引黃隧洞塌方原因分析及處理措施

□樊迎娟（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局）

引黃隧洞塌方原因分析及處理措施

□樊迎娟（山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局）

山西省小浪底引黃工程某一段輸水隧洞，在通過主要以安山巖為主的洞段時(shí)遇到了特殊夾層，出現(xiàn)了涌水、塌方的不良地質(zhì)問題。根據(jù)現(xiàn)場情況和設(shè)計(jì)文件，組織專家進(jìn)行技術(shù)咨詢，從地質(zhì)、水、結(jié)構(gòu)方面分析了塌方原因，從已完初期支護(hù)段落加固、超前支護(hù)、結(jié)構(gòu)支護(hù)等方面提出了可行性高、效果明顯的處理方案，并最終安全的穿越了該特殊洞段，為類似工程提供了借鑒。

輸水隧洞；塌方涌水；處理方案

1 工程概況

小浪底引黃工程位于山西省運(yùn)城市，是從黃河干流上的小浪底水庫向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。它起始于垣曲縣境內(nèi)的板澗河河口右岸的小浪底水庫庫區(qū)，終止于聞喜縣境內(nèi)的呂莊水庫，線路總體走向呈東南～西北向，總長度為59.60 km。文章所涉及到的樁號18+735段隧洞為城門洞型，凈空尺寸3.80 mm×5.00 m。按新奧法施工，掛網(wǎng)噴射混凝土，C25鋼筋混凝土襯砌，在必要的時(shí)候立鋼拱架并配合超前小導(dǎo)管注漿來加強(qiáng)支護(hù)，系統(tǒng)錨桿與鋼拱架需焊接牢固。

樁號14+500～20+250段隧洞主要通過震旦系下統(tǒng)馬家河組（Z1m）安山巖，雞蛋坪組（Z1j）安山巖夾頁巖、砂巖、灰?guī)r，許山組（Z1x）安山巖夾透鏡狀凝灰?guī)r和頁巖。巖性堅(jiān)硬性脆，為堅(jiān)硬巖，具氣孔和杏仁狀構(gòu)造。隧洞沿線地面高程為580～780 m，洞頂覆蓋巖層較厚，厚度范圍為80～280 m。隧洞底高程在地下水位以下80～130 m。本段隧洞主要是安山巖，根據(jù)設(shè)計(jì)方鉆孔資料分析，圍巖類別總體按Ⅲ類來考慮，圍巖的總體穩(wěn)定性較好。地下水主要賦存在隧洞段的表層風(fēng)化帶，地下水類型主要為巖漿巖類裂隙水，下部微風(fēng)化及新鮮基巖為相對隔水層。隧洞圍巖主要處于新鮮巖層內(nèi)，透水性總體較弱，推測隧洞施工中可能存在一些滲水或少量的涌水現(xiàn)象，局部裂隙發(fā)育的地方和巖組接觸帶段可能存在涌水問題。

2 隧洞塌方經(jīng)過及原因分析

2.1 塌方經(jīng)過

2#隧洞無壓隧洞隧洞段，2014年3月20日下午17：00左右，掌子面掘進(jìn)至樁號18+730時(shí)，圍巖突然發(fā)生變化，受構(gòu)造影響比較強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)松散，巖體極為破碎，拱部開始連續(xù)不斷地出現(xiàn)掉塊。面向掌子面方向偏右側(cè)有股狀水涌出，涌水量目測約為10 m3/h。拱頂為線狀水，呈大面積的淋水狀。至2014年3月 21日早，拱頂仍然不時(shí)掉塊，掌子面不時(shí)地有巖塊剝離，總體塌腔深約2 m，塌方縱向長度約6 m，塌方量約50 m3。塌掉的塊體大小不一，以松散的碎石土為主，還夾雜著一些40～60 cm左右的安山巖硬質(zhì)塊體，從塌體的巖性觀察出，主要有黃褐色安山巖，紫紅色泥頁巖，灰綠色凝灰?guī)r，施工單位采取緊急措施處理。4月3日上午8時(shí)左右，掌子面和拱頂?shù)魤K現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)生較大的坍塌，至下午13：30左右，坍塌更加嚴(yán)重，拱部掉塊不斷，且不時(shí)有大塊的巖體落下，導(dǎo)致已經(jīng)支護(hù)好的三榀拱架被砸斷，塌體逐漸塌至拱頂，涌水量依然沒有減小的趨勢。塌腔縱向長度約6 m，塌腔高約7 m，塌體方量約300 m3。塌體以碎石土為主，夾雜著部分大塊紫紅色巖塊。從塌體的巖性觀察出，主要是以紫紅色的泥頁巖為主，無粘結(jié)性，含有部分的安山巖、凝灰?guī)r。

2.2 塌方原因分析

2.2.1 地質(zhì)原因

18+735塌方處位于設(shè)計(jì)的Ⅲ類圍巖段，該段圍巖主要以安山巖為主，多為堅(jiān)硬巖，巖體呈碎裂塊狀構(gòu)造，在層面間夾有泥砂質(zhì)頁巖、凝灰?guī)r，多呈薄層狀分布，部分層間存在著軟弱層或泥化夾層。18+735實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況為：巖性主要為紫紅色泥頁巖、黃綠色及紅褐色安山巖，巖體節(jié)理裂隙極發(fā)育，結(jié)構(gòu)面光滑，結(jié)構(gòu)松散，為噴發(fā)間歇破碎帶，圍巖整體性極差，易發(fā)生掉塊及坍塌，圍巖自穩(wěn)能力極差。

2.2.2 水的因素

地下水是導(dǎo)致本次塌方的重要因素，地下水的發(fā)育情況為掌子面右側(cè)有股狀水涌出，拱頂有線狀水，呈淋水狀，涌出量約為10 m3/h。由于地下水出露在拱部，對本來就松散的圍巖形成了掏蝕，砂粒被帶出，隨著越來越多的充填泥砂物質(zhì)被水帶出，原本達(dá)到暫時(shí)平衡的圍巖結(jié)構(gòu)，就會失去穩(wěn)定從而塌方。

2.2.3 結(jié)構(gòu)原因

從此段的塌方現(xiàn)象來看，鋼拱架被塌體砸斷，說明拱部受力比較大；同時(shí)，超前鋼管端部并沒有深入到基巖，所以承載能力較弱。

3 處理方法

3.1 已完初期支護(hù)段落的加固

對塌方段進(jìn)行反壓回填，同時(shí)噴射C20混凝土封閉掌子面。

對18+730～18+725段已支護(hù)段落的拱架進(jìn)行加固以防止反塌。拱架型號：Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀，鎖腳為3 m長Φ42 mm錨管，水平向下45°，每榀拱架8根。拱架之間的縱向聯(lián)系筋采用Φ25鋼筋，環(huán)向間距1.00 m。掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片(網(wǎng)格間距：15×15 cm)，噴C20混凝土填滿拱架與巖面空隙。

對加固段落的圍巖進(jìn)行灌漿處理。漿液采用水泥水玻璃雙液漿，水灰比0.50，水玻璃按水泥漿液體積的50%來控制。

3.2 超前支護(hù)

由于本次塌方塌體堆到拱頂以上有2 m左右，并且通過探測，6 m長的小導(dǎo)管還不能深入到基巖，起不到預(yù)加固的作用。本著安全施工、快速通過，節(jié)約投資的原則，此次超前支護(hù)采取R32S邁式錨桿管棚。

錨桿直徑32 mm，壁厚7.50 mm。長度為9 m，縱向搭接3 m，可根據(jù)鉆孔過程的地質(zhì)情況適當(dāng)調(diào)整。環(huán)向間距15 cm，可根據(jù)施工情況適當(dāng)調(diào)整。打設(shè)范圍為起拱線以上拱部范圍。

錨桿打設(shè)完成后，封閉管口，進(jìn)行固結(jié)注漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。水灰比0.50～0.80，水玻璃按水泥漿液體積的50%左右來控制，注漿壓力0.30～0.50 MPa，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況試驗(yàn)確定。

超前支護(hù)圖如圖1。

圖1 塌方區(qū)超前支護(hù)橫斷面圖

3.3 結(jié)構(gòu)支護(hù)部分

注漿完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后才開始開挖，開挖采用弧形導(dǎo)坑留核心土法。由于該段圍巖為松散結(jié)構(gòu)，易發(fā)生變形，開挖半徑在原設(shè)計(jì)V類斷面基礎(chǔ)上再放大44 cm，包括預(yù)留10 cm收斂變形量。鋼拱架采用Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀，鎖腳采用φ42注漿錨管。鋼筋網(wǎng)同V類圍巖設(shè)計(jì)參數(shù)：即φ8，網(wǎng)格間距150 mm×150 mm。噴射混凝土厚度為26 cm，強(qiáng)度標(biāo)號為C20。由于該段圍巖破碎且涌水量較大，巖體松散不能自穩(wěn)，系統(tǒng)支護(hù)采用長度為5 m的φ42鋼花管。每榀拱架施作一環(huán)，環(huán)向間距為30 cm。導(dǎo)管打設(shè)完成后，進(jìn)行固結(jié)注漿。由于初期支護(hù)承受的壓力比較大。為了使初期支護(hù)受力更加均衡，因此，初期支護(hù)時(shí)增加仰拱與拱架直墻閉合成環(huán)，拱架采用Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀。仰拱采用C25模筑混凝土，厚30 cm。在開挖支護(hù)過程中，需采取打孔導(dǎo)水或者埋管導(dǎo)水的措施。塌方處理過后，對塌腔段落要采取回填灌漿的處理措施。漿液采用純水泥漿，水灰比按0.50：1來控制。

結(jié)構(gòu)支護(hù)圖如圖2和圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)支護(hù)橫斷圖

圖3 結(jié)構(gòu)支護(hù)縱斷圖

3.4 塌腔處理過后向前掘進(jìn)支護(hù)方案

塌方處理過后向前掘進(jìn)時(shí)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破（或不爆破）、早支護(hù)、快封閉、勤量測”的施工原則。由于該段圍巖為破碎帶，結(jié)構(gòu)松散，并且涌水量較大，無自穩(wěn)能力，為了防止再次發(fā)生塌方，根據(jù)現(xiàn)場情況，采取以下施工方案：超前支護(hù)采用雙排Φ42超前導(dǎo)管并注漿，導(dǎo)管長5 m，大角度與小角度相結(jié)合。小角度≤15°，2 m/環(huán)，環(huán)向間距30 cm；大角度60°，1 m/環(huán)，環(huán)向間距30 cm。其余支護(hù)參數(shù)同過塌方段支護(hù)參數(shù)。

4 結(jié)論

在埋深較大的隧洞掘進(jìn)中，特別是在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下，若出現(xiàn)塌方、涌水等問題，首先應(yīng)盡快封閉掌子面，防止塌方體進(jìn)一步惡化。要本著保證安全、快速通過的原則，必要時(shí)使用大管棚對塌方區(qū)進(jìn)行超前支護(hù)，并灌雙液漿的方法，加強(qiáng)塌方體的整體性，保證下一步開挖安全通過。在蹋腔處理過后繼續(xù)向前掘進(jìn)時(shí)，超前支護(hù)選用雙排超前小導(dǎo)管注漿，大角度與小角度結(jié)合，效果很不錯(cuò)。

（責(zé)任編輯：邢博輝）

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