岩溶隧道塌方冒顶处治措施及效果评价

摘要：文章以广西区内某高速公路隧道塌方冒顶为背景，分析灾变成因，并针对性地提出处治措施，同时利用数值模拟和监控量测方法对处治效果进行分析与评价。结果表明：不良地质、支护强度不足以及施工爆破是隧道塌方冒顶的主要原因；
采取反压回填、加强超前预加固和衬砌结构、优化洞内外防排水等措施可安全通过塌方冒顶段落，处治方案是成功的。

关键词：公路隧道；
岩溶；
塌方冒顶；
处治措施；
效果评价

中图分类号：U457+.2   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0195-02

0 引言[

近年来，随着广西公路交通建设的迅猛发展，岩溶隧道建设日渐普遍，但该类隧道塌方冒顶时有发生，因此合理的处治方案直接关系隧道安全。秦辉辉等［1］提出多循环管棚注浆方案，成功处治了某隧道洞身浅埋段塌方。张建军等［2］研究了某隧道洞口浅埋段塌方冒顶灾变机理和处治方案。李文韬等［3］通过现场监测数据及数值模拟手段对某浅埋偏压隧道塌方冒顶过程进行了分析。赵宗波等［4］针对岩溶裂隙发育区隧道塌方冒顶提出了超前大管棚和径向注浆的处治方案，效果良好。各隧道灾变成因不同，处治措施各异。

本文依托某高速公路隧道工程，对其塌方冒顶的原因进行分析，进而提出相应的工程处治措施，并采用数值计算与现场监控量测结果进行验证，进而得出结论，以期为类似隧道工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

加假隧道位于广西忻城县境内，设计为上下分离双向四车道，设计时速为120 km，左线起讫桩号为ZK69+977～ZK70+630，长653 m，右线起讫桩号为YK69+968～YK70+590，长622 m，属中隧道。隧址区内岩溶强烈发育，隧道穿越的地层主要由第四系覆盖层和二叠上统茅口阶中风化石灰岩组成。

2 塌方冒顶经过

2020-11-05，加假隧道左洞自进口开挖至ZK70+521处时，掌子面发生塌方，在掌子面左侧拱顶位置附近揭露一纵向长约4 m、宽约5 m的充填型溶洞，溶洞内塌方物涌出约400 m3。隧道拱顶地表处出现大小约10 m×8 m、深5 m的冒顶塌陷区。该处隧道路面设计标高280.278 m，地面高程约346.692 m，拱顶以上埋深约58 m，设计围岩为Ⅳ级，掌子面揭露以中风化灰岩为主，节理裂隙发育，总体较破碎，溶洞填充物主要为黏土、夹杂块石等，黏土为可-软塑状态，有少量渗水现象，塌渣涌出至掌子面（往隧道小桩号方向）约12 m。

3 原因分析

根据现场踏勘及相关资料分析，塌方冒顶的原因主要有以下三个方面：

（1）地质原因：隧道穿越的地层岩溶强烈发育，塌方位置发育垂直式串珠式溶洞，溶洞充填物松散潮湿，粘聚力低，主要靠黏土之间弱粘聚力及与溶洞周壁的摩擦力保持稳定；
由于塌方位置位于岩溶垂直循环带，与地表存在直接的水力关系，地面降雨入渗导致充填物抗剪强度变低，自重增加，稳定性降低。

（2）支护原因：隧道超前支护施工质量不理想。由于超前小导管施工注浆效果较差，未能实现对溶洞充填物良好的固结作用，同时溶洞发育规模较大，且位于拱顶位置，隧道开挖后，充填物在超前支护强度不足的条件下，引起拱顶下沉，进而在自重荷载作用下发生塌方冒顶。

（3）爆破原因：隧道施工开挖爆破，爆破后的震动在一定程度上降低了溶洞充填体的稳定性。

4 处治措施

4.1 回填反压并封闭塌方体

为保证洞内塌方体的稳定，采用洞渣或沙袋等对塌方体进行反压处理，且对塌方体表面喷射一层20 cm厚的C25早强混凝土，此外在适当位置布设排水管。

4.2 塌方段落超前支护

在拱顶径向约120°范围内，采用12 m长，规格为108 mm×6 mm超前大管棚对塌方段落进行超前预注浆，管棚环向间距30 cm，外插角为1°；
同时增设一排42 mm×4 mm超前注浆小导管，外插角为25°～30°，注浆[JP4]材料为水灰比0.7～1∶1的水泥浆，注浆压力为0.5～2.0 MPa。

4.3 洞身开挖和支护

对于塌方段落，采用短三台阶开挖法施工，采用短进尺、强支护形式，初期支护设置Ⅰ20b型钢拱架，纵向间距为0.5 m，锁脚锚管采用108 mm×6 mm注浆钢管桩以控制隧道沉降；
二次衬砌采用55 cm厚的C30防水钢筋混凝土结构。

4.4 隧道拱顶地表塌陷区处理

对地表塌陷处采取黏土回填处理，回填高度超出原地面约1 m以预留下沉空间；
并在回填至接近自然地表高度时设置防水板，防水板较塌坑径向尺寸宽≥3 m。在塌方影响区周围修筑截水沟，并引流至隧道范围外，防止地表水入渗。此外设置地表变形监测点，加强日常巡视监测。

4.5 加强隧道防排水

隧道衬砌背后预埋排水管（无纺布包裹）及竖向盲管（渗水处设置），加密隧道环向盲管并及时接通，保证原有水系畅通，避免因堵塞水系造成运营期间衬砌背后水压力对结构造成损害。

5 效果分析与评价

5.1 数值模拟分析

5.1.1 模型建立及参数选取

为验证处治方案的合理性，采用Midas NX有限元分析软件建立二维平面模型对加固后的隧道塌方断面进行模拟分析。为降低边界影响，模型中隧道轮廓线与两侧边及底部的距离各取隧道宽度的3倍左右，底部采用固定约束，两侧x方向约束，顶面为自由面，整个模型尺寸为94 m（长）×101 m（宽），如图1所示。隧道围岩均采用平面应变单元，锚杆及锁脚锚杆采用桁架单元。模型物理力学参数选取如表1所示。

5.1.2 数值计算结果分析

5.1.2.1 围岩位移

从图2、图3可知，隧道围岩最大竖向位移（y向位移）发生在隧道拱顶，其值为16.3 mm，且对应溶洞的段落较之其他部位明显偏大，其原因为溶洞充填物虽已注浆加固，但其工程性质仍劣于中风化灰岩，对隧道围岩压力相对较大；
隧道水平向最大位移处为隧道拱腰，其最大位移为13.2 mm。隧道水平向、竖向位移较小，均在围岩稳定的可控范围之内，方案合理。

5.1.2.2 初期支护应力

对塌方段处治后，隧道拱顶附近的初期支护节段受力相比其他部位节段总体受力较大，但峰值出现在隧道上台阶拱脚位置，最大主应力为1.96 MPa（拉应力），最小主应力为-3.2 MPa，均小于C25混凝土强度指标，满足规范要求。如图4、图5所示。

5.2 现场监控量测分析

选取塌方冒顶段典型断面，进行拱顶位移及水平收敛监测，结果如图6所示，隧道拱顶位移最大沉降为17.0 mm，水平收敛最大位移值为14.4 mm，现场实际监测结果与数值模拟结果基本一致，远低于围岩变形预警值，处治方案安全可靠。

6 结语

本文基于某高速公路隧道工程案例，对岩溶隧道塌方冒顶的处治措施及其有效性进行分析研究，形成以下结论：

（1）在岩溶隧道施工中，当围岩自稳性差、地下水渗透、支护强度不足、施工爆破过大时，均有可能诱发隧道塌方甚至冒顶，因此隧道施工应扎实做好超前支护等措施，短进尺，少扰动。

（2）计算和实际结果表明，综合采用加强超前预加固、优化支护参数、加强隧道衬砌结构及洞内外防排水等措施处理岩溶隧道塌方冒顶是切实可行的。

参考文献

［1］秦辉辉，赵占厂，李晓博.某公路隧道塌方原因分析及处治方案研究［J］.公路，2013，1：302-307.

［2］张建军，马吉倩.高速公路隧道洞口浅埋段塌方冒顶分析与治理［J］.公路工程，2017，42（2）：187-190.

［3］李文韬，张拥军，刘思佳，等.山岭隧道浅埋偏压段塌方冒顶分析及工法优化［J］.公路，2020，65（1）：309-314.

［4］赵宗波，谢永福，杨方林，等.岩溶裂隙发育区隧道塌方冒顶诱因分析及控制研究［J］.交通科技，2023，321（6）：110-114.

作者简介：邓喜昌（1983—），工程师，研究方向：高速公路建设管理。

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