含填充型溶洞高速公路隧道突泥災(zāi)害機(jī)制及加固技術(shù)研究

摘要：我國(guó)西南地區(qū)隧道建設(shè)施工環(huán)境復(fù)雜多變，針對(duì)含軟弱圍巖及填充型溶洞的高速公路隧道易發(fā)生突泥突水災(zāi)害現(xiàn)象，文章以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究掌子面突泥突水的發(fā)生機(jī)制及帷幕注漿加固參數(shù)調(diào)整，得到如下結(jié)論：（1）含軟弱圍巖及填充型溶洞的隧道易發(fā)生突泥和突水災(zāi)害，且災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生速度快、影響范圍大及次生災(zāi)害多;（2）總結(jié)出突泥和突水災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，即災(zāi)害受匯水峽谷地形、地下水豐富、導(dǎo)水通道發(fā)育、勘探工作不到位及注漿效果不足等因素的影響，主要影響因素是隧道含軟弱圍巖及充填型溶洞;（3）通過對(duì)比調(diào)整帷幕注漿施工參數(shù)前后檢查孔滲流量情況，發(fā)現(xiàn)調(diào)整參數(shù)前的注漿效果達(dá)不到規(guī)范要求，而調(diào)整后的加固參數(shù)能達(dá)到良好的注漿效果，防止突泥突水災(zāi)害的發(fā)生，保證工程安全。

關(guān)鍵詞：填充型溶洞;隧道;突泥突水;發(fā)生機(jī)制;注漿加固

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：U457+.2-A-26-085-4

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平的快速發(fā)展，以及人民對(duì)便利出行的需求日益增長(zhǎng)，我國(guó)的高速公路發(fā)展越來越快[1-2]。但是在我國(guó)西南地區(qū)，高山峽谷分布廣泛，給高速公路建設(shè)帶去嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，隧道逐漸成為高速公路的主要構(gòu)筑物之一，因此也促進(jìn)了隧道建設(shè)技術(shù)的提升[3-4]。

然而，隧道建設(shè)時(shí)刻面臨著復(fù)雜的施工環(huán)境，如靠近或穿越大型溶洞時(shí)面臨的突泥和突水等問題[5-6]，溶洞嚴(yán)重影響著隧道的施工和后期高速公路隧道的安全運(yùn)營(yíng)，因此，對(duì)于隧道靠近或穿越大型溶洞時(shí)的施工技術(shù)研究顯得十分重要。閆立來以太原至佳縣的某段高速公路為研究背景，研究了隧道穿越溶洞時(shí)的涌水處理技術(shù)[7];代宣印全面探討了隧道穿越大型溶洞時(shí)的施工技術(shù)要求，為施工安全和隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定提供了技術(shù)指導(dǎo)[8]。

目前，針對(duì)含溶洞的隧道施工技術(shù)已經(jīng)取得一定的成果，但是以經(jīng)驗(yàn)施工較多，且存在成本相對(duì)較高和施工工序較為繁瑣等不足，而且對(duì)于溶洞導(dǎo)致的突泥突水等災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制研究還很少見。因此，本文以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究隧道左線掌子面突泥突水的發(fā)生機(jī)制，并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)原有帷幕注漿加固施工技術(shù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效地防治突泥突水及加固效果。

1 工程概況

1.1 工程概況

本文選取的廣西桂林至柳城高速公路某隧道為小間距的長(zhǎng)隧道，該隧道是該高速公路的重要工程之一，工程所處地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候。隧道全長(zhǎng)3 200 m，最大埋深500 m。該隧道左線明暗交界處樁號(hào)為ZK90+908，隧道施工至樁號(hào)ZK91+087時(shí)，掌子面左側(cè)遭遇填充型溶洞，溶洞高約4 m，寬約2 m，侵入隧道初支約為1 m。

1.2 突泥突水災(zāi)害概況

隧道掌子面開挖至ZK91+093處時(shí)，溶洞呈斜向掌子面上方發(fā)育趨勢(shì)并伴隨有石塊和泥土脫落的現(xiàn)象，隨后掌子面拱頂發(fā)生小規(guī)模突泥現(xiàn)象，洞頂溶洞塌腔呈7 m直徑大小圓形，突泥主要為泥夾石堆積體，無泌水現(xiàn)象。幾小時(shí)過后，掌子面再次發(fā)生突泥，突泥充填段長(zhǎng)度約30 m，樁號(hào)為ZK91+093～ZK91+063，突泥量約為2 000 m3，還伴隨著突水現(xiàn)象，突水量大約為2.4×104 m3。

2 災(zāi)害機(jī)制分析

2.1 災(zāi)害環(huán)境因素分析

通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和試驗(yàn)及理論數(shù)據(jù)分析，總結(jié)出導(dǎo)致該隧道發(fā)生突泥和突水等災(zāi)害的環(huán)境因素，分為以下幾個(gè)方面：

（1）谷地匯水地貌。地形地貌對(duì)于地下水和地表水的匯集具有重要的影響，盆地和溝谷等就具有較強(qiáng)的聚水能力，該隧道上方為谷地，聚水能力強(qiáng)，地下水豐富。

（2）水資源豐富。該隧道所處區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降雨充沛，一年內(nèi)每月的平均降雨量如圖1所示。從圖中可以看出，該區(qū)域分為明顯的豐水期和枯水期，年平均降雨量約為1 500 mm左右，溶洞中也能儲(chǔ)存大量的水。

（3）圍巖穩(wěn)定性較差。隧道開挖時(shí)周圍巖體主要是風(fēng)化的混合花崗巖，由于較長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化作用，圍巖巖體破碎，裂隙較大，導(dǎo)致浸水后易崩解。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得知不同掘進(jìn)深度圍巖土樣的崩解率，如圖2所示。從圖中可以看出，該隧道不同掘進(jìn)深度的圍巖在浸水35 min后崩解率均達(dá)到了95%以上，說明其穩(wěn)定性較差。

（4）導(dǎo)水通道發(fā)育。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，發(fā)現(xiàn)隧道圍巖土層不均勻，滲透系數(shù)相差較大，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，得到不同土體的滲透系數(shù)如表1所示。從表中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)值比室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值大出2個(gè)數(shù)量級(jí)，說明現(xiàn)場(chǎng)圍巖具有較為發(fā)育的導(dǎo)水通道。為了進(jìn)一步探測(cè)溶洞及穩(wěn)定性較差的圍巖內(nèi)導(dǎo)水通道較為發(fā)育的地層，通過Flash RES64對(duì)溶洞附近隧道地層進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，巖層穩(wěn)定性區(qū)域和導(dǎo)水通道較為發(fā)育的區(qū)域均能從圖中直觀地看到。

2.2 災(zāi)害機(jī)制分析

如圖4所示的災(zāi)害機(jī)制圖可知，該隧道地表水和地下水豐富，導(dǎo)水通道較為發(fā)育，加上周邊充填型溶洞影響，為突泥突水等災(zāi)害的發(fā)生提供了自然基礎(chǔ)，且在隧道施工過程中，缺少一定的探測(cè)及預(yù)防措施，且注漿技術(shù)不到位，最終引發(fā)了突泥和突水災(zāi)害，還會(huì)導(dǎo)致一系列的次生災(zāi)害。

3 注漿加固技術(shù)分析

3.1 帷幕注漿加固技術(shù)

隧道地層最大靜水壓力為1.28 MPa，加之溶洞的存在降低了圍巖穩(wěn)定性，開挖過程中給支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，因此必須采取超前注漿措施，但是突泥突水災(zāi)害的發(fā)生說明之前的注漿措施并不到位，因此必須重新調(diào)整注漿加固施工參數(shù)，避免災(zāi)害的再次發(fā)生。

為了對(duì)溶洞及風(fēng)化巖體進(jìn)行有效的注漿加固，需要對(duì)注漿液體進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)涌水量大小可采用普通水泥漿和水泥-鈉水玻璃漿液，通過摻雜超細(xì)粉煤灰或礦渣調(diào)整凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石體強(qiáng)度。根據(jù)裂隙發(fā)育程度及安全系數(shù)，將注漿壓力調(diào)整為2.5～3.3 MPa。注漿范圍須覆蓋圍巖松動(dòng)圈和溶洞邊緣，此次注漿帷幕厚度為6 m，注漿擴(kuò)散半徑平均為1.4 m，具體注漿參數(shù)調(diào)整如表2所示，其注漿縱面示意圖如下頁(yè)圖5所示。

3.2 注漿加固效果評(píng)價(jià)

通過檢查孔法對(duì)隧道某注漿加固治理段治理前后進(jìn)行抽樣檢查評(píng)價(jià)分析，規(guī)范要求涌水量為單孔涌水量≤3 L/min，且單孔單位涌水量≤0.2 L/（m·min）。治理后的抽樣檢查結(jié)果如下頁(yè)表3所示，治理前后相應(yīng)位置的單孔涌水量對(duì)比圖如下頁(yè)圖6所示。由表3和圖6所示可知，調(diào)整加固參數(shù)前后均抽取10個(gè)檢查孔，成孔率均>94%，無塌孔發(fā)生，且未調(diào)整加固參數(shù)前滲流量均>3 L/min，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，因此導(dǎo)致突水現(xiàn)象發(fā)生，而調(diào)整加固參數(shù)后的滲流量均遠(yuǎn)<3 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求，說明調(diào)整參數(shù)過后的注漿加固技術(shù)取得明顯的圍巖加固和堵水效果。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，調(diào)整加固參數(shù)后的掌子面變得相對(duì)干燥，注漿擴(kuò)散效果良好。

4 結(jié)語

針對(duì)含軟弱圍巖及充填型溶洞的高速公路隧道易發(fā)生突泥突水災(zāi)害現(xiàn)象，本文以廣西桂林至柳城高速公路某隧道工程為背景，研究掌子面突泥突水的發(fā)生機(jī)制及帷幕注漿加固參數(shù)調(diào)整效果，得到如下結(jié)論：

（1）含軟弱圍巖及充填型溶洞的隧道易發(fā)生突泥和突水災(zāi)害，且災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生速度快、影響范圍大及次生災(zāi)害多。

（2）總結(jié)出突泥和突水災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，即災(zāi)害受匯水峽谷地形、地下水豐富、導(dǎo)水通道發(fā)育、勘探工作不到位及注漿效果不足等因素的影響，主要影響因素是隧道含軟弱圍巖及充填型溶洞。

（3）通過對(duì)比調(diào)整帷幕注漿施工參數(shù)前后檢查孔滲流量情況，發(fā)現(xiàn)新的加固參數(shù)能達(dá)到良好的注漿效果，可防止突泥突水災(zāi)害的發(fā)生，保證工程安全。

參考文獻(xiàn)

[1]黃 鸝.新時(shí)期高速公路生態(tài)恢復(fù)及綠化養(yǎng)護(hù)策略探析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（20）：88-89.

[2]Zhou Leisheng，Zhu Ying.Analysis of Stratum Settlement Laws Caused by the Construction of Shallow-Buried Expressway Tunnels with Large Span and Small Spacing[J].Geotechnical and Geological Engineering，2021（39）：1 485-1 495.

[3]Xuejian Zhu，Nian Zhang，Xiaohui Hao，et al.Study on the design of water treatment scheme for Expressway tunnel in a mountainous area[J].International Core Journal of Engineering，2019，5（9）：234-239.

[4]韓 磊，白陽陽.上下并行隧道先后下穿高速公路相互影響機(jī)理研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（11）：61-65.

[5]吳雷雷.巖溶地質(zhì)環(huán)境下影響高速公路隧道溶洞穩(wěn)定性的數(shù)值模擬[J].公路工程，2017，42（3）：245-248，265.

[6]陳偉康.高速公路隧道穿越溶洞段處治技術(shù)的應(yīng)用研究[J].安徽建筑，2020，27（10）：159，198.

[7]閆立來.太原至佳縣高速公路隧道溶洞及涌水處治技術(shù)淺析[J].山西交通科技，2013（5）：41-42.

[8]代宣印.山區(qū)高速公路隧道穿越特大型溶洞施工技術(shù)[J].交通世界，2016（32）：64-65.

收稿日期：2021-03-08

作者簡(jiǎn)介：鄭英?。?981—），工程師，研究方向：高速公路施工管理。