導(dǎo)管在水工隧洞塌方處理中的應(yīng)用

陳剛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

導(dǎo)管在水工隧洞塌方處理中的應(yīng)用

陳剛

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110006）

隧洞工程中，塌方往往成為制約工期、造成投資大量增加的關(guān)鍵因素。對(duì)于非突泥性質(zhì)的封閉掌子面的規(guī)模較大的塌方，采用超前注漿小導(dǎo)管的方法。針對(duì)地下水情況采用單液漿或者雙液漿，處理效果良好。相對(duì)“帷幕灌漿加長(zhǎng)大管棚”，超前注漿小導(dǎo)管方案工藝簡(jiǎn)單快捷、施工安全、經(jīng)濟(jì)合理。

塌方；超前小導(dǎo)管；注漿

引水隧洞由于輸水、受水的位置限制，其隧洞長(zhǎng)度從幾百米到上百公里不等，其開挖支護(hù)過程中遇到的情況也復(fù)雜多樣。特別是長(zhǎng)距離的引水隧洞，沿線穿越規(guī)模不同河谷、山谷等地貌所對(duì)應(yīng)的斷層，隧洞埋深也從十?dāng)?shù)米到數(shù)百乃至上千米，洞線圍巖巖性從容易泥化的沉積巖如板巖、凝灰?guī)r到強(qiáng)度較高的花崗巖、安山巖，非常多變；地下水從裂隙水到巖溶水也各不相同。在復(fù)雜的水工隧洞施工過程中，塌方往往成為制約工期、造成投資增加的重要因素。故而為了能夠快速、安全的通過塌方洞段，在塌方處理的過程中，根據(jù)實(shí)際情況，制定針對(duì)性的塌方處理方案，尤為重要。

1 常見塌方及成因

根據(jù)塌方位置的不同，塌方可以分為洞口（含洞口段）塌方、洞內(nèi)工作面塌方、洞內(nèi)工作面后方塌方。文中主要論述最為常見的洞內(nèi)工作面塌方。從巖性來講，有巖質(zhì)類塌方、土質(zhì)類塌方；從規(guī)模來講，主要有順層塌方、局部掉塊。文中主要分析掌子面被塌落體完全封閉的順層、石質(zhì)類塌方。

洞內(nèi)石質(zhì)類塌方的形成，主要因?yàn)樗矶幢崎_挖后，周邊處于懸空狀態(tài)的巖石在下沉、收斂變形過程中，由于巖石中層理及切割性節(jié)理裂隙的存在，特別是正好揭露了軟弱夾層時(shí)，懸空巖塊在自身重力和周邊擠壓作用下，產(chǎn)生了下落和擠出的態(tài)勢(shì)。如果在排險(xiǎn)、出渣過程中，初期支護(hù)產(chǎn)生效力之前，這種態(tài)勢(shì)未能受到遏制，從而達(dá)到一定程度時(shí)便發(fā)生了塌方[1]。

2 常見塌方的處理

對(duì)于掌子面未被完全封閉的掉塊性質(zhì)的塌方，塌方量通常在幾方到幾十方之間。這種塌方一般在清理出工作面之后，利用圍巖暫時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)塌腔面進(jìn)行噴錨支護(hù)（外層支護(hù)），進(jìn)而設(shè)置適用于正常開挖斷面的型鋼鋼架（內(nèi)層支護(hù)），并在塌腔面與型鋼鋼架之間設(shè)置連接鋼架，之后在內(nèi)層支護(hù)上掛網(wǎng)噴混凝土，并預(yù)留回填灌漿孔。在繼續(xù)向前進(jìn)行開挖前，可視圍巖情況，設(shè)置一到兩個(gè)循環(huán)的超前支護(hù)，以順利通過受塌方影響段。

但對(duì)于文中詳述的掌子面被完全封閉的較大規(guī)模塌方，一般不能采用清渣的方法。一是因?yàn)樗綌?shù)量一般較大，處理時(shí)間長(zhǎng)，且清渣越多，后期回填灌漿費(fèi)用越高。另一個(gè)原因是即使能夠清除塌落體，由于塌方量較大，塌腔的深度和直徑一般也較大，在沒有足夠可靠的防護(hù)措施的情況下，不可以安排施作人員對(duì)塌腔面進(jìn)行噴射混凝土封閉，以避免安全事故的發(fā)生。故而一般應(yīng)采取“注漿+超前支護(hù)”的整體加固方法。其基本流程為：

1）加固未塌方段圍巖，如設(shè)置鋼拱架（無鋼架情況）、設(shè)置長(zhǎng)錨桿（4～6 m）。

2）設(shè)置止?jié){墻：主要材質(zhì)和形式有噴射混凝土、設(shè)置沙袋+噴射混凝土、漿砌片石、素混凝土。一般根據(jù)有無地下水的情況，注漿參數(shù)等綜合因素選擇。

3）預(yù)埋孔口管并注漿。

4）施作超前支護(hù)：根據(jù)注漿的效果選擇超前支護(hù)，如果灌漿不理想，應(yīng)采用管棚支護(hù)，如果灌漿效果很好，則可以采用超前小導(dǎo)管支護(hù)。

5）開挖并支護(hù)：在具體的塌方處理中，當(dāng)超前支護(hù)采用可以注漿的管棚或者超前小導(dǎo)管時(shí)，有時(shí)也可以采用施作超前支護(hù)與注漿相結(jié)合的方式，以達(dá)到減少工序，提高處理效率的目的。比如文中所述的三個(gè)塌方處理實(shí)例，均采用了超前小導(dǎo)管+注漿的處理形式。

3 塌方處理工藝

超前小導(dǎo)管加注漿的塌方處理工藝應(yīng)根據(jù)塌方時(shí)塌落體的巖性、強(qiáng)度，以及地下水的豐富程度選擇合適的灌漿材料和灌漿參數(shù)。綜合來講，主要有無地下水、有地下水未泥化、有地下水泥化等情況。

3.1 無地下水塌方實(shí)例

A塌方發(fā)生在沈鐵供水工程施工支洞樁號(hào)Z0+491.1～Z0+498.4處，埋深128 m。該段開挖揭露圍巖巖性以白云巖為主，巖石弱風(fēng)化。中硬巖，灰黑色，節(jié)理發(fā)育，主要發(fā)育為兩組結(jié)構(gòu)面，間距小于10 cm，陡傾角與緩傾角兩組結(jié)構(gòu)面互相切割，巖體表面糜棱巖化，節(jié)理面多為鈣質(zhì)薄膜，十分光滑，結(jié)構(gòu)面間結(jié)合極差，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體以破碎為主。開挖過程中頂拱產(chǎn)生坍塌，掌子面被塌落碎石完全堵死。判斷該坍塌位于一斷層影響范圍，塌落體為斷層角礫，夾雜薄層狀斷層泥，未見地下水。

3.1.1 塌方處理措施

塌方處理的主要流程為：

施工平臺(tái)搭設(shè)→掌子面封閉→超前小導(dǎo)管安裝→超前小導(dǎo)管注漿（待強(qiáng)）→上半部開挖→上半部鋼支撐安裝→噴混凝土封閉→下一循環(huán)→塌腔回填。

其中掌子面封閉采用150 mm厚的噴射混凝土。考慮到塌方未見地下水，注漿效果相對(duì)有保障，采用水灰比為0.5：1的單液水泥漿，以保障固結(jié)塌落體的強(qiáng)度和范圍。首環(huán)超前小導(dǎo)管采用雙排，其后采用單排，環(huán)向間距均為300 mm，長(zhǎng)度4.5 m，搭接長(zhǎng)度3 m。超前小導(dǎo)管單孔注漿量估算見公式1[1]。在每循環(huán)灌漿完成后，當(dāng)小導(dǎo)管注漿達(dá)到一定強(qiáng)度（一般2～3 d），開挖施工前，預(yù)先鉆設(shè)灌漿檢查孔，檢查小導(dǎo)管灌漿范圍內(nèi)渣體固結(jié)程度，如塌落體板結(jié)程度較差，應(yīng)在局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌漿。開挖分上下臺(tái)階開挖，開挖時(shí)預(yù)留核心土。

其中：Q——設(shè)計(jì)注漿量，m3；R——漿液滲透擴(kuò)散半徑，m；L——設(shè)計(jì)注漿孔深，m；N——圍巖孔隙率，松散塌落體取0.2～0.3。

根據(jù)A塌方特征，考慮松散塌落體吃漿量較大，跑漿問題較重，擴(kuò)散半徑取較大值1 m，注漿孔深為4 m，計(jì)算Q=3.14 m3，折合灌漿水泥2 t。

3.1.2 塌方處理成果

開挖揭露顯示塌落體固結(jié)效果較好，滿足開挖工作需要。整個(gè)塌方歷時(shí)32 d順利通過。

3.2 有地下水塌方實(shí)例

B塌方發(fā)生在沈鐵供水工程主洞K5+114附近，圍巖巖性為薊縣系霧迷山組二道溝亞組燧石條帶白云巖。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，層間結(jié)合力差。節(jié)理面可見水銹，充填巖屑和泥質(zhì)。地下水呈滴水～線流狀。圍巖類別為V類。爆破后，渣塊直徑4～8 cm，極為破碎，出渣10車（正常13車）未見渣堆明顯減少。由此認(rèn)定為塌方。

3.2.1 塌方處理措施

塌方處理的主要流程為：

預(yù)埋PVC導(dǎo)水管兩處→施工平臺(tái)搭設(shè)→掌子面封閉→超前小導(dǎo)管安裝→超前小導(dǎo)管注漿（待強(qiáng)）→上半部開挖→上半部鋼支撐安裝→噴混凝土封閉→下一循環(huán)→塌腔回填。

鑒于地下水局部呈線流狀，采用單液漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，不能控制，隨地下水漏漿跑漿比較嚴(yán)重，結(jié)石率低。故而考慮采用水泥水玻璃雙液漿，控制在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到固結(jié)阻水效果。而地下水壓力隨著固結(jié)阻水必然壓力上升，故而采用沙袋+噴射混凝土（150 mm厚）作為止?jié){墻。雙液漿的主要參數(shù)如下：①水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；②水泥漿水灰比為0.8∶1；③水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.8；④水玻璃模數(shù)為3，濃度為40°Be.凝膠時(shí)間約為10 min。

注漿量的計(jì)算、超前支護(hù)的參數(shù)及開挖支護(hù)工藝同A塌方。

3.2.2 塌方處理成果

灌漿過程顯示水泥水玻璃雙液漿阻水效果良好，整個(gè)灌漿過程極少漏漿現(xiàn)象發(fā)生。開挖揭露顯示水泥水玻璃結(jié)石率高，塌落體固結(jié)效果好，強(qiáng)度較高。滿足開挖支護(hù)工作需要。整個(gè)塌方歷時(shí)48 d順利通過。

4 結(jié)語(yǔ)

一般的水工隧洞開挖寬度較小時(shí)（6～8 m），發(fā)生塌方的寬度也不會(huì)太大，即使在軟弱、淺埋的圍巖中發(fā)生塌方，也不一定需要采用深孔預(yù)注漿或長(zhǎng)大管棚技術(shù)，而采用文中所述的超前注漿小導(dǎo)管的處理方案，處理效果也非常良好，而且工藝簡(jiǎn)單、施工安全、質(zhì)量可靠、簡(jiǎn)便快捷。但需另外說明的是，如果遇到突泥塌方，全斷面被塌落體封閉，且地下水豐富的情況，僅僅采用超前小導(dǎo)管注漿往往效果并不佳，另需進(jìn)行全斷面帷幕注漿，再加以長(zhǎng)大管棚進(jìn)行處理。

最后，隧洞工程塌方處理往往占用工期長(zhǎng)，投入大，與治理塌方同等重要的是預(yù)防塌方。開挖到斷層影響帶時(shí)應(yīng)采用短進(jìn)尺、弱爆破，并及時(shí)支護(hù)。地下水豐富時(shí)，要設(shè)置探水孔，最大程度預(yù)防大規(guī)模塌方事故的發(fā)生。

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