贵州山区某市政岩溶隧道冒顶处理技术

胡兵华

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 依托工程概况

1.1 工程概况

隧道为一座上、下行分离(进出口段为小净距)的四车道市政道路长隧道，隧道右线起讫桩号为YK2+210～YK3+350，全长1 140 m，隧道右线进口平面线形为圆曲线，R=625 m，接缓和曲线，Ls=80 m，再接圆曲线出洞，R=610 m；纵坡为单向坡，右线为2.9/1 490 m。

其中,YK2+450～YK2+480段为Ⅴ级围岩深埋段，设计支护参数为：φ42超前小导管，L=4.0 m，环向间距40 cm，纵向间距225 cm，初期支护采用Ⅰ20b型钢拱架间距75 cm，φ8钢筋网间距20 cm×20 cm，26 cm厚C20喷射混凝土，D25中空注浆锚杆L=4.0 m,0.75 m(纵)×1.0 m(环)，二次衬砌为60 cm厚C30钢筋混凝土。

1.2 隧道水文地质特征

本段隧道围岩岩性为二叠系中统茅口组一段灰岩(P1m1)灰白色薄～中厚状灰岩与二叠系上统峨嵋山组(P3β)玄武岩不整合接触的过渡带，节理裂隙发育，岩体以张节理为主，结构面不规则，岩体呈层状结构，完整性较差；层间泥质、钙质、方解石胶结，胶结一般。结构面以岩层层面为主，与洞轴线走向夹角为70°，总体具硬质岩特征，岩体破碎。节理裂隙发育，Rc=32.65 MPa，Vpm=3 003 m/s，计算Kv值为0.41，岩体节理裂隙发育，围岩富水性不均一，透水性较弱。

围岩基本质量指标：BQ=90+3×32.65+250×0.41=284；隧址区地下水出水状态多为淋雨状或涌流状出水，单位出水量不大于10 L/(min·m)，地下水修正系数K1=0.5，节理裂隙发育,有断层通过,软弱结构面修正系数K2=0.6，不存在高应力，计算[BQ]=284-(0.5+0.6)×100=174；由于该段内发育有一平移断层，其附近岩体较为破碎，因此，该段围岩按Ⅴ级围岩考虑[1-2]。

1.3 冒顶工况

掌子面K2+471开挖后，进洞左侧拱腰、拱顶、右侧距隧道中线4 m位置同时有3个大小不同的溶洞。初期支护还未完成时，溶洞填充物不断坍塌，溶洞内大型孤石将已经施工完成的初期支护拱架砸坏3榀。由于溶洞溶腔较大且连通地面，溶腔填充物不断坍塌造成隧道顶部以上地表区域塌陷。地表塌陷坑深5 m～8 m不等，塌陷面积约为1 307 m2,地表塌陷与隧道前进方向对应里程为K2+456～K2+494，长度约38 m，塌陷边缘左侧与隧道右洞中线横向最大距离约14 m,塌陷边缘右侧与隧道右洞中线横向最大距离约15 m。

1.4 原因分析

隧址区岩溶发育，溶洞内含有富水填充物，开挖临空后溶洞内填充物极易涌出，加之正值贵州省雨季，隧道冒顶陷坑未能及时覆盖封闭，大量雨水渗入溶腔与溶腔填充物混合，形成黏稠泥浆，从掌子面涌出，向前流动约20 m。由于工期紧张，掘进开挖方式由CD法调整为上下台阶法，增大临空面，加上雨水作用，岩溶洞身围岩变形较大，溶洞连通地表，其内填充物极易滑动，从而导致塌方冒顶[3-4]。

2 冒顶处置方案研究

2.1 地质补探

由于掌子面塌方，溶洞内填充物灌入溶洞，此时正值雨季，雨水通过洞顶陷坑渗入洞内，为防止塌方进一步扩展，洞内采用洞渣回填反压，同时进行高密度电法探测溶洞发育情况如图1，图2所示。

根据物探检测及现场调查分析，该塌陷区地下水来源主要为雨水汇集，溶腔裂隙水较少，溶洞填充物主要为碎石土，含少量孤石，溶洞未沿隧道走向发育。

2.2 处置方案

2.2.1 地表塌陷排水处理

隧道岩溶塌方冒顶处置，遵循治塌先治水原则，对冒顶洞内外首先完善排水系统，特别是对地表塌陷区，采取措施减少雨水通过陷坑入渗到洞内，一般采用在塌陷区周围修建临时排水沟排水，塌陷区正上方修建临时雨棚，防止雨水直接冲刷塌陷区，具体措施如下：

1)做好地表防排水系统，地表塌陷、裂缝范围四周水平距离5 m外开挖地表截水沟，截水沟净空宽0.3 m×深0.4 m，采用M10砂浆硬化，厚度为10 cm，保证地表雨水不得渗流进入塌陷区域及溶腔内。

2)塌陷、裂缝范围内做好临时防排水设施，确保雨天雨水不得流入塌陷区域，地表水及雨水不往洞内渗漏。若坍塌面积较大，则应保证雨水排到塌陷区域外。

对问卷答案的数据进行了初步分析，58位教师在日常的教学过程中，PowerPoint的使用率为100%， word的使用率为51.7%， Excel 表格的使用率为25.9%；PowerPoint插入功能的使用中，文字，图片，文本框的插入使用率为98.3%，插入超链接的使用率为77.6%，插入音频的使用率为58.6%，插入视频的使用率为65.5%，编辑背景的使用率为32.8%，设置动画效果的使用率为29.3%；PPT因版本差异等原因无法正常播放，能现场自行解决的教师比例为25.9%。

3)做好安全警示标志及警戒，防止人员坠落深坑，加强地表值班巡视和监测。

2.2.2 洞内处理

超前小导管及大管棚由若干根简支梁形成棚的支撑，单根管或棚之间彼此并不连接，通过压力注浆，水泥浆填充溶腔填充物，并扩散一定厚度，水泥浆包裹小导管或管棚，形成“钢筋混凝土壳体”，一定厚度并具有强度的壳体能为开挖施工提供保护空间[5-6]。壳体同时具有防水作用，能有效防止陷坑中雨水及地下水入渗。因此，处理隧道冒顶塌方，经常采用大管棚及小导管注浆形成壳体，提供保护空间，进而能进行下一步施工。

针对此次隧道塌方冒顶，首先采用洞渣回填反压封闭掌子面至稳定初支段，在稳定初支段落内施作超前大管棚注浆[7-9]。待注浆凝结稳固后，开挖回填洞渣至塌方冒顶掌子面，在掌子面上打设超前小导管注浆可与超前管棚注浆形成双层壳体，保障溶腔内及掌子面轮廓外围一定范围预期稳定，为开挖支护提供可靠的施工条件[10]，设计方案如图3所示，具体施工措施及方法如下：

1)采用洞渣对YK2+452.878～YK2+464.532分层反压回填，分层厚度1 m形成施工平台逐步靠近溶洞部位，回填反压过程中将挤出的泥浆运出洞外，YK2+464.532～YK2+471.301回填土至拱顶，回填不足部分立模灌注C20混凝土至拱顶。

2)对YK2+464.541～YK2+467.032溶洞塌腔体内打设约15根φ108注浆钢管，L=12 m，灌注浆液为1∶1水泥浆进行注浆固结，施作过程中必须采取有效措施避免浆液流失，止浆墙厚度1 m。注浆从下往上，依次进行。

3)从回填台阶YK2+464.541～YK2+467.032拱顶依次施作，待洞内渣土固结稳定后在YK2+463.032施作φ108×6 mm超前灌浆孔兼做超前探孔，φ108钢管环向间距40 cm，长度12 m，打设角度23°，注浆压力1.5 MPa～2.5 MPa，管棚末端须支撑在稳固岩石中。

4)在YK2+467.032沿掌子面溶洞方向打设3根φ108超前探孔探明前方地质情况。

5)开挖YK2+467.032～YK2+475段初期支护采用Ⅰ20b工字钢支撑加固，间距50 cm，拱顶采用双层φ42×4 mm超前小导管注浆，L=4 m角度10°～15°，环向间距40 cm，纵向排距240 cm，拱脚处采用φ42×4 mm，L=4.5 m锁脚锚管锁脚。

6)隧道冒顶范围内及时施作二衬进行封闭，在溶洞底部设置直径11 cm的双壁波纹管排水，间距2 m一处，接入隧道纵横向排水系统。

7)待二衬混凝土达到龄期后，对溶洞顶部地表塌坑采用土石进行分期分层回填，回填高度与较低一侧平齐，并设不小于2%的坡度，确保塌坑内不积水。

8)由于隧道坍塌发生时，有部分拱架被砸，初支开裂，施工处理塌方过程中要加强洞内拱顶沉降、周边位移收敛等监控量测工作。对初支开裂及时采用径向注浆加固。对初支侵限情况，采用斜向注浆钢花管注浆加固，并对超限拱架拆换。拆换时，禁止全部拆除超限拱架后，重新支拱架，而应支一榀拆一榀，可在超限拱架间先预支一榀拱架，然后拆除前一榀拱架，依次进行直至拆除完毕。

3 结语

本文通过对山区岩溶市政隧道塌方冒顶事故的原因进行分析，采用超前大管棚及小导管注浆联合系统，在溶腔内及掌子面周围形成壳体，有效防止隧道开挖过程中继续坍塌，保证施工安全[11]。通过对该隧道溶洞冒顶全过程跟踪，并开展了隧道冒顶处理技术方案研究，取得了较好的效果，为类似工程提供参考。

1)岩溶区隧道加强超前地质预报工作，并及时跟进初期支护，及时施作初期及超前支护能有效防止岩溶冒顶的发生。

2)洞内回填反压至段落，并施作大管棚注浆支护是处理隧道塌方有效的方法，初支稳定后及时施作二次衬砌封闭成环，减少二次塌方风险。

3)二衬混凝土达到龄期后，洞顶可分次分层回填至原地貌并保证一定坡度排水。

4)整个施工过程要加强监控量测。