喀斯特巖溶地區(qū)隧道施工塌方冒頂處理方法分析

馬胡日查

（中交一公局集團(tuán)有限公司, 北京 100024）

1 引言

云南、廣西部分地區(qū)屬于典型的喀斯特山區(qū)地形范圍，在該地區(qū)建設(shè)隧道，開(kāi)挖期間容易產(chǎn)生大量的淤泥和孤石，如果淤泥和孤石得不到有效的清理，將會(huì)產(chǎn)生冒頂情形。因?yàn)榭λ固氐貐^(qū)隧道項(xiàng)目比較特殊，一旦出現(xiàn)巖溶現(xiàn)象，很有可能引發(fā)塌方突泥突水冒頂，這也是隧道工程施工過(guò)程中的難點(diǎn)，不僅會(huì)延長(zhǎng)工期，還會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，若是處理方法不當(dāng)，后期隧道投入使用，也無(wú)法保證運(yùn)營(yíng)期間的可靠性與安全性。所以，針對(duì)喀斯特巖溶地區(qū)隧道施工塌方冒頂?shù)奶幚硌芯糠浅１匾?。本文以云桂鐵路項(xiàng)目為案例，對(duì)此種情況進(jìn)行細(xì)致分析，提出有效的施工解決方案。

2 工程概況

云桂鐵路建設(shè)完成的為速度250 km/h，以客運(yùn)為主要運(yùn)輸路線的有砟軌道，于2010年5月開(kāi)工建設(shè)，2015年12月通車(chē)運(yùn)營(yíng)。二標(biāo)段線路總長(zhǎng)度為27.208 km,其中路基正線長(zhǎng)度12.060 km；橋梁建設(shè)7座，共計(jì)：2.066 km；含有隧道及明洞14座，共計(jì)：13.082 km（明洞2座，153 m）。標(biāo)段內(nèi)重難點(diǎn)工程主要為高風(fēng)險(xiǎn)巖溶長(zhǎng)大隧道施工（那吉隧道），本文以那吉隧道（7 645 m）施工為例，對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

3 隧道塌方

本工程中的隧道工程在開(kāi)挖的過(guò)程中，當(dāng)上層掌子面掘進(jìn)1 380 m時(shí)，突然出現(xiàn)了一條較寬的泥槽，隨后地表也產(chǎn)生了一定的塌陷，掌子面50 m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了大量的坍塌體，其中還含有大量的黏質(zhì)土體，在周?chē)⒙渲罅康乃槭?。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察得出，塌陷的橫向距離為20 m，塌陷的縱向距離為30 m，塌陷的深度為15 m，總塌陷面積為600 m2[1]。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的缺陷展開(kāi)分析，導(dǎo)致塌方問(wèn)題的原因?yàn)橐r砌脫空、厚度不足，極有可能是在施工期間現(xiàn)場(chǎng)管控力度不足引發(fā)。例如，臺(tái)車(chē)就位之后，襯砌厚度并未組織檢測(cè)便開(kāi)始澆筑混凝土，導(dǎo)致厚度不符合規(guī)范；鋪設(shè)防水板的松鋪量沒(méi)有提前預(yù)留，導(dǎo)致防水板進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)掉落，需要切割襯砌混凝土；拱頂部位的混凝土澆筑忽略了檢查這一流程，僅僅根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)方量實(shí)施控制，導(dǎo)致脫空問(wèn)題；混凝土長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，2次澆筑的時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)有效黏結(jié)之后沒(méi)有及時(shí)采取有效舉措解決，致使施工冷縫等缺陷。

4 原因分析

4.1 隧道所處環(huán)境條件分析

4.1.1 隧道內(nèi)部含水量過(guò)大

通過(guò)全面的分析得出，隧道內(nèi)部含水量如表1所示。通過(guò)表1數(shù)據(jù)展示說(shuō)明，隧道內(nèi)部的含水量相對(duì)較大，主要是外部氣候因素所導(dǎo)致的，特別是在雨季當(dāng)中，隨著雨量的增加這種現(xiàn)象表現(xiàn)得尤為明顯，在進(jìn)出口地段和巖溶發(fā)育地段均會(huì)出現(xiàn)存水現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的存在將會(huì)帶來(lái)一定的危險(xiǎn)。如果在隧道內(nèi)出現(xiàn)涌水呈現(xiàn)線狀或者水流管狀的現(xiàn)象，這說(shuō)明隧道外在的施工環(huán)境是處在雨季或者水量較大的時(shí)候。

表1 隧道內(nèi)部含水分析表

4.1.2 隧道內(nèi)部發(fā)育出大量的巖溶結(jié)構(gòu)

隧道內(nèi)部往往會(huì)存在大量的碳酸鹽物質(zhì)，這種物質(zhì)在與水的結(jié)合之后容易形成大量的巖溶結(jié)構(gòu)，并出現(xiàn)溶溝和豎井等不同的地質(zhì)外貌。這種外在結(jié)構(gòu)對(duì)于后期的施工容易產(chǎn)生一定的影響，主要是因?yàn)轫敯鍘r體會(huì)在自身重力的作用之下出現(xiàn)割斷或者墜落的情況，容易在隧道表面產(chǎn)生更多的溶槽和巖溶漏斗[2]。

4.2 外表面將會(huì)出現(xiàn)大量的突泥物質(zhì)

通過(guò)進(jìn)一步的判斷分析得出，該隧道內(nèi)部的可溶巖結(jié)構(gòu)是一種碳酸鹽物質(zhì)所形成的，隧道整體開(kāi)挖至1 250 m時(shí)，表層掌子面出現(xiàn)了9 m長(zhǎng)度的泥槽深溝。同時(shí)內(nèi)部的溶槽和溶溝底部已經(jīng)被完全掏空，這樣將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)架空面，同時(shí)由于自身重力的原因，內(nèi)部粉質(zhì)黏土?xí)霈F(xiàn)大量的突泥現(xiàn)象，由此引發(fā)地表塌陷。同時(shí)，由于外表層自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，這樣將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大塌陷區(qū)域，如果得不到有效的處理，容易引發(fā)二次突泥情況。

5 主要解決方案

要對(duì)坍塌勘測(cè)兩邊進(jìn)行清表處理，并將坑側(cè)坡率控制在1∶0.75以?xún)?nèi)，同時(shí)還要求施工便道與坡口之間的距離保證在1 m以上。在進(jìn)行開(kāi)挖的過(guò)程中采取錨網(wǎng)噴射方式進(jìn)行邊坡防護(hù)，使用C25噴射混凝土，并保證噴射混凝土厚度控制在10 cm，施工完成后可以采取鋼化管狀結(jié)構(gòu)和鋼筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)合形式進(jìn)行防護(hù)，這樣才能夠保證整個(gè)防護(hù)體系更加安全穩(wěn)定，同時(shí)也會(huì)使得每一項(xiàng)工序正常有序地進(jìn)行。

按照積累的地表塌陷原因與經(jīng)驗(yàn)，需要提前制定預(yù)防措施。未發(fā)生巖溶塌陷之前大概率會(huì)發(fā)生強(qiáng)降雨，如果隧道施工在汛期內(nèi)，會(huì)受降雨天氣影響再次面臨塌方隱患[3]。為此，建議在溶洞頂部位置的塌坑附近設(shè)置警戒線，塌坑附近需要制訂切實(shí)可行的臨時(shí)截排水方案，以免雨水持續(xù)性灌入塌坑與隧道當(dāng)中。與此同時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)安排地表值班巡視與定期監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常[4]。

按照天氣情況組織隧道施工，規(guī)避強(qiáng)降雨期。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)出口工作面同步展開(kāi)施工，兩端部位建議運(yùn)用石渣反壓回填這一方式搭建施工平臺(tái)，向溶洞逐漸靠近[5]。反壓回填長(zhǎng)度以10 m為準(zhǔn)，接近溶洞口部可以制作鋼支撐噴混凝土套拱，利用管棚臺(tái)車(chē)搭建大管棚，起到超前支護(hù)的效果。管棚環(huán)向間距以40 cm為基準(zhǔn)，單根長(zhǎng)度為12 m，并且在管棚中間位置交叉搭接，將長(zhǎng)度控制在5 m以上，傾角在5°～7°，管棚注漿需要用到的水泥漿液配比以1∶1為準(zhǔn)，注漿壓力調(diào)整在1.5～2.0 MPa。排水孔原材料建議采用鋼花管，控制鋼化管間排距為1 m×1 m，并且設(shè)置為梅花形[6]。

完成以上施工之后，現(xiàn)場(chǎng)坍塌段實(shí)施開(kāi)挖拆換。其中斜向注漿鋼花管長(zhǎng)度、環(huán)向間距、縱向間距分別為4.5 m、80 cm、50 cm，將超前大管棚、環(huán)向按照間隔設(shè)置，注漿這一流程同樣要使用1∶1的水泥漿液[7]。當(dāng)結(jié)束注漿之后便可以開(kāi)挖拆換，這一流程必須要做好監(jiān)控量測(cè)，保證所有施工人員的人身安全[8]。

施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土的襯砌澆筑嚴(yán)格控制質(zhì)量，建議在襯砌臺(tái)車(chē)拱腰、拱頂?shù)戎匾恢冒惭b攝像頭，實(shí)時(shí)觀察混凝土內(nèi)部澆筑狀況，特別是拱頂混凝土襯砌澆筑的有效控制。另外，各個(gè)板襯砌澆筑結(jié)束之后，管理人員、分管生產(chǎn)副經(jīng)理需要依次簽字，有利于加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)所有工作人員責(zé)任心，如果后期出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題也能夠追溯到直接責(zé)任人。

新施作套襯建筑材料前期選擇非常重要，本次隧道工程采用C35自密實(shí)模筑鋼筋混凝土，澆筑強(qiáng)度、厚度均符合設(shè)計(jì)規(guī)范?；炷翉?#拌和站使用罐車(chē)運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)混凝土輸送泵達(dá)到泵送入模的效果。套襯混凝土澆筑采用分段澆筑方法，從施工拱墻1、2、3、4開(kāi)始，隨后澆筑施工拱頂5，期間由左右交替施工。邊墻部位混凝土澆筑每次為3.8 m，澆筑方量V按照公式V=3.8 m×L×0.25 m（高度×長(zhǎng)度×厚度）計(jì)算；拱頂澆筑方量計(jì)算公式為V=12 m×L×0.25 m（高度×長(zhǎng)度×厚度），該部位必須要一次成型，澆筑長(zhǎng)度結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工料機(jī)配備情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

在對(duì)塌坑兩側(cè)開(kāi)挖處理的時(shí)候，一定要沿著隧道軸線的方向進(jìn)行開(kāi)挖，同時(shí)還要對(duì)地面連接的平順性進(jìn)行控制，對(duì)于塌坑底部位置要進(jìn)行充分的設(shè)定，并按1%的配合比例進(jìn)行軸向回填處理，在正面兩側(cè)完成塌坑接入。同時(shí)還要保證塌坑底部回填和清表坡處的回填比例能夠接近1∶1.2的坡率進(jìn)行，完成一系列的回填之后要采用C20混凝土進(jìn)行覆蓋處理，并保證回填厚度為20 cm。

為了保證能夠?qū)Φ乇硭M(jìn)行充分的排引，沿著隧道軸向方向鋪砌地表排水溝，并在回填處理的時(shí)候提前設(shè)定出3%的橫坡坡度，保證地表水能夠進(jìn)行集中化的處理。

在洞內(nèi)具體開(kāi)工之前，先沿著隧道的軸向方向進(jìn)行充分的觀察，觀察完成之后，在掌子面的進(jìn)口處安排布置鋼花管，并保證鋼化管的底部能夠打入隧道的拱底位置，在距離拱頂10 m的位置之上進(jìn)行注漿開(kāi)口。為了能夠?qū)κ┕と藛T的安全做出保障，同時(shí)避免在洞中出現(xiàn)大量的擁擠情況，可以對(duì)注漿形式進(jìn)行改變，當(dāng)涌泥位置確定之后再進(jìn)行土體掩埋處理。

在對(duì)洞口當(dāng)中的突泥進(jìn)行處理的過(guò)程當(dāng)中，如果方體含量距離掌子面8 m左右時(shí)，要停止施工，采用混凝土對(duì)掌子面進(jìn)行封閉處理，主要是利用混凝土進(jìn)行噴射，一定要保證噴射厚度在20 cm左右。為了管棚工作室和內(nèi)壁墻體結(jié)構(gòu)的安全，要采取邊注漿邊加固的方式進(jìn)行。

在內(nèi)部建立管棚開(kāi)挖工作室，搭建的過(guò)程當(dāng)中利用長(zhǎng)管進(jìn)行操作，并將整體長(zhǎng)度控制在約33 m，同時(shí)還要將環(huán)境距離控制在40 cm以?xún)?nèi)，并保證仰角約為3°。

對(duì)于排水系統(tǒng)一定要提升發(fā)育完成的斜坡度，并滿(mǎn)足排水盲工的布置要求，同時(shí)還要在橫向疏導(dǎo)方向加排一定的輸送管。

初期支護(hù)施工完成之后要在第一時(shí)間進(jìn)行二襯處理，特別是在塌槽地方一定要進(jìn)行有效的二次初砌處理，以此確保二次襯切能夠同初次支護(hù)形式相一致，進(jìn)一步增強(qiáng)整體完整性，對(duì)于外在預(yù)應(yīng)力能夠?qū)崿F(xiàn)共同承擔(dān)，這樣將會(huì)進(jìn)一步提升外在結(jié)構(gòu)的完整性，保證整體施工更加安全。

在前期支護(hù)的過(guò)程中，一定要對(duì)突泥產(chǎn)生的影響進(jìn)行充分的規(guī)避，同時(shí)在清方的時(shí)候一定要加強(qiáng)周?chē)Y(jié)構(gòu)的保護(hù)，能夠更好地掌握前方支護(hù)情況，不斷進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)意外情況能夠做到有效的補(bǔ)強(qiáng)處理。

6 方案可行性分析

1）在具體施工的過(guò)程中，采用深孔注漿的方式進(jìn)行操作，對(duì)松散的土地進(jìn)行加固處理，這樣將會(huì)保證在隧道內(nèi)部進(jìn)行清方的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)任何塌方情況，對(duì)于每個(gè)人員的人身財(cái)產(chǎn)安全能夠做出重要的保證，進(jìn)一步提升操作安全穩(wěn)定性，同時(shí)也有利于整體工作效率的提升。

2）此方案表現(xiàn)出良好的環(huán)保特性，如果在操作的過(guò)程中沒(méi)有應(yīng)用此方案，溶洞內(nèi)部將產(chǎn)生更多的渣土，無(wú)形當(dāng)中產(chǎn)生過(guò)多的廢方，同時(shí)還要增加棄土場(chǎng)地。與此同時(shí)，在內(nèi)部處理完成之后，還要進(jìn)行回填操作，增加了取土收土的這一環(huán)節(jié)，容易對(duì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重影響了整體穩(wěn)定性，同時(shí)冒頂上方的土質(zhì)容易摻雜過(guò)多的雜質(zhì)，不利于運(yùn)輸傳送。

3）此方案能夠體現(xiàn)出良好的安全性，因?yàn)槊绊數(shù)母叨认鄬?duì)較高，如果從頂上直接進(jìn)行回填處理，容易對(duì)下方的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，無(wú)法達(dá)到安全施工的目的，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生更多的危險(xiǎn)因素。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，需要對(duì)隧道冒頂情況給予足夠的重視，針對(duì)此現(xiàn)象做出細(xì)致的分析，以此提出更加科學(xué)合理的解決方法，在解決的過(guò)程中能夠體現(xiàn)出良好的安全價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，保證應(yīng)用的方案能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造出更大的利益，從而能夠更好地促進(jìn)隧道事業(yè)的全面發(fā)展，為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要的貢獻(xiàn)。