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摘要：文章结合工程实例对隧道岩溶特征分析，根据分析结果提出三台阶预留核心土法开挖配合“超前管棚+小导管注浆”超前支护的综合处理方案，结合现场给出了详细的施工技术措施。在处理段增设监测断面，通过位移、围岩压力角度来判断充填塌陷段的处理效果，实践表明，该隧道溶洞的综合处理方案效果良好，对类似工程具有一定的借鉴作用。
关键词：溶洞；超前支护；塌方处理；隧道施工
1 工程概况
某隧道因长度和地质条件的复杂程度成为全线控制性工程，该隧道设计为上、下行分离的双向4车道隧道，该隧道的地质条件极为复杂，主要表现为以下3个方面：①隧道两端洞口段为全断面红粘土地层，松散，稳定性极差，进洞难；②洞身大部分位于浅层岩溶中，溶洞发育程度高，溶洞大小与发育部位多变，充填类型多样，导致围岩及上覆地层易松动、坍塌、冒顶，围岩压力大，变形控制难度大；③设计阶段勘察工作欠缺，施工图设计未对岩溶发育特征与部位等给予说明，导致施工阶段风险等级高，单靠超前地质预报与施工地质难以完全探明隧道施工前方地质条件，隧道施工难度极大。
2 隧道冒顶现象与特点
该隧道浅层岩溶多发育于隧道拱部，在有充填物的情况下极易发生冒顶，本文结合隧道处坍塌冒顶实例进行说明。坍塌冒顶位置埋深为64 m，爆破开挖过程中，出现初支钢架坍塌、冒顶的现象，揭露的充填型溶洞介质为散体状红粘土。物探推测该溶洞位于隧道拱部正上方，溶腔发育贯穿隧道横断面。溶洞大小近似为长轴，短轴分别为16 m，6 m的椭圆，溶洞面积接近隧道开挖面的面积，其规模和位置如图1所示。
图1 拱顶溶洞示意图
塌方溶洞充填的红黏土呈现散体状态，较为潮湿，爆破开挖后受自重而发生塌落，充填红黏土中掺杂着少量大、小不等的碎石块，根据超前地质预报得到溶洞的示意图，溶洞发育规模较大，贯穿了隧道的横断面，导致隧道承受较大的荷载，变形控制难度大。
3 隧道溶洞塌方冒顶处治方案与技术
结合上述实例，综合超前地质预报结果及数值计算结论，提出溶洞隧道冒顶处治方案及技术措施。
3.1 溶洞塌方处理方案
塌方的充填红黏土溶洞形态为长轴，短轴分别为16 m，6 m的椭圆状。溶洞面积接近隧道开挖的面积，采取常规方法对充填溶洞进行支护、锚喷已无法实施。根据浅层岩溶充填红黏土的特性，大量出土会导致坍塌冒顶范围进一步扩大，不仅延误工期，而且严重威胁施工安全，所以处理方案首先确定合理的超前支护方案以稳定塌落土体[11-12]，根据失稳原因分析，超前支护采用“超前管棚 +小导管注浆”加固掌子面前方土体，而后开挖采用三台阶预留核心土开挖，对坍塌体碴面低于设计拱顶标高的地段进行回填，施工过程中加强监控量测，及时反馈。
3.2 溶洞塌方处理施工技术
处治采用包括三台阶预留核心土法+超前预支护+加强隧道支护衬砌结构+回填注浆+加强监控量测等的综合技术措施，核心处治措施如下所述：
1）三台阶预留核心土法：采用三台阶预留核心土法进行开挖，在上台阶溶洞及松散土层带中施作简易导向墙，对开挖面拱顶初期支护所使用的I18钢拱架进行加密，间距30 cm，联立2榀拱架。该步骤是为了初步稳定开挖面，防止坍塌范围进一步扩大，为后续处理提供安全保障。
2）超前预支护：采用13.5 mφ89无缝钢管在环向120°范围内施作超前管棚，插入角度为1°～3°管棚之间环向间距为40 cm，钢管施工误差径向不大于15 cm，相邻钢管之间环向不大于10 cm。超前支护的布置如图2所示。图2（a）表示超前支护的纵断面图，大管棚长度一般为10～30 m，用每节长4～6 m的φ108×6 mm热轧无缝钢花管以丝扣连接而成，同一断面内接头数量不得超过总钢管数的50%；图2（b）为超前支护的横断面图，表示超前大管棚的布设位置，按照扇形角度120°内布置。长管棚设置导向套拱，套拱采用C20混凝土，其截面厚60 cm、纵长200 cm，钢架外缘设φ140×8 mm导向钢管。
图2 超前支护示意图
3）加强隧道支护衬砌结构：在拱顶部位向上埋设3根分别为φ150×3 m、φ150×6 m、φ150×9 m注浆管，分别用作注C35混凝土以稳定溶洞土体，布设完毕后，完成初期支护喷锚支护，初期支护完成后增加I18钢拱架临时支护加强支护，间距60 cm。并根据超欠情况判断是否需要拆除临时支护，同时采用φ89管棚内加筋来加强管棚支护强度，钢筋笼采用4根φ22钢筋与φ42×4 mm固定环焊接，送入管棚内。
4）溶洞回填注浆：多层分次注C35混凝土，直至φ150×3 m注满后。待混凝土达到初凝后，往φ50×6 m注浆管吹沙，直至φ150×9 m管有沙漏出，回填完成。在管棚端头焊接止浆阀，用于注浆过程中控制浆液流量以及注浆完毕后关闭止浆阀防止浆液外流，安装完毕后采用双轮双液液压注浆机对管棚内注浆，注浆压力初始压力0.5～1.0 MPa，终止压力为2.0 MPa，直至注不进去为止，使浆液充分渗入掌子面前方的松散土体。
5）加强监控量测：回填完成后，在溶洞部位每两循环全环设置监控量测点，每日进行拱顶沉降及周边收敛观测，同时在后续施工过程中，每循环增设27根4.5 m φ42×4 mm超前小导管，逐榀开挖，待监控量测数据趋于稳定后方可正常施工。
综合位移监控量测结果与断面各部位接触压力来看，冒顶塌方段基本稳定，隧道初期支护变形与围岩压力达到稳定状态，坍塌及变形处理达到了预期的目的。
4结论
1）由于岩溶埋深相对较浅，溶洞多发育于隧道拱部，且充填介质与地面渗流之间存在直接水力联系，尤其是充填红黏土溶洞受含水率变化影响性质变化较大，故隧道失稳一方面是因为溶洞所处位置以及形态，另一方面充填介质的性质也对隧道支护稳定产生很大影响。
2）溶洞内充填红黏土粘聚力与含水率之间存在双峰值的关系，即随着含水率的增加，红黏土的粘聚力急速上升，在35%左右达到第一峰值后随之下降，并在55%左右又出现次峰值而后进入流体状态。
3）采用“超前管棚 +小导管注浆”方案以及一系列技术措施，充分利用注浆的加固效应和钢管的梁效应，有效稳定隧道上覆土体，对拱部发育有充填型溶洞的隧道坍塌及变形处理后，顺利通过了坍塌及变形地段。并通过现场监控量测结果评价了“超前管棚+小导管注浆”方案的效果，对类似工程事故处理有一定的借鉴作用。
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论文作者:杨祖洪
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/7/30
标签：溶洞论文; 隧道论文; 超前论文; 岩溶论文; 注浆论文; 黏土论文; 围岩论文; 《防护工程》2019年8期论文;