隧道岩溶空腔与坍空区处理技术

刘凯LIU Kai

（中铁十七局集团第五工程有限公司，保山 678000）

0 引言

随着我国铁路建设的快速发展，隧道岩溶空腔或坍空在施工中越来越常见，不仅给施工带来很大的难度和技术挑战，而且容易导致隧道塌方事故的发生，造成巨大的人身伤害和经济损失。本文以南扎隧道进口施工中掌子面正前方出现溶洞，拱顶处一巨大孤石与乱石堆积，随着掌子面进尺，孤石坠落，拱顶坍空，范围扩大，坍空长度约6m，高度约4m，呈三角锥状的坍空区处理为例，由此延伸，并结合隧道中出现的各类岩溶空腔或坍空区，系统性的总结了岩溶空腔或坍空区的处理技术。

1 岩溶空腔或坍空区分类

根据隧道施工中出现的各类岩溶空腔或坍空区，本文从范围、深度和安全隐患大小等方面对其严重程度进行分类，可划分为以下二种情况：①小范围岩溶空腔或坍空：该类面积小，深度较小，开挖初支和围岩面之间有少量间隙，深度在0～0.5m 范围内，主要由拱顶局部掉块造成，危害较小。②严重岩溶空腔或坍空范围：该类深度在0.5 以上范围内，拱顶掉块较严重，易引发塌方事故。

2 处理技术

2.1 小范围岩溶空腔或坍空

该岩溶空腔或坍空区深度较小，初支和围岩之间有少量间隙，深度在0～0.5m 范围内，可采取挂网填补的措施处理。

2.2 严重岩溶空腔或坍空

①开挖后拱顶出现坍空，深度在0.5～2.5m 范围内，首先尽量避免扰动围岩面，尽快立架挂网喷射混凝土进行支护，钢拱架紧贴掌子面，拱脚增设锁脚锚杆，用C25 喷射混凝土封闭掌子面，形成支护硬壁，同时使掌子面形成止浆墙成密闭空间。②根据现场情况，拱顶预埋不少于2 根Φ150mm 泵管至最高点下20cm，预埋Φ50mm 的小导管兼排气管至最高点。左右两侧拱腰根据实际需要各埋一根泵管。当脱空范围内出现连续的脱空位置时，采用3m 的间距环向布置孔位，纵向采用5m 的间距布置孔位。注浆的导管使用直径42mm 壁厚3.5mm 的热轧钢管，长度根据实际空腔深度布置，注浆管与围岩密贴，注浆管埋设不应少于2 根，一根为注浆孔使用，一根为排气孔或检查孔使用。③砼由拌合站集中拌合运输至现场，采用输送泵通过预留泵管泵入坍空区，为避免初支受承载力过大，泵送混凝土采用分阶段分层次的方式回填空洞，泵送过程中专人指导，让混凝土向四周进行填充。一次回填厚度不大于50cm，间隔时间不小于12h。待混凝土强度增强后，通过预留注浆管再次注浆，为防止局部承载力过大，应进行两次或三次注浆。待第一次注浆孔中混凝土初凝后具有一定强度时，再进行第二次注浆，最终进行补浆至空腔充盈、密实，用棉纱将注浆管进行封堵，以防注浆管内溢出浆液。注浆材料采用微膨胀水泥浆，注浆压力应达到0.2MPa。注浆过程中出现吸浆量异常的情况应停止注浆，明确原因后采取针对措施。注浆顺序宜沿线路上坡方向进行，注浆过程中要时刻关注流量和注浆压力变化。④利用地质雷达超前探测脱空范围，如发现不密实的现象则继续进行注浆回填处理，直至密实。⑤下循环施工中严格控制短进尺，弱爆破，避免扰动围岩面。

3 应用实例

3.1 工程概况

南扎隧道位于青藏滇缅印尼巨型“歹”字型构造西支中段与三江经向构造带中南段及南岭纬向构造延伸带西延部分的复合部位，是藏滇地槽褶皱系的横断山地槽褶皱带的一部分，地质结构异常复杂，褶皱、断裂构造行迹发育，区内构造体系主要为北东向构造体系，主要断裂有泸水-瑞丽断裂带、法帕-畹町断裂、畹町断裂、瑞丽断裂等。其中泸水-瑞丽断裂带为区域性断裂，沿断裂形成保山、德宏州常见的串珠状断陷盆地。受构造影响，节理极为发育，岩体破碎，岩层产状絮乱。

该隧道施工至D3K320+225 处掌子面正前方出现溶洞，拱顶处一巨大孤石与乱石堆积，拱顶掉块严重，随着掌子面进尺，拱顶坍空范围扩大，坍空长度约6m，高度约4m，宽度约5m，呈三角锥状。属于严重岩溶空腔或坍空情况。

结合严重岩溶空腔或坍空处理方法具体操作：

3.2 处理技术

3.2.1 掌子面开挖设备选型

根据掌子面围岩和拱顶坍空情况，尽量使用炮锤配合挖机凿岩，根据需要适当使用弱爆破，其特点：最大限度的避免钻爆对围岩的扰动，降低因爆破而引发更大的坍空，进而造成严重的安全事故。可以降低安全隐患发生的几率，避免人员伤亡和设备的损失。

3.2.2 初期支护形成硬壁

首先用喷枪喷灌C25 细石混凝土处置坍空面，确保没有石块落下，采用I16 的格栅钢架及系统锚杆，格栅钢架间距每0.5m 一榀；挂设Φ 8 钢筋网，钢筋网间距20cm× 20cm；其次，每环布设两排4.5m 长Φ 42 注浆小导管，采用3m 的间距环向布置孔位，一排以水平5-10 度向前，注浆后在开挖轮廓线外形成一个固结圈，以确保前进时不再塌方。一排以45 度向前，待坍空空间细石混凝土初步凝固后，按照施工方案对坍空面注浆固结处置，确保支护硬壁强度，保证有足够承载力承载回填混凝土。

最终在格栅钢架螺栓连接处增加4m 长Φ 22 锁脚锚杆，每处增加4～6 根锁脚锚杆避免格栅下沉。锁脚锚杆要求灌注高强度砂浆固定，并与格栅焊接在一起。（图1）

图1 坍空处理示意图

3.2.3 埋设泵管和注浆管

预埋不少于2 根Φ150mm 泵送管至最高点下20 厘米，埋Φ100mm 的吹灰管兼排气管至最高点。

3.2.4 混凝土回填

混凝土由拌合站集中供应至现场，采用输送泵通过预留泵管泵入坍空区，为避免初支受力过大，泵送混凝土采用分阶段分批次对空洞进行回填处理，泵送过程中专人指挥及观察，使得混凝土向四周空洞填充。一次回填厚度不大于50cm，间隔时间不小于12h。依次类推。

3.2.5 粉煤灰填塞

混凝土回填处理完成后，待混凝土强度增强后，进行雷达扫描检测。若发现局部仍有不密实或存在空隙，采用粉煤灰进行填塞直至密实。

3.2.6 超前地质预报

在掌子面在进尺时，只有对地质有非常深的认识和了解才能制定出适合的施工方案，从而有效的进行施工组织及技术管理，本隧采用地质雷达对前方溶腔进行预报，并采用超前钻对岩溶坍空的范围进行钻孔探测，通过孔内成像新技术的运用，对前方的地质作出准确判断，指导施工。

结论：

经过对坍空区进行封闭、注浆、加密格栅的处置措施，在接下来的开挖过程中，若风枪很难打碎掌子面封闭硬壁往前推进，说明注浆处置效果较好，很好的完成了加固围岩的目的。在之后的围岩量测中，观测的数据显示围岩下沉控制在毫米计，日收敛值在0.5mm 以内，说明采取的加固处理技术合理有效。

3.3 监控量测

3.3.1 监控量测点的的制作埋设

立架及钢筋网片挂设完毕，喷射C25 混凝土，形成支护硬壁后，在硬壁上埋设监控量测点，按照指定位置将观测点锚固，锚固长度至少50cm。

埋设方法：按照拱顶下沉、周边量测点要求，埋设示意图中在钢筋外露部分焊接5㎝*5cm 的铁片，紧接着把测量专用反光片贴在铁片上。观测点埋好后，及时进行原始数据观测并记录。

3.3.2 监控量测点拱顶下沉和水平收敛

拱顶下沉实测步骤：数据测量人员首先在后视水准点上安设棱镜，固定在1.3M 左右作为后视标高，把仪器架设在反光片和水准点中间不受车辆干扰的矮边墙适当位置上，不必测量出仪器高以及后视标高，这种方式可避免因测量出仪器高和后视标高带来的误差。紧接着数据测量人员使用全站仪测量水准点到拱顶反光片的高度差，正、倒镜测量2 个测回，每个测回高差值比较需小于1.00mm，取2 个测回数值的平均数作为拱顶下沉数据结果。发现异常情况及时通报，及时处理。

水平净空收敛实测步骤：隧道水平净空量测，采用全站仪。按照拱顶下沉及净空变化量测点布置示意图所示测线进行，每条测线读数三次取平均值作为量测值并记录。

如果收敛值及拱顶沉降值在3～5mm 时，纳入Ⅱ级管理，加大量测频率，并采取相应工程对策。如果收敛值超出5mm 时，纳入Ⅰ级管理，暂停施工，施工人员及时撤出作业区，待制定相应工程对策后方可恢复施工。仰拱开挖完成后，进行一次量测，及时浇筑仰拱混凝土。仰拱浇筑完成后，每天量测频率不少于2 次。直到收敛值稳定为止。连续量测示意图如图2。

图2 连续量测示意图

3.2.3 量测数据的整理、分析

现场测量得到的数据应及时汇总归集，绘制量测数据与时间的关系模型，并进行数据规律分析比较，选择与实测数据符合的函数进行回归，预测可能出现的净空水平收敛及最大拱顶下沉值。

常用回归函数：

对数函数：μ=alg（1+t）； μ=lg[（b+T）/（b+t0）]；

指数函数：μ=ae-b/t； μ=a（e-bto-e-bt）；

双曲函数：μ=t/（a+bt）； μ=a[1/（1+bt0）2-1/（1+bt）2]

式中：

μ——变形位移值，mm；a、b——回归系数；t——测点，埋设后的时间，d；t0——测点埋设后的初读数时间，d；T——测量数据时间与隧道开挖时间的时间差，d。

南扎隧道采用双曲函数做回归分析：

从图3 中可看出，当前累计沉降量y=5.0mm，最大沉降速率v=3.43mm/d，管理等级Ⅲ级，正常施工。隧道监控量测专用软件通过计算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量测数据得出相关系数R=0.9775，采用双曲函数做回归分析精度最高，预测12 天后累计值y=7.13mm，为总位移量的70.1%，图中回归值预测曲线明显变缓，以此做为依据判定12 天后围岩变化基本稳定。

图3 拱顶下沉回归分析图

从图4 中可看出，当前累计收敛量y=2.2mm，最大收敛速率v=1.2mm/d，管理等级Ⅲ级，正常施工。隧道监控量测专用软件通过计算、分析2017/6/20～2017/7/11 的量测数据得出相关系数R=0.9698，采用双曲函数做回归分析精度最高，预测12 天后累计值y=3.23mm，为位移总量的68.1%，图中回归值预测曲线明显变缓，以此做为依据判定12 天后围岩变化基本稳定。

图4 周边收敛回归分析图

在隧道施工过程中，由测量人员测得的数据受到环境、人为误差等偶然的因素影响出现误差。使得这些数据具备离散性，用这些数据绘制出的散点图会出现图上散点上下异常排列的现象，导致散点规律不明显，很难通过这些数据散点图进行分析判断。所以量测工作结束后的整理采集的数据，根据测量班现场测量的数据进行规律分析比较，观察变化趋势，以便发现变形发展规律，判断施工的安全性，指导隧道文明施工和安全生产。

结论：从拱顶下沉和水平收敛结果来看，南扎隧道所采取的坍空处理方法在技术和安全方面可行。

3.4 检测结论

隧道回填注浆密实后，通过地质雷达检测，结论显示：拱顶回填已密实。

4 推广，结束语

通过对岩溶空腔或坍空区原因分析和现场实践，总结形成了隧道岩溶空腔或坍空区处理技术：封闭掌子面形成闭合空间，拱顶预留泵管、注浆管，排气管，泵管离最高点20cm，注浆管离最高点10cm，通过输送泵分批泵入混凝土回填，形成支护硬壁，待强度增强，共同受力，最后注浆管回填注浆至拱顶密实，施工中严格控制短进尺弱爆破，加密拱架，加强超前支护，施工期间加强监控量测频次。该技术的成功应用对其他类似隧道有一定的借鉴价值，具有良好的效果，在后续类似施工有很好的借鉴作用，具有广阔的推广应用前景。