岩溶隧道塌方形成机理及处治对策研究

Aug.

岩溶隧道塌方形成机理及处治对策研究

肖吉维

(湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳

413000)

摘要：岩溶隧道在施工过程中，极易因岩溶水的泄放、溶洞填充物的塌陷而改变围岩原有 应力分布情况，诱发隧道掌子面产生塌方，对隧道施工安全造成极大的威胁。为避免岩溶隧道 塌方引起的地质灾害，提高施工安全性。结合四方山岩溶隧道的工程实例，全面分析其工程特 性，研究其塌方形成机理，针对基本稳定区、塌方影响区、塌方发生区分别制定岩溶隧道塌方处 治对策,为类似研究工程提供参考。

关键词：岩溶隧道;塌方；形成机理；处治对策中图分类号:U458.3

文献标识码:A

文章编号：1006-3528(2019)04-0096-04

〇引言

岩溶作为一种特殊的地质条件，在我国分布面

积达国土面积的13%，广泛分布于广西、云南、贵 州、四川、湖北、山西、山东等地区。近年来，随着国家 高速公路建设规模的不断增加，高速公路隧道逐渐 向崇山峻岭、地质条件复杂地区迈进，岩溶隧道也越 来越多。岩溶隧道在施工过程中，极易因岩溶水的泄 放、溶洞填充物的塌陷而改变围岩原有应力分布情 况，导致围岩整体稳定性差，诱发隧道掌子面突泥、 涌水、掉块、塌方等地质灾害,对隧道施工安全造成 极大的威胁。

近年来，国内外学者们针对岩溶隧道开展了大 量而深人的研究工作,宋瑞刚I1结合岩溶隧道的工程 特点,分析其对隧道安全性的影响，总结勘察设计经 验及施工方案;林国涛pi结合工程案例，深人分析岩 溶与隧道的位置关系，利用力学分析手段研究岩溶 隧道的突泥机理及防治措施；吕言新p针对大瑶山隧 道高压、富水、岩溶分布多的特征，研究岩溶隧道注 浆堵水措施，为岩溶隧道施工安全提供技术支撑;解 东升[4]分析了高风险岩溶隧道在施工过程中产生突 水突泥病害的主要影响因素，提出突水突泥预测技 术体系。本文在前人研究的基础上，结合四方山岩溶 隧道的工程实例，全面分析其工程特性，研究其塌方 形成机理，并有针对性地制定岩溶隧道塌方处治对 策，为类似研究工程提供参考。

1工程概况

1.1地形地貌

四方山隧道为特长分离式隧道，其左右线长度 分别为3 405 m、3 390 m。隧址区属低山丘陵区，隧 道进出口处坡面均较为平缓，其坡角约为25。~

35° ,坡体两侧分布有小型沟壑，其走向与隧道轴线 平行。隧址区处于复式背斜地形，其岩层整体呈单斜 构造，中部夹有褶皱，地层裂隙较为发育。隧道穿越 地层主要为砂岩、石灰岩，其节理裂隙发育，且地下 水系发育，溶洞分布较多，围岩整体稳定性较差，对 施工安全影响较大。该隧道地形地貌现场情况如图 1所示。

图1隧道洞口地形地貌情况

1.2气象及水文条件

隧址区气候条件属典型的亚热带温湿气候，四 季分明,局部小气候效应明显，雨量充沛。隧址区年 平均降雨量达950 mm,每年5月至9月为汛期。隧

收稿日期:2019-06-21;修回日期:2019-07-03

作者简介:肖吉维(1996-)，男，湖南益阳人，湖南城市学院本科在读。

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址区河流较多,均属珠江水系，地表降雨、河流形成 的地表水水量较大，同时由于隧址区横坡较为平缓， 地表水极易下渗，溶洞内水量补给充足。隧址区地下 水类型主要为裂隙潜水、孔隙水、岩溶水等，其主要 来源为人渗补给及区域外渗流补给。

1.3

采用厚度为50 cm的C25钢筋混凝土，隧道支护结 构参数的具体情况如图2所示。2

塌方形成过程及机理分析

2.1塌方具体形成过程

隧道左线进口开挖至ZK76+748时，掌子面后 方已施作完成的初期支护出现掉块现象，并发出明 显的混凝土开裂声，随后现场人员紧急撤离。后经现 场观察后发现，该段隧道初期支护产生多条裂缝，且 随着时间的推移，初期支护变形不断增大，裂缝持续

地层岩性

根据隧址区勘探资料显示，隧址区地层情况主

要为第四系残坡积层三叠系下统罗楼群 (T„)灰岩、砂岩，以及侏罗纪下统汪门组Jlw砂岩， 其地层从上到下依次为：

发展，隧道拱顶及拱腰部位产生明显剪切变形。同

a) 第四系残坡积层(QJ4)岩体呈褐色，主要

时，局部格栅钢架严重扭曲，混凝土开裂严重，最终 有碎石、黏土组成，岩层厚度为0.5 ~ 28.0 m之间，

发展为隧道塌方。

主要分布于地表斜坡平缓地带，为隧道洞口段的主

塌方发生时,大量溶洞填充物涌出，其主要由碎

要围岩。

石黏性土组成，呈流塑状，结构较为松散。塌方体 b) 三叠系下统罗楼群(Tu)灰岩岩体呈灰黄 土、

涌入隧道后,堵塞整个隧道开挖面，其沿隧道轴向长

色，主要由长石、石英、伊利石、蒙脱石组成，颗粒较

度约15 m，塌方量达1 200 m3;塌方共导致7棍格

细，呈中薄层构造,弱风化，围岩完整性较差。

且该段隧道初期支护严重破损，需 c) 三叠系下统罗楼群(T„)砂岩岩体呈灰白栅钢架严重变形，

进行拆除重新施工。本次塌方空间位置分布情况如

色，主要由长石、石英、云母组成，颗粒成分为中细

图3所示，现场具体情况如图4所示。

粒，呈厚层构造，弱风化，围岩完整性相对较好。

溶洞

1.4隧道设计参数

26 cb水泥混凝土路面C10片石棍凝土回填 现浇C25钥筋浪凝土仰拱50 cm 喷C25早强混凝土26 cm I20a型钢拱架，纵g65 cm

图

2

隧道支护结构设计图图

4

隧道塌方现场情况

该隧道设计理念采用新奥法原理，施工工法采 用上下台阶法，循环进尺不大于1.5 m。隧道初期支 护结构采用I20a型钢拱架，其沿隧道轴向间距为 65 cm,钢拱架为全环形设计;两榀钢拱架之间设置 有内外两层连接钢筋,其环形间距为0.8 m,内外层 交错设置;钢筋网片采用小8钢筋，其内外两层的间 距均为20 x 20 cm;系统锚杆采用022砂浆锚杆， 长度为4 m，环向间距为1 m,纵向间距为0.65 m; 喷射混凝土采用26 cm厚的C25混凝土，二次衬砌

2.2塌方形成机理分析

隧道掌子面前方存在大型溶洞，其内部填充有 碎石、黏性土，结构疏松，强度较低，而在隧道施工过 程中，围岩在开挖卸荷作用下受到扰动，溶洞内填充 物稳定性遭受破坏。然而，在地质勘察过程中并未准 确预测到该溶洞，导致该段隧道在施工过程中仍采 用常规手段，初期支护强度并未加强,导致初期支护 强度不足以支撑溶洞内填充物的压力，使得初期支 护产生大变形，溶洞填充物及上部围岩坊塌，涌人隧

•98.

道内部,形成塌方体。

山西交通科技2019年第4期

隧址区内地下水丰富，地表水补给充分，且隧道 围岩结构疏松，渗透性较好，导致地下水渗入溶洞， 而溶洞内部填充物含有大量的黏性土，其在地下水 作用下呈流塑状，强度极差。在开挖卸荷作用下，围 岩应力重新分布，原有隧道支护结构不足以支撑其 荷载，导致隧道塌方的发生。3

塌方处治对策

3.1基本稳定区的处治

隧道塌方发生后，对于已施作初期支护但未施 作二衬部分，其未产生变形破坏的隧道段可视为基 本稳定区。为最大限度保证基本稳定区的整体稳定 性,避免后期变形影响到该区域，该项目采用“早封 闭、二衬快跟进”的防治措施，其中二次衬砌可采用 跳跃式施工方法，即在岩溶地段应先施作离溶洞最 近的隧道段二衬，避免初期支护产生过大变形。对于 局部无法尽快施工的二衬段，应采用小导管注浆法 对隧道径向围岩进行注浆加固，其注浆管长度不小 于3 m，孔位分布间距为1.0 x 1.0 m，呈梅花型布 设。注浆管前端应加工成锥形，管壁上布设有直径为 8 mm的小孔，孔间距为5 X 5 cm。浆液可根据围岩 具体情况采用水泥浆液或水泥-水玻璃浆液，其注 浆压力不小于1.5 MPa。隧道开挖过程中，下台阶与 上台阶错开距离不小于3 m，仰拱及时施作,尽快成 环。

3.2塌方影响区的处治

隧道塌方掌子面后方10 m范围内可界定为塌 方影响区，其初期支护变形较大，格栅钢架扭曲变形 严重，因此需对其进行换拱处治，并对其围岩进行注 浆加固。首先，拆除原有格栅钢架，凿除侵限的初支 喷射混凝土，安装I20a型钢拱架，纵向间距为 0.7 m,并焊接双层钢筋网片，其间距为20x20 cm; 随后喷射25 cm厚的C25混凝土，并打设锁脚锚 杆，其采用直径为25 mm、长度为3.5 m的砂浆描 杆，其具体布设情况如图5所示。在隧道围岩注浆方 面，采用直径为42 mm、长度为6 m的小导管，其外 插角度为30°，环向间距为1.0 m,纵向间距为1.5 m, 呈梅花型布设；浆液可采用水泥-水玻璃双浆液， 水玻璃浓度应为35波美度’注浆压力不小于1.5 MPa。

对影响区内的塌方体处治过程中，应采用微台 阶掘进法，预留核心土，保证开挖体整体稳定，对局 部存在的大型孤石应切割后再进行开挖，不宜采用 爆破开挖法，其循环进尺不应大于0.5 m，仰拱应尽 快封闭成环，其现场具体情况如图6所示。

图6

随道塌方影响区塌方体处治现场情况图5

隧道塌方影响区处治结构示意图

3.3塌方发生区的处治

对于隧道塌方发生区，主要采用加强支护、注浆 加固及陷穴回填措施进行处治。首先，将原有支护结 构型式变更为“钢拱架+锁脚锚管+环向小导管+ 双层钢筋网+C30喷射混凝土”的支护结构型式，其 钢拱架采用I20a型，纵向间距为0.5 m,连接钢筋采 用022螺纹钢，环向间距为1.0 m;锚管采用直径 为42 mm的小导管，长度不小于3.5 m;钢筋网片米 用伞8钢筋，其间距为20x20 cm,搭接长度不小于 10 cm。在陷穴填充方面，首先通过布设小导管对陷 穴空腔内塌方体进行注浆,待注浆体强度形成后，通

过导管泵送早强混凝土，第一次填充50%，待混凝 土强度达80%后，再填充第二次，填充至100%,其 具体处治措施如图7所示。

4>42小导管，外插角30* ,K

0

2019年第4期4

结论

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影响区，因初期支护变形较大，钢拱架扭曲变形严 重，需对其进行换拱处治，并对其围岩进行注浆加

a) 该隧道在施工过程中产生塌方主要原因在于 固;对于隧道塌方发生区，主要采用加强支护、注浆 3个方面，首先隧道掌子面前方存在大型溶洞，其内 加固及陷穴回填措施进行处治。部填充有碎石、黏性土，结构疏松，强度较低，在施工 扰动，溶洞内填充物稳定性遭受破坏;其次，溶洞段 隧道支护结构强度未加强，无法承受其填充物压力， 导致初期支护结构产生大变形;最后,溶洞内部填充 物含有大量的黏性土，在地下水作用下呈流塑状，强

[1J宋瑞刚,林国涛.岩溶发育地区隧道勘察设计经验与施工

对策丨几北京交通大学学报,2012,36( 1): 12-18.[2] 林国涛，宋瑞刚.岩溶隧道突泥机制与防治技术研究[J].

隧道建设,2012,32(2): 169-174.

参考文献：

度极差，进一步加剧了塌方的产生。[3] 吕言新，张猛，董之龙.富水岩溶隧道注浆堵水技术研

b) 对于隧道基本稳定区，应采用“早封闭、二衬 究[J].中国矿山工程,2012,41(1):60-63.快跟进”的防治措施，二次衬砌可采用跳跃式施工方 法，而对于局部无法尽快施工的二衬段，应采用小导 管注浆法对隧道径向围岩进行注浆加固；对于塌方

[4] 解东升，石少帅,陈士林，等.高风险岩溶隧道突水突泥灾

害前兆规律与应用研究[J].山东大学学报(工学版),2012, 42(1)：81-86,

The Study on the Formation Mechanism and Treatment

Countermeasures of Karst Tunnel Collapse

XIAO Ji-wei

(School of Civil Engineering of Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

Abstract： The original stress distribution of surrounding rock is easily changed due to discharge of karst

water and collapse of filler in karst cave during construction of karst tunnel, which leads to collapse of tunnel face and poses a great threat to tunnel construction safety. Combined with the engineering examples of Sifangshan Karst Tunnel, this paper comprehensively analyzed its engineering characteristics and studied its formation mechanism of collapse. Treatment countermeasures to karst tunnel collapse were made on fundamental stable region, collapse affected area and collapse occurrence area respectively, which could provide reference for similar projects.

Key words： karst tunnel; collapse; formation mechanism; treatment countermeasures