不良地質(zhì)洞段輸水隧洞塌方處理及后續(xù)施工方案

鄧躍東

（1.太原理工大學(xué) 山西太原 030024；2.山西東山供水工程有限公司 山西太原 030002）

對于自身穩(wěn)定性很差的圍巖隧洞開挖的過程中，塌方是最為常見的安全事故之一，一旦發(fā)生塌方等安全事故，不僅延誤工期、大幅度地提高工程費用，而且也會造成對施工工人及技術(shù)人員的人身傷害。對這些事故如果處理不當(dāng)，還會造成工程質(zhì)量隱患[1]。工程實際中要求采用“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)”等措施來防止塌方事故。本文以山西省東山供水工程某輸水隧洞發(fā)生的塌方冒頂事故為例，分析了隧道塌方的原因，介紹了隧道塌方冒頂?shù)奶幚矸椒?、施工要點[2]，并對不良地質(zhì)條件下的隧洞掘進(jìn)提出一些建議。

1 工程概況

山西省東山供水工程輸水線路某隧洞進(jìn)口為土洞段，設(shè)計底坡i=0.037%，斷面形式為馬蹄形，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度400 mm。地層巖性有第四系全新洪沖積卵石混合土，下更新統(tǒng)（Q1）紫紅色、青灰色含砂低液限黏土，土質(zhì)較不均，局部夾級配不良礫透鏡體，厚度分布不均，沿線均有分布。突泥段位于兩條沖溝的交匯處，洞頂埋深約32 m。

2 塌方過程

該隧洞在開挖過程中，右側(cè)掌子面夾砂層發(fā)生滑動，且滲水加大，隨后發(fā)生突泥現(xiàn)象，泥漿涌長約38 m。淤泥呈黑褐色，含有大量的砂，且淤泥中含有大量的渾圓狀卵石，現(xiàn)場淤泥方量約為180 m3。突泥清理至距離掌子面5 m位置時，上游塌渣再次發(fā)生滑動，淤泥滑出掌子面20 m，方量約為100 m3，且距離掌子面的第七榀鋼支撐右側(cè)掌子面出現(xiàn)擠壓變形破壞，頂拱右側(cè)最大變形量約10 cm。隨后再次發(fā)生突泥現(xiàn)象，淤泥涌出掌子面40 m，約200 m3。連續(xù)發(fā)生塌方突泥后，地表觀察發(fā)現(xiàn)突泥區(qū)頂部發(fā)生冒頂，在地表形成直徑約7 m的塌坑，深度為8 m左右，塌渣未發(fā)生滑動（塌方冒頂現(xiàn)場如圖1、圖2所示）。

圖1 山西東山供水某輸水隧洞塌方冒頂現(xiàn)場（洞內(nèi)）

圖2 山西東山供水某輸水隧洞塌方冒頂現(xiàn)場（洞外）

3 原因分析

該隧洞位于黃土丘陵地區(qū)，具有典型的軟土特性。掌子面開挖揭示為灰黑色淤泥質(zhì)含砂低液限黏土，遇水液化，頂拱范圍存在2 m左右的灰黑色低液限黏土，結(jié)構(gòu)松散，土體呈飽和、軟塑狀態(tài)，含礫、卵石，局部夾帶5～10 cm砂層，掌子面土體不能自穩(wěn)，不能對未開挖土體形成有效的反推擠壓作用。加之存在滲水、涌水現(xiàn)象，在突泥的形成中起到一個“催化”和“惡化”作用。

4 處理方案

4.1 塌方冒頂段處理方案

4.1.1 塌穴處理

首先，將突泥清理到距離掌子面一定距離后對掌子面進(jìn)行噴射混凝土封閉，對洞內(nèi)淤泥堆積體反壓沙袋進(jìn)行堵塞。掌子面噴射混凝土封閉7 d后開始對塌陷處地表回填，塌穴頂部2 m范圍土體采用水泥與土的混合物回填夯實，填平后采用裝載機(jī)碾壓整平。洞內(nèi)空腔可采用吹砂方式填充密實。

4.2.2 高壓旋噴施工

塌方洞段（塌方區(qū)上下游各延伸5～10 m）采用高壓旋噴樁施工工藝從地表進(jìn)行土體加固。高壓旋噴樁是利用高壓水泥漿噴射流橫向噴射出切割土體，注入的漿液將沖下的土置換或部分混合凝成樁體，以達(dá)到改造土體的目的。本次高壓旋噴鉆孔平面布置如圖3所示（圖3取旋噴樁加固區(qū)長度、寬度方向各取一半）。

1）縱向長度：初步確定為20m（樁號YD7+827.685～YD7+807.685），根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2）橫向?qū)挾龋褐魉絽^(qū)對隧洞軸線左右3.5 m范圍進(jìn)行加固，延伸過渡段對隧洞軸線左右3.0 m范圍進(jìn)行加固。

3）加固深度：隧洞兩側(cè)設(shè)置2～3排旋噴樁，深入隧洞底板開挖以下1 m；拱頂以上樁長約6 m。橫向孔距為50 cm，排距為50 cm。

圖3 高壓旋噴樁平面布置圖

考慮到施工地質(zhì)條件相對復(fù)雜，成樁直徑為60 cm，采用單管法施工，其加固直徑可達(dá)500～800 cm。

4）高壓旋噴施工工藝：

高壓旋噴灌漿漿液采用P.042.5普通硅酸鹽水泥拌制；主要施工設(shè)備包括：XY-150型地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、SH-50型旋噴樁機(jī)、BWT-400/30型高壓泵、BW-150型泥漿泵、P-0.8 MPa，Q-6 m3/min型空氣壓縮機(jī)、WJG-80漿液攪拌機(jī)。

由于冒頂坍塌區(qū)的地質(zhì)情況不明，若采用單一的技術(shù)參數(shù)來噴射長樁，則會形成直徑或長度極不均勻的固結(jié)體，導(dǎo)致旋噴樁直徑不一，達(dá)不到預(yù)期效果。為確保質(zhì)量，需根據(jù)鉆孔時獲得的孔位處地層情況，對不同深度或不同土層采用不同的技術(shù)參數(shù)，對硬土、深部土層和土粒大的卵礫石要延長噴射時間，適當(dāng)放慢提升速度和旋轉(zhuǎn)速度或提高噴射壓力和泵送量[3]（具體施工工藝流程如圖4所示）。

在高壓噴射注漿結(jié)束后1周，施工單位對成樁體進(jìn)行了鉆心取樣試驗，分析結(jié)果表明：成樁質(zhì)量良好，塌方冒頂洞段土體承載力顯著提高。

旋噴樁施工完成后，于地表建立完善的觀測網(wǎng)，對監(jiān)測點進(jìn)行閉合測量，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析以掌握地表變形情況。待地表處理完成且變形監(jiān)測符合要求后，方可進(jìn)行后續(xù)施工。

圖4 高壓旋噴樁施工工藝流程圖

4.2 不良地質(zhì)洞段后續(xù)施工方案

隧洞后續(xù)掘進(jìn)應(yīng)繼續(xù)遵照“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、弱擾動、快封閉”的施工原則，并且加強(qiáng)洞內(nèi)、外變形監(jiān)測。具體措施包括：

1）臺階開挖法：掘進(jìn)斷面按照上下臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行施工控制（如圖5），并保證緊跟支護(hù)。

2）采用超前支護(hù)法以臨時支撐土體：在頂拱處采用φ42超前小導(dǎo)管（環(huán)向間距40 cm）注漿方案進(jìn)行超前支護(hù)（必要時結(jié)合大管棚支護(hù)）。施工過程中若掌子面土體自穩(wěn)性較差，為防止超前小導(dǎo)管施工振動誘發(fā)坍塌，在超前小導(dǎo)管施工前首先噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)體系閉合。

3）保證一次支護(hù)質(zhì)量：開挖斷面鋼支撐采用18#工字鋼，間距為50 cm，并輔以150 cm×150 cm雙層鋼筋網(wǎng)片，鋼支撐之間可適當(dāng)增加φ25聯(lián)系筋或14#水平聯(lián)系工字鋼；每榀鋼支撐支護(hù)體系施工安裝完成后，立即噴射C20混凝土進(jìn)行封閉，噴層厚度為20 cm。

4）若掌子面地質(zhì)為砂層、砂卵石層等不良地層，采用注漿加固和核心土注漿預(yù)加固措施。

該不良地質(zhì)區(qū)域經(jīng)過上述處理，塌方冒頂洞段已順利通過，后續(xù)洞段的施工也穩(wěn)步、安全推進(jìn)。后續(xù)施工方案斷面結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖5 上下臺階法開挖示意圖

圖6 后續(xù)施工方案斷面結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

（1）在掘進(jìn)長距離輸水隧洞，尤其是在裂隙發(fā)育和地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，必須加強(qiáng)地質(zhì)勘探，制定不良地質(zhì)情況應(yīng)急預(yù)案，并加強(qiáng)超前支護(hù)防止隧洞塌方。（2）對于由不良地質(zhì)引起的隧洞塌方冒頂，應(yīng)及時封閉掌子面，穩(wěn)固塌方體，并對冒頂處進(jìn)行回填整平，防止塌腔進(jìn)一步擴(kuò)大。（3）高壓旋噴樁對不良地質(zhì)（尤其是黃土區(qū)域）隧洞塌方處理，能取得良好的效果。（4）在不良地質(zhì)情況下隧洞施工，要確保一次支護(hù)及時跟進(jìn)、確保強(qiáng)度，并加強(qiáng)安全監(jiān)測，確保施工過程中圍巖穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，才能較好地預(yù)防塌方事故發(fā)生。

[1]鄭陳旻，隧道塌方預(yù)警預(yù)測體系及治理措施研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2008.

[2]車廣才，杜以昌.淺埋隧道塌方冒頂處理[J].國防交通工程與技術(shù)，2003（4）：2-5.

[3]郭喜平，高壓旋噴注漿法在黃土地區(qū)公路軟基處理中的應(yīng)用研究[D]，重慶交通學(xué)院，2004.