灰岩夹页岩地质隧道溶洞及地表塌陷技术探究

郭海坡

灰岩夹页岩地质隧道溶洞及地表塌陷技术探究

郭海坡

(中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000)

结合漆树坝隧道的工程与水文地质条件，对该隧道地表塌陷事故进行了现场勘察，分析了其溶洞特征和需要解决的问题，并提出了溶洞及地表塌陷的综合处理技术，达到了预期的施工效果。

隧道，溶洞，地表塌陷，掌子面

0 引言

灰岩夹页岩地质特性有本身的特殊性，页岩具弱膨胀性，遇水容易软化，岩体强度降低。灰岩夹页岩岩溶发育增加了工程施工困难。漆树坝隧道在该段施工中遇到了溶洞，并造成洞内坍塌及洞顶地表塌陷，施工发现有涌泥现象后，项目及时组织撤离人员机械设备，未造成人员财产直接损失。并对坍塌和地表陷坑进行了科学有效的技术处理。地表塌坑位置有大面积水田，坍塌段造成水位降低，地表水不能满足农业生产，处理后达到该段水文环境的自然状态。该段通过监控量测观测，拱顶下沉及收敛在规定范围之内，也成为一个成功案例。

1 工程概况

漆树坝隧道位于陕西省勉县境内大巴山低中山区，在大巴山间潮河、干沟、大水沟等沟谷底部通过。区域内平均海拔为1 080 m，最高海拔为1 369 m，隧道最大埋深392 m，最小埋深38 m。洞身地表起伏较大，地表自然坡度30°～80°，地形复杂。隧道全长7 225.7 m，为双线隧道，其中200 m灰岩夹页岩溶蚀发育位于埋深范围38 m～48 m，埋深最浅处上部沟谷有10余米宽常年流水通过，常年正常水深0.6 m左右，且有大片水田。

1.1 工程地质条件

隧道工程涉及主要地层为第四系全新统冲洪积膨胀土、洪积粗角砾土、冲积卵石土，志留系下统页岩，奥陶系中上统灰岩夹页岩，奥陶系下统砂岩夹砾岩、灰岩夹砂岩等，受多期构造活动影响，内部构造极其复杂，构造变形强烈，一般由南向北被断层切割的现象逐步加剧，工点范围内发育有区域断裂fa-3，该段褶皱构造较发育，系由向西倾伏的复式背斜、向斜组成，受构造影响，岩石节理裂隙较发育。

其中论述段地层岩性为奥陶系中上统灰岩夹页岩，厚层状构造，岩石表面滴盐酸冒气泡，局部有溶孔和溶隙发育，岩溶发育程度为弱发育～微弱发育，采用Ⅳa型复合式衬砌结构支护。地下水以碳酸盐岩溶裂隙水为主。

1.2 水文地质条件

漆树坝隧道顶部及附近较大的沟谷皆有常年流水，水量丰富。且雨季水量增加显著。流域面积为1.86 km2，流量为967 m3/d。

隧址区地下水的形成、分布受地形地貌、岩性、构造、植被、降水量等多种因素控制和影响。特别是在构造、岩溶作用下，岩溶发育带、断层破碎带、岩性接触带、节理密集带等，为地下水贮存和运移创造了良好的地质条件。地下水贮存类型主要有碳酸盐岩溶裂隙水和碎屑岩类裂隙孔隙水。

区内地下水的补给来源主要是大气排水，其次为地表水。地下水的径流状态主要受地形地势的控制，一般由分水岭向河谷方向运移，即沿山坡向就近沟谷排泄，基本上与地表水流方向一致，径流排泄是该区地下水的主要排泄方式。

由于地势起伏较大，坡度大，地下水的径流较短，水交替循环迅速，溶滤作用强烈而矿化作用微弱，隧道通过地段的地表水及地下水化学类型为:HCO3-Ca，HCO3·SO4-Na+K·Mg型水，矿化度小于0.6 g/L，pH值大于8，水质呈弱碱性。

2 事件描述

8月12日15:30，施工掌子面里程为DgK293+867，揭示的地层岩性为奥陶系中上统灰岩夹页岩，中厚层状，节理、裂隙较发育，掌子面岩体完整性较差。掌子面有渗水。

出砟完成后，面向掌子面右侧拱腰至拱顶处，有泥水混合物夹带砾石滑落，在17:00采用喷射混凝土进行了封堵处理。泥水混合物夹带砾石滑落现象持续至21:30仍在继续，至8月13日早上基本不再有泥石从右侧滑落，滑落泥石总计方量约100 m3。

经现场查勘，右侧发育一溶洞，可见范围内纵向延伸约3 m，横向延伸至边墙外3 m～4 m，垂直高度拱顶以上约5 m，溶洞内壁岩体受溶蚀作用影响，节理裂隙发育，岩体溶蚀破碎，内壁表面局部可见泥土，土黄色，溶洞内充填物为泥水混合物夹带砾石。拱顶右侧溶隙有股状水流出，水量约1 400 m3/d。根据DgK293+ 867掌子面的地质情况及超前地质预报的结果分析，该溶腔发育范围朝掌子面方向延伸至少8 m，高度大于7 m，溶腔内为全充填砾石夹泥土。溶洞塌坑位置关系及地表环境见图1。

图1 溶洞塌坑位置关系及地表环境

3 勘察后情况及分析

1)中线剖面反映出测区表层为膨胀土、圆砾土，厚度约为5 m，下伏为志留系下统页岩风化层，岩体较破碎，富水，厚度约为10 m～15 m，页岩风化层下伏为奥陶系中上统灰岩夹页岩，其中，在里程DgK293+835～DgK293+875段存在向下延伸的异常低阻带，结合地质情况，推断此处为岩溶发育区(见图2)。

2)中线左剖面反映出，在DgK293+830～DgK293+890段表层为膨胀土、圆砾土，厚度约为5 m，下伏为志留系下统页岩风化层，岩体较破碎，富水，厚度约为10 m～15 m，页岩风化层下部为奥陶系中上统灰岩夹页岩，其中，在里程DgK293+835～DgK293+ 875段存在向下延伸的异常低阻带，结合地质情况，推断此处为岩溶发育区(见图3)。

图2 中线剖面图

图3 中线左剖面图

3)中线右剖面反映出，在DgK293+830～DgK293+890段表层为膨胀土、圆砾土，厚度约为5 m，下伏为志留系下统页岩风化层，岩体较破碎，富水，厚度约为10 m～15 m，风化层下伏为志留系页岩，岩体较破碎，页岩下部为奥陶系中上统灰岩夹页岩，无明显异常低阻带(见图4)。

图4 中线右剖面图

4)横剖面:由于地表为水稻田，较湿润，为膨胀土、圆砾土，在覆盖层下部为志留系下统页岩，岩体较破碎，下伏为奥陶系中上统灰岩夹页岩。

DgK293+850横剖面图中，在左线线路中线左侧，存在一向下延伸的异常低阻带，结合地质情况，推断此异常为岩溶发育区;

DgK293+860横剖面图中，在左线线路中线左侧，有一处向下延伸的异常低阻带，结合现场地质情况推测为岩溶发育区;

DgK293+870横剖面图中，在左线线路中线左侧有一处向下延伸的异常低阻闭合圈，结合现场地质情况推测为岩溶发育区。

4 溶洞工程特征分析及需要解决的问题

结合DgK293+828～DgK293+890段勘察阶段资料、施工开挖中岩溶揭示情况、地表塌陷情况及补充勘察资料综合分析，DgK293+828～DgK293+890段地表塌坑位于DgK293+859～DgK293+867段左线线路中线左侧5 m，右侧3 m;隧道洞内施工揭示的岩溶发育段落为DgK293+838～DgK293+870段，其中施工中发生岩溶塌陷的段落为DgK293+850～DgK293+870段。结合高密度电法探测结果分析认为:

DgK293+828～DgK293+890段岩溶主要发育在DgK293+ 835～DgK293+875段左线线路中线左侧20 m、右侧10 m范围内。

该段地表灌溉水易下渗进入隧道内，导致该区域内水田不能蓄水。为阻止地表水下渗入隧道内，保证隧道工程运营安全，同时减少地表水流失，保证居民正常的生产活动，需对地表加固防渗处理。

根据溶洞和地表塌陷的现象和过程分析，隧道遇到填满饱和水分的填充物溶槽，当开挖至边缘时，含水填充物不断涌入隧道内，溶槽内形成空腔，逐步剥落槽壁，顶部破损岩石随之崩塌，加之隧道埋深较浅，顶部压力剧增，最终造成地表开裂下沉。

塌方出现后，需要解决的几个问题:确保人员安全的情况下不发生二次坍塌和次生灾害;保证后续施工安全推进;不给运营留隐患，一次处理到位;洞顶塌坑回填处理后并达到自然的水文环境，不影响水田继续耕种。

5 溶洞及地表塌陷综合处理技术

溶洞段处理主要为地下水和填充物的处理，防止突水涌泥，岩溶及基地处理不留隐患，达到地表水文环境平衡。必须根据地质预报的情况，判断分析堵排结合一劳永逸的综合处理方案见图5。

注：洞身及仰拱基底岩溶发育区已在现场施工过程中处理

图5 溶洞坍塌处理图

5.1 掌子面应急处理

紧急调集水泵设置临时水仓对涌水进行抽排，防止围岩浸水时间过长造成基地软化;采用弃砟土对掌子面进行反压回填，并对淤泥砂砾进行置换，确保掌子面临时稳定;喷射混凝土对掌子面及塌体进行临时封闭，并设置3 m混凝土止浆墙。

5.2 超前地质预报

漆树坝隧道采用TgP203地震反射法、物探法、振法、全断面地质素描、红外探水和超前长距离钻探及炮眼加深法进行综合超前地质预测预报。对围岩破碎带和富水带及特殊地质主要采用TSP203地震反射法、地质雷达、红外探水和超前长距离钻探进行综合超前地质预测预报进行预测和验证，及时反馈并指导现场施工，确保现场施工安全。断面设四个超前探水孔、进行超地质预报和探测。超前探孔布置见图6。

5.3 超前预注浆

超前地质预报探明在溶洞突水突泥地段，应采用25 m长超前全断面预注浆，预注浆有效注入范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外5 m;注浆孔径为108，注浆压力一般控制在1.5 MPa～1.0 MPa，每循环注浆段长度30 m，开挖长度为25 m，留5 m作为下一循环注浆的止水岩盘，第一循环采用5 m厚C20混凝土止浆墙。

注浆由外圈向内圈，同一圈孔间隔施工，先无水孔后有水孔，采用前进式分段注浆。注浆钻孔孔口位置应准确定位，与设计位置的容许偏差为±5 cm，偏角应符合设计要求，每钻进一段，检查一段，及时纠偏，孔底位置偏移应小于30 cm。钻孔时遇涌水或因地层破碎卡钻时，停止钻进，进行注浆，然后扫孔再钻进，再注浆。除出水量很大的注浆孔外，一般注浆孔先进行压水试验，据此修正注浆参数。

5.4 通过溶洞发育区段的处理

施工遵循基本方针“堆碴反压、监测反馈、钻孔放水、稳步开挖、提高支护等级、增强衬砌类型”。

1)开挖、支护。超前支护:在DgK293+871处拱部范围设置一环T76L自进式管棚，管棚长度16 m，环向间距50 cm，共计36根。拱部设 φ42超前小导管，纵向每2.0 m一环，长度为3.5 m，环向间距0.5 m，并注水泥浆。

开挖方法:施工方法采用三台阶弱爆破法开挖施工。减少围岩扰动，每次开挖支护进尺不得大于1榀钢架间距，中、下台阶开挖时左、右侧应交错进行，同一榀钢架基础不应同时悬空。开挖后掌子面必须迅速使用喷射混凝土封闭，初期支护尽早封闭成环。

支护参数:拱墙采用Ⅰ22a型钢钢架，纵向间距0.5 m/榀。锁脚锚管采用注M20水泥砂浆锚固，应与钢架连接牢固。上台阶右侧钢架拱脚沿隧道纵向设置纵梁，纵梁采用Ⅰ22a型钢钢架，并应与初期支护钢架焊接牢固，纵梁两端应嵌入完整基岩内。溶洞处预留φ300泵送混凝土管，预埋管长度不小于2 m，采用C30泵送混凝土，回填厚度不小于2 m，并注水泥浆对溶洞内填充物加固。采取双液注浆(水泥浆、水玻璃浓度为35Be)对围岩进行加固堵水。

施工注意事项:溶洞内预埋5根直径为200 cm的PVC管，作为排水通道，暂按引入右侧(面向掌子面)侧沟内，管口应高于泵送混凝土面，保持溶洞排水畅通。加强施工用水管理，禁止乱排，隧道内的水应及时排出，防止积水浸泡墙脚。掌子面不同位置选择3个炮孔加深至5 m，以探明前方地质情况。

2)衬砌。仰拱超前施工，施工前基底岩溶、岩隙进行注浆填充加固，加固引导地下水与中心水沟联通，不得完全堵死地下过水通道，确保运营期间基地不沉降，不隆起。根据量测结果，及时加固稳定，及早衬砌，满足步距要求和结构整体受力。

5.5 地表塌坑处理

洞内该段二衬施工完成后，再进行地表塌坑处理。该溶洞处于溶槽段，地表为沟谷有常年流水和大量水田，因此与地面存在较强的水力联系，如果进行堵水处理，长期排放会影响周围环境、隧道稳定性和运营安全。所以须通过地表有效注浆进行溶洞的加固和联系水的封堵。

1)袖阀管注浆。根据漆树坝隧道洞顶地表塌陷整治方案研讨会专家意见，采取袖阀管注浆方案封堵地下水的处理方案，防止地下水下渗。注浆范围为左线线路中线左侧23 m，右侧13 m，总的加固范围为45 m×36 m。

2)地表耕种层处理。地表以下2.5 m进行无浆处理后，地表塌坑先采用粘土分次回填，每次回填倒入的粘土不得大于0.5 m3。填至于地表1 m以内采用淤泥质及有机土回填。

5.6 监控量测

量测断面布置及检测频率:洞内观察分为开挖工作面观察和支护表面状况观察两部分。开挖工作面观察应在每循环开挖完成后及时进行。隧道初期支护量测点应在隧道开挖完成后12 h内布设完成，并及时读取数据。支护的表面观察每天至少进行两次，观察内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的表面外观状况等。洞外观察主要为地表沉降观察及地表水渗透等观察，地表沉降测点和隧道内测点应布置在同一断面里程。不良地质地段施工时，应加密布置量测断面，并适当增大监控量测频率。隧道拱顶下沉和净空变化的量测断面间距:Ⅳ级围岩不得大于10 m，Ⅴ级围岩不得大于5 m。

加强地表沉降监测点，点位布置见图7，洞内外监测频率均为2次/d。

图6 超前探孔布置图

图7 围岩测点布置示意图

6 效果评价

该段岩溶溶洞段洞内衬砌及地表塌坑处理完成2个月后，根据监控量测及测量资料数据显示洞内支护无开裂现象，拱顶下沉、净空变化、地表沉降、工后沉降在规范规定之内并已稳定。隧底隆起变化为0。地表水田通过围堰观察无下渗现象。达到了预期处理效果。

7 结语

通过对该段岩溶溶洞处理，处理过程得益于超前地质预报和监控量测信息技术手段的应用，并根据分析结果使用了与之对应成熟的综合施工处理技术。该方案可以作为处理岩溶溶洞及造成地表塌陷的通用做法。随着隧道施工的发展会有更多的类似难题值得我们继续探究。

［1］ 铁道部第二工程局，铁路工程施工技术手册隧道(下册) ［M］.中国铁道出版社，2003.

［2］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

Limestone clip shale stratum geological tunnels and surface collapsible techniques

Guo Haipo
(China Railway Tunnel Co.，Ltd，Zhengzhou 450000，China)

Combining with the engineering and hydrological and geological conditions of Qishu Dam Tunnel，the paper undertakes the on-site survey of the tunnel surface collapse accidents，analyzes the problems for the karst features，and points out the comprehensive treatment techniques of the karst and surface karst，so as to achieve the expected effect.

tunnel，karst，surface collapse，face

U457.2

A

1009-6825(2016)35-0179-03

2016-10-10

郭海坡(1978-)，男，工程师