據(jù)及工程量提取情況見圖4。

(2)為有條件施工混凝土護拱并有利于后期地下水排泄，確保施工及運營期襯砌結(jié)構(gòu)的安全，左半幅底部溶洞先用片石或塊石將溶洞回填，右半幅底部溶洞澆筑臺階狀混凝土基礎(chǔ)，并于回填頂部設(shè)置C35鋼筋混凝土板，鋼筋混凝土板厚度 ?1m ，C35混凝土板內(nèi)布設(shè)2層 $\\$ 22$ 鋼筋網(wǎng)（間距為 $2 0 c m \imes 2 0 c m$ ，上層鋼筋網(wǎng)距離板頂$3 5 c m$ ，底層鋼筋網(wǎng)距離上層鋼筋網(wǎng)25cm。

(3)于C35鋼筋混凝土板頂部立模澆筑兩側(cè)C20混凝土護拱，掌子面左側(cè)護拱厚度 ?2m ，掌子面右側(cè)護拱厚度 =1.5m ，并相應(yīng)預留好排水管，保留好原有巖溶排水管道。隧道 K1+720 溶洞典型斷面處治方案見圖5。

(4)于溶洞位置附近垂直于主洞設(shè)置泄壓沉淀集水橫洞，通過鉆孔或預埋排水管將溶洞與集水橫洞相連通，先將溶洞內(nèi)的地下水引入泄壓集水橫洞內(nèi)進行沉淀，并預留檢修步道等設(shè)施便于今后運營清理，有效避免主洞排水系統(tǒng)淤積堵塞不便于清理的問題；然后將沉淀后的地下水通過明溝或排水管引入主洞三溝排水系統(tǒng)（兩側(cè)溝+中央溝)。

(5)為避免后期襯砌背后形成水壓，于邊墻拱腳和拱部分別設(shè)置泄壓孔，采用鉆機往圍巖鉆孔，鉆孔深度?3m ，泄水孔縱向間距為 2.5m ，后期預理 ?100mmPVC 排水管(打孔)引至兩側(cè)側(cè)向盲溝。為避免后期泄水管內(nèi)大量泥沙流出，應(yīng)對泄水管進行相應(yīng)的反濾處理，對所有滲流出口設(shè)置相應(yīng)的反濾層，避免后期泥沙堵管及主洞排水溝淤積。

4 處治效果分析

由于施工前期沒能準確把握巖性交界段地層力學特性，相應(yīng)的施工與管理經(jīng)驗不足，導致進入巖性交界段不久后，就多次出現(xiàn)洞內(nèi)沉降變形大、初支開裂侵限、塌方冒頂?shù)葐栴}，嚴重威脅著隧道作業(yè)人員的安全，不得不停下來進行相應(yīng)的處治；再加上前期對其致災機理認識不清，導致參建各方制定的處治措施適應(yīng)性不佳，處治過程中險情反復出現(xiàn)，嚴重影響了隧道施工進度。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，隧道穿越 K1+540～K1+640 段巖性接觸帶時，總共出現(xiàn)8次地質(zhì)問題（塌方、洞內(nèi)沉降大變形等），共歷時6個月才處治完畢。

根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗總結(jié)，深入分析隧道穿越巖性交界段的致災機理，從源頭上把握問題的關(guān)鍵。通過優(yōu)化相應(yīng)的處治方案后，隧道穿越 K1+710～K1+800 段巖性接觸帶時的地質(zhì)問題(塌方、洞內(nèi)沉降大變形等)得到有效控制，不僅避免了初支換拱作業(yè)的反復，施工進度得到大幅提高，還有效確保了隧道安全順利通過巖溶發(fā)育段，處治過程中洞內(nèi)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)始終穩(wěn)定正常，沒有發(fā)生二次災害。

5結(jié)語

本文通過分析隧道可溶巖與非可溶巖不整合接觸帶地層的力學特性與致災機理，研究總結(jié)相應(yīng)的處治關(guān)鍵技術(shù)與措施，形成相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新成果。研究結(jié)論如下：

（1)巖性接觸帶的出現(xiàn)與地質(zhì)構(gòu)造作用密切相關(guān)，接觸帶附近往往伴隨著斷層等不良地質(zhì)構(gòu)造，從而使原有巖體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到破壞，導致接觸帶影響區(qū)域內(nèi)的巖體風化強烈，巖體非常破碎，地下水匯集發(fā)育，巖體力學性質(zhì)極不穩(wěn)定。

(2)可溶巖與非可溶巖的物理力學性質(zhì)存在較大差異，可溶巖為典型的透水地層，非可溶巖為典型的不透水地層，兩者形成的不整合接觸帶是地下水滲流與匯集的主要通道，地下水滲流是導致洞內(nèi)塌方、洞內(nèi)沉降大變形以及巖溶等各種地質(zhì)問題出現(xiàn)的關(guān)鍵。

(3)隧道穿越巖性接觸帶時，針對出現(xiàn)的各種地質(zhì)問題，所采取的“洞內(nèi)塌方處治關(guān)鍵技術(shù)” + “洞內(nèi)大變形處治關(guān)鍵技術(shù)” + “巖溶處治成套關(guān)鍵技術(shù)”極為關(guān)鍵，能最大程度保證隧道施工及運營期安全。 ⑦

參考文獻

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