小浪底引黃工程土洞段塌方冒頂處理探析

張君

（山西小浪底引黃工程有限公司，山西 垣曲 043700）

小浪底引黃工程土洞段塌方冒頂處理探析

張君

（山西小浪底引黃工程有限公司，山西 垣曲 043700）

以小浪底引黃工程土洞段冒頂塌方為例，根據(jù)實際情況結合其他工程塌方處理經(jīng)驗，選用明挖塌體結合拱架、鋼筋混凝土回填加固施工方案，成功解決了該工程土洞段冒頂塌方問題，可為類似隧洞工程施工提供參考。

塌方冒頂；混凝土澆筑；鋼拱架支護；掛網(wǎng)噴護；小浪底引黃工程

1 工程概況

小浪底引黃工程是山西省“兩縱十橫”中的第九橫，主要解決運城市中東部大部分地區(qū)的工農業(yè)用水難題。2號引水隧洞是小浪底引黃工程的主干線工程，全長53km，其中樁號47+430—59+590段為2號引水隧洞末端，是2號引水隧洞中唯一的土洞段，長12.16km，位于運城市聞喜縣境內。樁號52+966—59+ 590段為小浪底引黃工程施工Ⅺ標，總長 6.6km，采用人工開挖，為無壓引水隧洞，設計斷面為城門洞型，尺寸3.8m×5.0m（寬×高），設計流量16.25m3/s，設計縱坡1/3000，洞內水深2.97m，隧洞全線采用鋼筋混凝土襯砌。

2 冒頂區(qū)地質條件及塌方冒頂原因

2.1 冒頂區(qū)地質條件

該段隧洞位于涑水河河谷左岸的岸坡處，主要通過地層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積低液限黏土夾低液限粉土，局部夾砂卵石，土層厚度較薄。此段隧洞洞身多位于濕陷土層中，隧洞周圍土層遇水易產(chǎn)生濕陷變形，且該層多具中等壓縮性，易產(chǎn)生壓縮變形，成洞條件相對較差。經(jīng)現(xiàn)場地質鉆孔勘察，該段含砂層較多。砂層厚度0～4.5m，其中59+332—59+350段地表有建筑垃圾，建筑垃圾最高處約12m。

根據(jù)取樣室內土工試驗資料，其干密度為1.22～1.69g/cm3，平均值1.40g/cm3；天然壓縮系數(shù)為0.06～0.85MPa-1，平均值0.23MPa-1，具中等壓縮性；飽和壓縮系數(shù)為0.06～1.30MPa-1，平均值0.33MPa-1，具中等壓縮性；飽和壓縮模量為2.4～11.9MPa，平均值7.6MPa；垂直滲透系數(shù)平均值為1.32×10-4cm/s，多具中等透水性；水平滲透系數(shù)平均值為1.16×10-4cm/s，多具中等透水性；黏聚力11.8～32.9kPa，平均值20.1kPa；內摩擦角17.0°～23.0°，平均值20.2°。鉆孔標貫擊數(shù)5～14擊，一般在7～9擊，基承載力80～100kPa。本段隧洞洞身位于濕陷性土層中，遇水易產(chǎn)生濕陷性變形，且該段含砂層較多，成洞條件相對較差。

2.2 冒頂原因

施工Ⅺ標出口段埋深較淺，樁號59+240—59+ 375段地勢低洼，為地表雨水匯集處，且圍巖厚度較薄，洞頂土層最薄處不足8m，從2014年10月施工到該段出現(xiàn)局部坍塌，隨即采用直徑108mm的大管棚施工，施工結束清理掌子面堆積體時出現(xiàn)二次冒頂坍塌（樁號59+332—59+337）。究其原因主要是該段頂部厚8m的土質覆蓋層均為混凝土塊、磚塊等建筑垃圾，起不到頂部支撐保護作用。另外，在施作管棚過程中，跟管鉆進施工工藝缺陷，接頭套管連接不牢固，造成接頭部位相對薄弱，管棚內未設置鋼筋籠，導致已施工的部分管棚在接頭處斷裂，造成原地表二次坍塌。

3 塌方冒頂處理措施

3.1 方案比選

塌方發(fā)生后施工單位及時采取了撤離人員、設備等應急措施，并通知各參建方盡快到達施工現(xiàn)場，對本次坍塌冒頂進行現(xiàn)場查看。根據(jù)以往處理塌方經(jīng)驗提出了三種可選方案：超前小導管注漿施工方案，邁式錨桿注雙液漿施工方案和明挖塌體結合拱架、鋼筋混凝土回填加固施工方案。

超前小導管注漿施工方案具有施工速度快、成本低、操作簡單等優(yōu)點，但由于小導管直徑較小，承受上部壓力有限，并且要求小導管前部未開挖巖體具有一定的自穩(wěn)支撐能力，不能滿足現(xiàn)場情況。

邁式錨桿注雙液漿施工方案施工速度較慢、成本高、操作難度大，需要專業(yè)鉆具及專業(yè)施工隊伍，但邁式錨桿管棚較長、剛度強、注漿加固長度范圍較大，前部未開挖巖體支點經(jīng)注漿后有一定的自穩(wěn)能力，承受上部壓力的能力較強。

明挖塌體結合拱架、鋼筋混凝土回填加固施工方案具有施工速度較快、成本較低、操作簡單且無需專業(yè)設備和專業(yè)隊伍即可施工的優(yōu)點。

綜合比較，確定采取明挖塌體結合拱架、鋼筋混凝土回填加固方案進行處理。

3.2 冒頂塌方處理

3.2.1 冒頂塌體處理

冒頂區(qū)生活垃圾處理：由于冒頂區(qū)地表有生活垃圾堆積，首先對其進行清理，清理范圍為隧洞邊線外圍3～4m，清理完成后對坑底周圍進行圍擋防護，并設置警戒標志，安排專人看守，防止發(fā)生意外。

洞內塌體清理：地表清理完成后對洞內坍塌體進行清理，只清理自然滑落部分，清理到露天后對自然滑動出來的塌坑周邊進行排險工作。

3.2.2 洞內外加固處理

塌體處理清理到露天后對自然滑動出來的塌坑采用鋼結構鋪設鋼板，在塌坑上方形成防護體，或對塌坑周壁進行厚度不小于10cm的混凝土噴射，防止落石傷人。清理出1～2榀鋼架范圍后，及時施作工字型20a型鋼拱架，鋼拱架間距不大于30cm，可根據(jù)實際情況放至25～35cm，拱架間縱向連接筋為直徑25mm的鋼筋，環(huán)向間距1m，在鋼拱架外側布設雙層直徑8mm，間距150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)片，鋼拱架要封閉成環(huán)，并臨時布設I16橫撐、豎撐型鋼，噴射C20混凝土進行初支，本段處理完成后，繼續(xù)按以上原則進行清理跟進，直至處理完整個塌坑范圍（樁號59+338—59+333），露天段側直墻噴射C20混凝土，厚度不小于50cm。由于側墻為粉砂層，清理過程會出現(xiàn)坍塌，須將坍塌空腔用混凝土回填密實，嚴禁出現(xiàn)空洞。

塌方段開挖支護處理：塌坑處理完成后，在掌子面管棚間及后續(xù)在2次進洞掌子面（15m范圍，樁號59+333—59+318）范圍內插打直徑42mm的超前小導管，再對未塌方部分進行開挖，超前小導管長度4.5m，環(huán)向間距30cm，縱向搭接長度不小于1.5m。人工開挖，每次開挖以50cm為宜，打設長2m，直徑25mm，間距1m的系統(tǒng)錨桿，并及時支護I20a鋼拱架，鋼拱架間采用直徑25mm的連接筋進行連接，布設直徑8mm，間距150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)片；采用直徑42mm的鎖腳錨桿，每根長3m，待初期支護完成2～3榀鋼拱架后對未成環(huán)初期支護底板進行橫撐封閉成環(huán)，封閉過程中采用短進尺，一次僅開挖一榀鋼拱架的距離。首先將橫撐部位人工開挖成20cm寬的槽狀，然后將橫撐安裝完成，橫撐采用I16型鋼，并與邊墻工字鋼連接牢固，然后再人工開挖兩榀工字鋼之間的底板土，開挖深度不小于25cm，開挖完成后人工夯實，縱向橫撐之間采用直徑25mm的鋼筋連接，連接筋環(huán)向間距1m，之后用C25混凝土澆筑，混凝土厚度不小于25cm。

塌方段混凝土回填處理：為保證隧洞塌方段安全及后期承壓穩(wěn)定，需對塌坑腔進行井字形型鋼支撐，并對塌坑腔進行混凝土回填處理。待塌坑腔段初支強度達到一定強度后，采用原施作的井字形型鋼進行支護，井字形橫梁距離初支拱架頂部50cm，中間澆筑C20混凝土，橫梁上方澆筑50cm厚的C20混凝土。井字形型鋼兩腿坐落在初期支護側墻上，橫梁長6.5m，直腿長3.11m，縱橫向各設2根，并焊接牢固，再分層回填C20混凝土，每層回填厚度不大于50cm，且兩側需同時進行回填處理?；炷粱靥钪炼错斠陨?m范圍，待達到設計強度的80%后再回填土，分層回填至原地面，每層土回填厚度不大于2m?；靥钔林恋乇砗笞?%的斜坡，將外水引至路側，防止再次積水引起滲水。

3.3 處理效果

本次冒頂處理歷時短，耗費人力物力較少，截至2014年10月底，發(fā)生冒頂塌方的 59+240—59+ 375段已開挖支護完畢，后期未再發(fā)生掉塊或塌方現(xiàn)象，冒頂塌方處理效果顯著。經(jīng)后期定期跟蹤監(jiān)測與地質雷達檢測，均未發(fā)生收斂變形，說明上述塌方冒頂段處理方案可行。

4 結語

在水利工程引水隧洞工程施工過程中，由地質原因引起的塌方在所難免，且塌方情況各有不同，土洞塌方情況難以處理。因此在隧洞開挖時應及時做好以下工作：一是加強地質預報工作。尤其是在土洞段遇有涌水情況時，要引起高度重視，并制定合理的開挖方式；二是遇到塌方時及時制定切實可行的處理方案；三是塌方處理時要注意安全，支護時遵循“寧強勿弱”的原則，不可盲目追求進度。

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張君（1977-），男，2005年畢業(yè)于河海大學工程管理專業(yè)，工程師。

2016-02-07；

2016-03-12