喀斯特岩溶地区隧道施工塌方冒顶处理方法分析

2021-06-09马胡日查

工程建设与设计 2021年9期

马胡日查

（中交一公局集团有限公司, 北京 100024）

1 引言

云南、广西部分地区属于典型的喀斯特山区地形范围，在该地区建设隧道，开挖期间容易产生大量的淤泥和孤石，如果淤泥和孤石得不到有效的清理，将会产生冒顶情形。因为喀斯特地区隧道项目比较特殊，一旦出现岩溶现象，很有可能引发塌方突泥突水冒顶，这也是隧道工程施工过程中的难点，不仅会延长工期，还会导致现场施工人员伤亡、财产损失，若是处理方法不当，后期隧道投入使用，也无法保证运营期间的可靠性与安全性。所以，针对喀斯特岩溶地区隧道施工塌方冒顶的处理研究非常必要。本文以云桂铁路项目为案例，对此种情况进行细致分析，提出有效的施工解决方案。

2 工程概况

云桂铁路建设完成的为速度250 km/h，以客运为主要运输路线的有砟轨道，于2010年5月开工建设，2015年12月通车运营。二标段线路总长度为27.208 km,其中路基正线长度12.060 km；桥梁建设7座，共计：2.066 km；含有隧道及明洞14座，共计：13.082 km（明洞2座，153 m）。标段内重难点工程主要为高风险岩溶长大隧道施工（那吉隧道），本文以那吉隧道（7 645 m）施工为例，对有关问题进行研究。

3 隧道塌方

本工程中的隧道工程在开挖的过程中，当上层掌子面掘进1 380 m时，突然出现了一条较宽的泥槽，随后地表也产生了一定的塌陷，掌子面50 m的范围内出现了大量的坍塌体，其中还含有大量的黏质土体，在周围散落着大量的碎石。通过现场实地考察得出，塌陷的横向距离为20 m，塌陷的纵向距离为30 m，塌陷的深度为15 m，总塌陷面积为600 m2[1]。

根据施工现场发现的缺陷展开分析，导致塌方问题的原因为衬砌脱空、厚度不足，极有可能是在施工期间现场管控力度不足引发。例如，台车就位之后，衬砌厚度并未组织检测便开始浇筑混凝土，导致厚度不符合规范；铺设防水板的松铺量没有提前预留，导致防水板进行混凝土浇筑时掉落，需要切割衬砌混凝土；拱顶部位的混凝土浇筑忽略了检查这一流程，仅仅根据混凝土设计方量实施控制，导致脱空问题；混凝土长时间运输，2次浇筑的时间间隔过长，出现有效黏结之后没有及时采取有效举措解决，致使施工冷缝等缺陷。

4 原因分析

4.1 隧道所处环境条件分析

4.1.1 隧道内部含水量过大

通过全面的分析得出，隧道内部含水量如表1所示。通过表1数据展示说明，隧道内部的含水量相对较大，主要是外部气候因素所导致的，特别是在雨季当中，随着雨量的增加这种现象表现得尤为明显，在进出口地段和岩溶发育地段均会出现存水现象，这种现象的存在将会带来一定的危险。如果在隧道内出现涌水呈现线状或者水流管状的现象，这说明隧道外在的施工环境是处在雨季或者水量较大的时候。

表1 隧道内部含水分析表

4.1.2 隧道内部发育出大量的岩溶结构

隧道内部往往会存在大量的碳酸盐物质，这种物质在与水的结合之后容易形成大量的岩溶结构，并出现溶沟和竖井等不同的地质外貌。这种外在结构对于后期的施工容易产生一定的影响，主要是因为顶板岩体会在自身重力的作用之下出现割断或者坠落的情况，容易在隧道表面产生更多的溶槽和岩溶漏斗[2]。

4.2 外表面将会出现大量的突泥物质

通过进一步的判断分析得出，该隧道内部的可溶岩结构是一种碳酸盐物质所形成的，隧道整体开挖至1 250 m时，表层掌子面出现了9 m长度的泥槽深沟。同时内部的溶槽和溶沟底部已经被完全掏空，这样将会出现一个架空面，同时由于自身重力的原因，内部粉质黏土会出现大量的突泥现象，由此引发地表塌陷。同时，由于外表层自身的结构稳定性不足，这样将会进一步扩大塌陷区域，如果得不到有效的处理，容易引发二次突泥情况。

5 主要解决方案

要对坍塌勘测两边进行清表处理，并将坑侧坡率控制在1∶0.75以内，同时还要求施工便道与坡口之间的距离保证在1 m以上。在进行开挖的过程中采取锚网喷射方式进行边坡防护，使用C25喷射混凝土，并保证喷射混凝土厚度控制在10 cm，施工完成后可以采取钢化管状结构和钢筋网络结构的结合形式进行防护，这样才能够保证整个防护体系更加安全稳定，同时也会使得每一项工序正常有序地进行。

按照积累的地表塌陷原因与经验，需要提前制定预防措施。未发生岩溶塌陷之前大概率会发生强降雨，如果隧道施工在汛期内，会受降雨天气影响再次面临塌方隐患[3]。为此，建议在溶洞顶部位置的塌坑附近设置警戒线，塌坑附近需要制订切实可行的临时截排水方案，以免雨水持续性灌入塌坑与隧道当中。与此同时，施工现场安排地表值班巡视与定期监测，可以及时发现异常[4]。

按照天气情况组织隧道施工，规避强降雨期。在现场进出口工作面同步展开施工，两端部位建议运用石渣反压回填这一方式搭建施工平台，向溶洞逐渐靠近[5]。反压回填长度以10 m为准，接近溶洞口部可以制作钢支撑喷混凝土套拱，利用管棚台车搭建大管棚，起到超前支护的效果。管棚环向间距以40 cm为基准，单根长度为12 m，并且在管棚中间位置交叉搭接，将长度控制在5 m以上，倾角在5°～7°，管棚注浆需要用到的水泥浆液配比以1∶1为准，注浆压力调整在1.5～2.0 MPa。排水孔原材料建议采用钢花管，控制钢化管间排距为1 m×1 m，并且设置为梅花形[6]。

完成以上施工之后，现场坍塌段实施开挖拆换。其中斜向注浆钢花管长度、环向间距、纵向间距分别为4.5 m、80 cm、50 cm，将超前大管棚、环向按照间隔设置，注浆这一流程同样要使用1∶1的水泥浆液[7]。当结束注浆之后便可以开挖拆换，这一流程必须要做好监控量测，保证所有施工人员的人身安全[8]。

施工现场混凝土的衬砌浇筑严格控制质量，建议在衬砌台车拱腰、拱顶等重要位置安装摄像头，实时观察混凝土内部浇筑状况，特别是拱顶混凝土衬砌浇筑的有效控制。另外，各个板衬砌浇筑结束之后，管理人员、分管生产副经理需要依次签字，有利于加强现场所有工作人员责任心，如果后期出现质量问题也能够追溯到直接责任人。

新施作套衬建筑材料前期选择非常重要，本次隧道工程采用C35自密实模筑钢筋混凝土，浇筑强度、厚度均符合设计规范。混凝土从1#拌和站使用罐车运输至施工现场，通过混凝土输送泵达到泵送入模的效果。套衬混凝土浇筑采用分段浇筑方法，从施工拱墙1、2、3、4开始，随后浇筑施工拱顶5，期间由左右交替施工。边墙部位混凝土浇筑每次为3.8 m，浇筑方量V按照公式V=3.8 m×L×0.25 m（高度×长度×厚度）计算；拱顶浇筑方量计算公式为V=12 m×L×0.25 m（高度×长度×厚度），该部位必须要一次成型，浇筑长度结合施工现场工料机配备情况实时调整。

在对塌坑两侧开挖处理的时候，一定要沿着隧道轴线的方向进行开挖，同时还要对地面连接的平顺性进行控制，对于塌坑底部位置要进行充分的设定，并按1%的配合比例进行轴向回填处理，在正面两侧完成塌坑接入。同时还要保证塌坑底部回填和清表坡处的回填比例能够接近1∶1.2的坡率进行，完成一系列的回填之后要采用C20混凝土进行覆盖处理，并保证回填厚度为20 cm。

为了保证能够对地表水进行充分的排引，沿着隧道轴向方向铺砌地表排水沟，并在回填处理的时候提前设定出3%的横坡坡度，保证地表水能够进行集中化的处理。

在洞内具体开工之前，先沿着隧道的轴向方向进行充分的观察，观察完成之后，在掌子面的进口处安排布置钢花管，并保证钢化管的底部能够打入隧道的拱底位置，在距离拱顶10 m的位置之上进行注浆开口。为了能够对施工人员的安全做出保障，同时避免在洞中出现大量的拥挤情况，可以对注浆形式进行改变，当涌泥位置确定之后再进行土体掩埋处理。

在对洞口当中的突泥进行处理的过程当中，如果方体含量距离掌子面8 m左右时，要停止施工，采用混凝土对掌子面进行封闭处理，主要是利用混凝土进行喷射，一定要保证喷射厚度在20 cm左右。为了管棚工作室和内壁墙体结构的安全，要采取边注浆边加固的方式进行。

在内部建立管棚开挖工作室，搭建的过程当中利用长管进行操作，并将整体长度控制在约33 m，同时还要将环境距离控制在40 cm以内，并保证仰角约为3°。

对于排水系统一定要提升发育完成的斜坡度，并满足排水盲工的布置要求，同时还要在横向疏导方向加排一定的输送管。

初期支护施工完成之后要在第一时间进行二衬处理，特别是在塌槽地方一定要进行有效的二次初砌处理，以此确保二次衬切能够同初次支护形式相一致，进一步增强整体完整性，对于外在预应力能够实现共同承担，这样将会进一步提升外在结构的完整性，保证整体施工更加安全。

在前期支护的过程中，一定要对突泥产生的影响进行充分的规避，同时在清方的时候一定要加强周围结构的保护，能够更好地掌握前方支护情况，不断进行检测，针对意外情况能够做到有效的补强处理。

6 方案可行性分析

1）在具体施工的过程中，采用深孔注浆的方式进行操作，对松散的土地进行加固处理，这样将会保证在隧道内部进行清方的时候，不会出现任何塌方情况，对于每个人员的人身财产安全能够做出重要的保证，进一步提升操作安全稳定性，同时也有利于整体工作效率的提升。

2）此方案表现出良好的环保特性，如果在操作的过程中没有应用此方案，溶洞内部将产生更多的渣土，无形当中产生过多的废方，同时还要增加弃土场地。与此同时，在内部处理完成之后，还要进行回填操作，增加了取土收土的这一环节，容易对内部的结构系统产生破坏，严重影响了整体稳定性，同时冒顶上方的土质容易掺杂过多的杂质，不利于运输传送。

3）此方案能够体现出良好的安全性，因为冒顶的高度相对较高，如果从顶上直接进行回填处理，容易对下方的支护结构产生破坏，无法达到安全施工的目的，同时还会产生更多的危险因素。