山西省小浪底引黃工程隧洞突泥塌方施工處理

張 君

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 太原 030024；2.山西省小浪底引黃工程有限公司 垣曲 043700）

0 引言

山西省小浪底引黃工程位于運(yùn)城市，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫(kù)區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程，引水干線總長(zhǎng)度59.6 km。工程引調(diào)水主要用于運(yùn)城市的鹽湖區(qū)、夏縣、聞喜、絳縣、垣曲五縣區(qū)工農(nóng)業(yè)用水及生態(tài)補(bǔ)水，其中，施工Ⅲ標(biāo)為工程主干線2#隧洞的一段，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)9 390 m，5#支洞控制主洞長(zhǎng)3 221 m。隧洞設(shè)計(jì)斷面為城門洞型，尺寸為3.8 m×5.0 m（寬×高），隧洞采用先開(kāi)挖初支，后二襯注漿的方式進(jìn)行施工。

1 塌方基本情況

2013年9月27 日，在引水隧洞掘進(jìn)到樁號(hào)10+518時(shí)，圍巖突然發(fā)生變化，巖體極破碎，面向掌子面左側(cè)邊墻至起拱線位置有褐紅色土夾層，受水影響，全部泥化，不時(shí)發(fā)生滑落掉塊。拱部及掌子面中部及右側(cè)墻為結(jié)構(gòu)完全破壞的泥灰質(zhì)巖，巖質(zhì)極軟弱，手碾成粉末狀，總體為松散結(jié)構(gòu)；次日該部位左側(cè)涌水量加大，伴有紅泥流出，已打設(shè)好的超前導(dǎo)管被落石砸落，由于出水點(diǎn)在開(kāi)挖反方向，導(dǎo)致泥化層不斷被掏蝕，塌腔向反方向發(fā)展，長(zhǎng)度約10 m，高度約6 m；10月2日，雙層超前支護(hù)及環(huán)向鋼花管支護(hù)注漿完成，當(dāng)開(kāi)挖至上半斷面左側(cè)拱腳部位時(shí)，開(kāi)挖面開(kāi)始向外涌泥水，發(fā)生大規(guī)模突泥現(xiàn)象，涌出距離約50 m，塌體塌至拱頂以上，初期支護(hù)遭到破壞。

2 塌方原因分析

塌方體上游接近F6馬家窯地正斷層，處在Ⅳ、Ⅴ類圍巖的交界帶，該斷層上盤為寒武系地層，下盤為震旦系中統(tǒng)、下統(tǒng)地層，上盤地層相對(duì)下盤地層西移，斷距大于100 m，斷層影響帶較寬。從三次坍塌突泥情況分析，該段已進(jìn)入斷層破碎帶內(nèi)，洞內(nèi)觀察斷層走向與洞軸線方向呈小角度相交，巖體破碎，多呈泥夾塊碎石狀，結(jié)構(gòu)松散，巖石蝕變明顯，有股狀水流出，通過(guò)地下水浸泡和沖蝕，導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度大為降低，使圍巖失去穩(wěn)定性，從而發(fā)生滑塌，是突泥坍塌產(chǎn)生的主要地質(zhì)原因。

3 方案比選

塌方發(fā)生后，工程各參建方第一時(shí)間到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)本次突泥塌方進(jìn)行了全面查看，建管局還邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)部分專家進(jìn)行會(huì)診，對(duì)本次塌方處理提出三種方案可供選擇：超前小導(dǎo)管注漿施工方案、大管棚施工方案和邁式錨桿管棚結(jié)合高壓劈裂注漿超前預(yù)支護(hù)施工方案。

（1）超前小導(dǎo)管注漿施工方案。具有施工速度快、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但要求小導(dǎo)管前部未開(kāi)挖巖體具有一定的自穩(wěn)支撐能力。由于小導(dǎo)管長(zhǎng)度較小，超前預(yù)加固范圍有限，一般情況不超過(guò)6 m，加之小導(dǎo)管剛度較小，支撐能力較弱，對(duì)于本次突泥塌方塌腔大，結(jié)構(gòu)松散，壓力大的特點(diǎn)不適用。在本次實(shí)際施工過(guò)程中，已采用雙層超前小導(dǎo)管超前支護(hù)，但起不到超前預(yù)加固作用。不建議用此方案。

（2）大管棚施工方案。超前大管棚有剛度大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，加固范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但其鉆孔設(shè)備較笨重，占用空間大，操作不方便；同時(shí)，需擴(kuò)挖工作室，施工難度較大，施工周期不能滿足現(xiàn)有要求；由于本次突泥塌方段圍巖松散，成孔困難，加之塌方段較長(zhǎng)，每延米成本約1 500元，造價(jià)很高，超出投資可控范圍。此方案不宜采用。

（3）邁式錨桿管棚結(jié)合高壓劈裂注漿超前預(yù)支護(hù)施工方案。邁式錨桿具有剛度大，施工速度快，操作方便，支護(hù)質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，且用邁式錨桿超前預(yù)加固的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般可達(dá)6～12 m，注漿加固長(zhǎng)度范圍較大，前部未開(kāi)挖巖體支點(diǎn)經(jīng)注漿后有一定的自穩(wěn)能力，承受上部壓力的能力較強(qiáng)。處理塌方段技術(shù)方案可行，安全性高，成本及施工期均在可控范圍。

經(jīng)過(guò)專家及參建各方的討論，結(jié)合本次突泥塌方的實(shí)際特點(diǎn)，決定采取錨桿直徑51 mm、壁厚8 mm、桿體剛度大、材質(zhì)強(qiáng)度高、抗剪切力強(qiáng)的N51邁式錨桿管棚結(jié)合高壓劈裂注漿超前預(yù)支護(hù)施工方案。

邁式錨桿管棚結(jié)合高壓劈裂注漿超前預(yù)支護(hù)施工方案施工過(guò)程中需注意的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

（1）在施工中，掌子面必須采用錨噴支護(hù)加固，且要封閉嚴(yán)密。一是避免鉆孔過(guò)程中巖體內(nèi)大量注水引起掌子面的坍塌，二是在進(jìn)行高壓劈裂注漿時(shí)，避免造成掌子面受壓力太大被擠出，造成失穩(wěn)坍塌。三是避免注漿過(guò)程中，掌子面漏漿，壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（2）鉆孔過(guò)程中最重要的是保證鉆頭水孔的通暢。觀測(cè)水從鉆孔中流出的狀態(tài)，若有水孔堵塞跡象，應(yīng)后撤鉆桿50 cm左右，并反復(fù)掃孔，使孔壁暢通，平穩(wěn)鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)深度。

（3）高壓劈裂注漿所用漿液為水泥—水玻璃雙漿液，雙液漿應(yīng)嚴(yán)格按配合比配制，并隨配隨用，以免時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使?jié){液在泵、管中凝結(jié)。

（4）注漿過(guò)程中，做好安全防護(hù)措施，若出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)清理錨桿孔壁、注漿軟管及注漿泵，此時(shí)若泵的壓力表超出壓力范圍，應(yīng)先卸壓后拆下各接頭進(jìn)行處理。

（5）注漿應(yīng)采取自下而上，由兩邊向中間的順序進(jìn)行施工。

4 塌方處理方案

根據(jù)塌方的情況和隧洞所通過(guò)的部位，塌方擴(kuò)及到已開(kāi)挖支護(hù)的較長(zhǎng)洞身段。經(jīng)過(guò)參建各方商討及專家論證后，決定分成以下幾個(gè)階段對(duì)本次突泥塌方進(jìn)行處理，即：穩(wěn)定掌子面，加強(qiáng)已開(kāi)挖段初期支護(hù)，強(qiáng)支護(hù)處理坍塌段，合理加強(qiáng)過(guò)渡段,加強(qiáng)二次襯砌。具體塌方處理流程見(jiàn)圖1。

4.1 穩(wěn)定掌子面

掌子面的穩(wěn)定是防止塌方，保證施工安全的必要條件。本次突泥塌方采取了以下兩方面的措施穩(wěn)定掌子面：先從洞外拉石渣對(duì)掌子面進(jìn)行回填，回填的石渣既可以穩(wěn)定掌子面，又可兼做后期的施工平臺(tái)；待回填完成后，對(duì)掌子面打設(shè)鋼花管并灌漿、掛網(wǎng)、噴砼，噴砼厚度不小于20 cm。

4.2 加強(qiáng)已開(kāi)挖段落初期支護(hù)

根據(jù)塌方特點(diǎn)分析，有產(chǎn)生反塌的可能，為防止反塌采取了以下處理措施：

首先，在塌方位置退后10 m范圍內(nèi)對(duì)已開(kāi)挖支護(hù)段用I20a工字鋼拱架進(jìn)行加固，拱架封閉成環(huán)，拱架間距0.5 m/榀，采用3 m長(zhǎng)Φ42鎖腳錨管，每榀拱架8根，拱架縱向連接筋采用Φ25鋼筋，環(huán)向間距1.0 m。其次，打設(shè)系統(tǒng)錨管，并對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，與初期支護(hù)共同形成一個(gè)2～3 m厚的承載拱。最后，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，并用噴混凝土填滿拱架與巖面空隙。

4.3 強(qiáng)支護(hù)處理坍塌段

坍塌段處理前，首先查看掌子面回填及噴護(hù)的素混凝土是否安全穩(wěn)定，待塌體穩(wěn)定后，再著手進(jìn)行坍塌段處理。

4.3.1 支護(hù)參數(shù)

本次突泥塌方對(duì)坍塌段采用的主要支護(hù)參數(shù)如表1所示：

表1 坍塌段處理支護(hù)參數(shù)

4.3.2 支護(hù)方法

坍塌段支護(hù)主要分為超前支護(hù)和結(jié)構(gòu)支護(hù)兩部分。超前支戶見(jiàn)圖2。結(jié)構(gòu)支護(hù)見(jiàn)圖3。

1）超前支護(hù)

超前支護(hù)采用N51邁式錨桿管棚結(jié)合高壓劈裂注漿。首先，在掌子面打設(shè)Φ42超前小導(dǎo)管，長(zhǎng)6 m，間排距1×1（m）；掛鋼筋網(wǎng)噴射50 cm厚C20混凝土，待達(dá)到一定強(qiáng)度后，對(duì)掌子面進(jìn)行高壓劈裂注漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.5，水玻璃按水泥漿液體積的50%。注漿順序：從下往上注，縱向每5 m施工一次。

然后，打設(shè)邁式錨桿管棚。邁式錨桿選用直徑N51 mm，壁厚8 mm，長(zhǎng)度為9 m，環(huán)向間距20 cm，縱向搭接3 m；打設(shè)范圍為起拱線以上的拱部；角度與水平夾角不超過(guò)5°。之后，施作1 m長(zhǎng)的導(dǎo)向墻，采用3榀I20a工字鋼拱架施作，拱架立好后，噴射厚50 cm的C20混凝土，導(dǎo)向管直徑150 mm。

最后，待邁式錨桿管棚打設(shè)完成后，封閉管口，進(jìn)行高壓劈裂注漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.5，水玻璃按水泥漿液體積的50%。

2）結(jié)構(gòu)支護(hù)部分

結(jié)構(gòu)支護(hù)部分按以下步驟進(jìn)行：

（1）注漿完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后，開(kāi)始開(kāi)挖，開(kāi)挖采用弧形導(dǎo)坑留核心土法。由于該段為大斷層影響帶，開(kāi)挖半徑在原設(shè)計(jì)V級(jí)斷面基礎(chǔ)上放大20 cm，包括預(yù)留10 cm收斂變形量。

（2）由于該段為斷層破碎帶且有涌水，圍巖松散不能自穩(wěn)，拱部巖塊易從管棚間滑落，邊墻易滑塌失穩(wěn)。因此，拱部在每?jī)筛^桿之間，打一根Φ42鋼花管，角度60°，管長(zhǎng)5 m，邊墻也打設(shè)超前注漿鋼花管，環(huán)向間距20 cm；范圍：墻腳以上1 m至起拱線，兩側(cè)都要打；角度60°，管長(zhǎng)5 m，每米施作一環(huán)。其作用主要有三方面：a）起到對(duì)松散圍巖注漿固結(jié)的作用；b）起到超前支護(hù)的作用；c）與拱架聯(lián)合起到系統(tǒng)支護(hù)的作用。

（3）支護(hù)鋼拱架，鋼拱架采用I20a工字鋼，間距：0.5 m/榀，鎖腳采用3 m長(zhǎng)Φ42注漿錨管。

（4）全斷面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm，鋼筋型號(hào)Φ8。

（5）噴射混凝土厚26 cm，強(qiáng)度標(biāo)號(hào)C20。

（6）由于基底巖層同樣為松散體，承載力較低。因此，初期支護(hù)增加仰拱與拱墻閉合成環(huán)，仰拱采用C25模筑混凝土，厚30 cm，基底開(kāi)挖加深30 cm。

4.3.3 支護(hù)效果

采用上述方法對(duì)塌方段進(jìn)行支護(hù)完成后，經(jīng)過(guò)定期監(jiān)控量測(cè)分析及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，收斂變形均在允許范圍之內(nèi)，證明了本次塌方處理方案是合理可行的。

圖2 超前支護(hù)圖

圖3 結(jié)構(gòu)支護(hù)圖

4.4 合理加強(qiáng)過(guò)渡段

超前支護(hù)采用Φ42超前小導(dǎo)管進(jìn)行支護(hù)。結(jié)構(gòu)支護(hù)部分與坍塌段支護(hù)參數(shù)相同，在此不做贅述。

4.5 加強(qiáng)二次襯砌

由于該段為斷層破碎帶，由于圍巖松散破碎，穩(wěn)定性差，為了保證隧洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及隧洞通水后的安全，二次襯砌采取加強(qiáng)處理措施。采用厚60 cm的C25鋼筋混凝土，主筋間距20 cm，型號(hào)Φ22Ⅱ級(jí)鋼。

5 結(jié)束語(yǔ)

隧道施工過(guò)程中，塌方是比較常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，也存在較大的安全隱患。因此，只有提前預(yù)防，并在處理隧洞塌方時(shí)，方案正確、處理及時(shí)，才能使塌方處理得以安全順利通過(guò)。本文針對(duì)小浪底引黃工程施工Ⅲ標(biāo)5#洞發(fā)生的突泥塌方及處理過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)，希望對(duì)類似引調(diào)水隧洞工程及其他隧洞工程遇到塌方時(shí)，提供一定借鑒。

（1）加強(qiáng)預(yù)警，遇到Ⅴ類圍巖時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動(dòng)、勤測(cè)量”的原則，必要時(shí)采用立鋼拱架、打設(shè)超前導(dǎo)管等方法。

（2）在隧洞開(kāi)挖遇到塌方時(shí)，采取及時(shí)的應(yīng)急措施，并制定合理的塌方處理方案。本次隧道塌方后，參建各方迅速到工程一線，詳細(xì)察看塌方情況，分析塌方原因和可能的發(fā)展趨勢(shì)等。之后，各方緊急會(huì)商，并制定了詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案及塌方處理方案。

（3）塌方處理的支護(hù)遵循“寧強(qiáng)勿弱”的原則，可采用“前方封堵，后方加固”的方式，對(duì)塌方區(qū)形成合圍，切忌造成二次塌方。避免安全事故及工程造價(jià)的大幅提高。