新疆北疆干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌成因分析及處理措施

潘奕舟（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察研究所　新疆　烏魯木齊　830000）

新疆北疆干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌成因分析及處理措施

潘奕舟
（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院地質(zhì)勘察研究所新疆烏魯木齊830000）

文章通過分析新疆北疆干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌問題，對隧洞塌方的原因和處理過程進行了探究，從而確保渠道輸水能力，可為此類工程的建設(shè)提供可靠的參考依據(jù)。

砂礫石；極軟巖隧洞；洞頂坍塌；施工方案

1　工程概況

筆者所研究的對象是新疆北疆干渠1號隧洞，隧洞類型屬于淺埋深極軟巖輸水隧洞，該工程項目主要由進口明渠及漸變段、洞身段、出口暗涵段、出口矩形槽段和施工支洞等部分構(gòu)成，整個隧洞全長4.6km，是明顯的無壓明流隧洞，設(shè)計斷面是正馬蹄形、襯完斷面為5.2m×5.2m，開挖的最大尺寸為8.4m×8.3m，Q設(shè)計=54.5m3/s，Q加大=61m3/s。該隧洞所處地形為河谷沖洪積傾斜平原區(qū)，地形較為平坦，無明顯的沖溝發(fā)育，圍巖上部土壤類型為風積黃土，土壤厚度在1.5m～2.3m之間，圍巖下方土層主要為沖積卵石混合土層，土層厚度大多集中于20m以上。洞身頂部土層厚度在4m～13m之間，土層類型以卵石混合土為主，圍巖類別為Ⅴ類，巖體抗力系數(shù)K0在（100～200）N/cm3之間，飽和抗剪強度在35°～40°之間，堅固系數(shù)fk為0.8，地下水埋深位于洞底16.5m～21.5m以下。深坑實驗資料顯示，顆粒級配連續(xù)，沒有發(fā)現(xiàn)砂層透鏡體的問題，砂礫石天然濕密度在1.97g/cm3～2.18g/cm3之間，干密度在1.91g/cm3～2.22g/cm3之間，含水率在2.8%～4.2%之間，最緊密度在1.98g/cm3～2.26g/cm3之間，相對密度為D=0.7，滲透系數(shù)k在（1.3×10-2～2.2×10-2）cm/s之間，屬于r強透水層。

2　基本施工工法

1號隧洞在距離洞口2.7km處修建一條施工支洞，并將主洞劃分為4個開挖工作面，每個工作面將施工長度控制在1.6km左右，進口～支洞～出口圍巖埋深從18m～10m～4m逐漸減小。而本次施工隧洞屬于淺埋深砂礫石極軟巖隧洞，且地面附有公路、渠道以及民宅等建筑物，大大增加了該工程項目的施工難度。對此，筆者在對該工程項目進行施工作業(yè)之前，對二道灣隧洞、博塔瑪依隧洞以及頂山隧洞等新疆地區(qū)類似工程項目的成功經(jīng)驗進行了借鑒，采取“短進尺、強支護、快襯砌”的施工方案對該工程項目進行施工作業(yè)，為后期施工質(zhì)量的提高打下堅實的基礎(chǔ)。

具體做法為：在對掌子面開挖及一次支護進行施工作業(yè)時，采取短進尺的施工方法循環(huán)進尺，進尺長度控制在0.4m～1m之間；多循環(huán)施工環(huán)節(jié)則是采用超短臺階法進行施工作業(yè)，臺階長度控制在3.2m左右，開挖工具主要使用人工風鎬和小型挖掘機兩種；利用型鋼拱架和格柵拱架等材料對施工界面進行一次支護，并采用鋼模臺車跟進的方式進行二次支護，同時還必須確保與掌子面間距小于80m，在為減少圍巖裸露時間的同時降低圍巖形變的空間，最大限度的提高該工程項目的施工質(zhì)量。

3　洞頂坍塌成因分析

在1號隧洞在支洞段前25m到出口洞段前60m的施工過程中，頂部±45°范圍出現(xiàn)掉拱和坍塌的現(xiàn)象較為嚴重，40cm間距單榀循環(huán)開挖出現(xiàn)塌方的最大面積為1.5m2，塌腔高度在0.5m～1.2m之間，筆者在分析圍巖變化情況之后，將該隧洞出現(xiàn)坍塌的原因總結(jié)為以下幾點：

3.1不良地質(zhì)條件影響

由于該隧洞屬于淺埋深砂礫石軟巖隧洞，所以引起隧洞發(fā)生洞頂坍塌現(xiàn)象的原因主要是由于沖積卵石混合土層圍巖自身特征造成的。例如：沖積卵石混合土在自然形成的過程中所產(chǎn)生的弱膠結(jié)粉砂透鏡體和斷級配卵石夾層。再如：砂礫石在自然沉積的過程中，巖體的相對密度、抗力系數(shù)以及堅固系數(shù)等性能都呈現(xiàn)出直線上升的趨勢，從而導致隧洞面積減小，洞頂坍塌。主要表現(xiàn)為，該工程項目自開挖掌子面開始，其坍塌現(xiàn)象從未間斷，而埋深在10m以上的支洞除了在洞頂范圍出現(xiàn)砂透鏡體或斷級配卵石夾層等結(jié)構(gòu)的坍塌之外，其他結(jié)構(gòu)的土層很少出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

3.2地表降雨及農(nóng)田灌溉滲水影響

由于該隧洞有著十分明顯的透水性，一旦施工區(qū)域發(fā)生降雨和農(nóng)田澆灌等活動，就會在一定程度上提高圍巖的含水率，繼而增加砂礫石自身的重量。這樣一來，如果砂礫石自身的重量超過圍巖膠結(jié)的承載力，就會在洞頂部位出現(xiàn)剝落掉拱的質(zhì)量問題。從現(xiàn)場取樣和研究結(jié)果來看，如果掌子面砂礫石巖體含水量超過4.5%，其發(fā)生洞頂坍塌的頻率和面積就會隨之增加。

3.3開挖機械擾動影響

當前工作人員在對軟巖隧洞進行施工作業(yè)時，常常采用的施工方式是人工配合機械作業(yè)，例如，當工作人員在對該工程項目的上斷面進行施工作業(yè)時，主要是先將挖掘機立于下斷面對工作界面進行粗破碎，然后采用風鎬進行人工修整，最后再使用挖掘機翻碴并裝車出碴。然而，由于施工人員專業(yè)知識不扎實，施工方法不合理等原因，工作人員在對該工程項目的上斷面進行機械開挖時，常常會出現(xiàn)保護層預留不夠和超挖等問題，而在開挖基線30cm深度的范圍內(nèi)都會受到料斗擾動的影響，使得工作人員在后期使用風鎬修整施工時，經(jīng)常出現(xiàn)局部剝落掉拱的現(xiàn)象。

4　處理及預防措施

由于1號隧洞有著土質(zhì)疏松、滲水性強等特點，在很大程度上促使了洞頂坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，如果工作人員不能對洞頂?shù)乃粎^(qū)域做出及時有效的處理，就會導致事態(tài)的進一步蔓延，繼而發(fā)生嚴重的坍塌現(xiàn)象。對此，筆者根據(jù)該工程項目的實際情況，制定了幾點應對措施，在提高施工質(zhì)量的同時確保整個輸水系統(tǒng)安全、高效的運行。

4.1在制定施工方案之前應對地質(zhì)條件的好壞進行正確的判斷

在對隧洞進行施工作業(yè)之前，如果工作人員可以準確的判斷工程項目中存在的不良地質(zhì)條件，就能有效的指定施工方案，為提高施工質(zhì)量提供有力的保障。例如，當工作人員在對掌子面進行施工作業(yè)時，常常遇到弱膠結(jié)粉砂透鏡體和斷級配卵石夾層等地質(zhì)情況，此時，工作人員就不能繼續(xù)使用挖掘機對高工作面進行施工作業(yè)，而是需要改變施工方案，采用減小開挖間距和增加人工開挖保護層厚度的方式對其施工作業(yè)，同時需要設(shè)置超前錨桿，以增強施工界面的承載力，確保工程安全可靠的進行。

4.2兩次噴護及時封閉確保噴護質(zhì)量

在對該工程項目進行施工作業(yè)的過程中，工作人員主要采用兩次噴護的方式來增強工程質(zhì)量。一次支護主要采用厚度為15cm的噴混凝土型鋼拱架，或者是厚度為18cm的噴混凝土鋼格柵拱架作為該工程項目的支護材料，而受洞頂坍塌好發(fā)洞段圍巖弱膠結(jié)、水分散失現(xiàn)象嚴重等因素的影響，施工面發(fā)生砂石分層剝落的現(xiàn)象也變得相對明顯，所以工作人員在對覆蓋層進行施工作業(yè)時，應在厚度小于半倍洞徑4m的洞段使用“短進尺、快封閉”的施工工藝進行，并把上半拱開挖的進尺控制在40cm以內(nèi)。此外，為了確保噴護的質(zhì)量，應確保第一次噴護的厚度小于5cm。等到半斷面封閉后，在對施工界面實施二次噴護，噴護厚度以設(shè)計方案的厚度為準。這樣一來，工作人員就可以大大降低開挖的面積、減少噴護界面混凝土分布不均勻等問題的出現(xiàn)，最大限度的確保了施工質(zhì)量。

4.3遇塌腔及時調(diào)整掛網(wǎng)形式，適時適量進行回填灌漿處理

要想有效的提高塌腔的充填密實程度，降低噴護混凝土回彈問題發(fā)生的概率，工作人員在對該工程項目進行施工作業(yè)時，就必須要根據(jù)具體問題具體分析的原則，在不同的施工界面制定不同的施工措施。例如，當施工界面塌腔高度大于50cm時，掛網(wǎng)鋼筋則不需要再根據(jù)拱架規(guī)則進行布置，而是要做到盡量貼服坍塌巖面架設(shè)，孔徑可增大到2cm以上，且需進行多次噴護，以增強噴護的密實度。此外，由于混凝土在干縮、施工缺陷等因素的作用下，能在一定程度上引發(fā)洞頂出現(xiàn)空隙或空腔的質(zhì)量問題。所以，工作人員在對塌腔高度在80cm以上的施工界面進行施工作業(yè)時，需要采用埋灌漿花管和排氣管的方式來提高施工質(zhì)量，待坍次支護強度符合設(shè)計標準時，再對其進行回填灌漿。據(jù)有關(guān)資料顯示，灌漿壓力＜0.1MPa時，可以有效的防止因壓力過大而破壞一次支護結(jié)構(gòu)。

5　結(jié)語

從上述內(nèi)容可以看出，干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌是該工程項目中存在的主要問題，在很大程度上影響著整個輸水系統(tǒng)的輸水效率，給該區(qū)域內(nèi)居民的用水帶來不便，但是受地質(zhì)環(huán)境、氣候條件以及地形地貌等因素的影響，在對此工程項目進行施工作業(yè)時，常常會出現(xiàn)工作人員難以預料的質(zhì)量問題和施工困難，工作人員只有在日常的工作中不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗，積極完善自身的專業(yè)技術(shù)知識，才能有效的發(fā)現(xiàn)施工過程中存在的不安全隱患，并采取積極有效的措施加以應對，力求最大限度的提高工程質(zhì)量。陜西水利

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（責任編輯：暢妮）

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