引黃隧洞下穿高速公路冒頂原因分析及設(shè)計(jì)總結(jié)

肖俊秀

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

1 概述

山西省中部引黃工程總干3號(hào)隧洞共穿越呂梁環(huán)城高速公路3次，第一節(jié)點(diǎn)為呂梁環(huán)城高速公路主線K10+460處，隧洞和高速公路的右前夾角42°；第二節(jié)點(diǎn)為呂梁環(huán)城高速公路大武北互通E匝道EK0+064，隧洞和高速公路匝道右前夾角127°；第三節(jié)點(diǎn)為呂梁環(huán)城高速公路大武北互通A匝道AK0+050，隧洞和高速公路匝道右前夾角61°。塌坑位于第三節(jié)點(diǎn)處，該處隧洞頂板至高速公路匝道路面高差72 m。

2 地質(zhì)情況

2.1 地形地貌

項(xiàng)目區(qū)處于北川河谷東南側(cè)，為黃土丘陵與山間溝谷的過(guò)渡區(qū)域，地形起伏較大。地勢(shì)總體由東南向西北傾斜。工程病害位于地貌單元過(guò)渡區(qū)的黃土斜坡處。

2.2 地層巖性

病害發(fā)生后，為了全面掌握工程區(qū)的地質(zhì)情況，布設(shè)了4個(gè)鉆孔進(jìn)行工程地質(zhì)勘探。工程影響區(qū)巖土體大致可分為4層，從上而下依次為：

a）第一層Q3黃土層，最大揭示厚度約51.1 m，顏色灰黃，硬塑狀態(tài)。主要物理參數(shù)如表1所示。

b）第二層Q3礫石土層，級(jí)配較差，最大揭示厚度21.8 m，礫石母巖為石灰?guī)r及變質(zhì)巖等。磨圓度差，結(jié)構(gòu)疏松，含泥量較高，呈土石混合狀。

表1 主要巖土參數(shù)表

c）第三層Q2黃土層，揭示厚度9.1 m，含水量較大，呈軟塑至可塑狀，顏色淺紅色。隧道洞身穿越該層中部。

d）第四層 Q2礫石層，含有大量的紅黏土，揭示厚度8 m。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭示，第二層Q3礫石土中穩(wěn)定地下水水位約19 m，其下第三層Q2黃土上部，呈軟塑狀，為隔水底板，底板黃土長(zhǎng)期受水浸泡，含水量大。項(xiàng)目區(qū)地表徑流主要為北川河，距離工點(diǎn)約1 km左右。第二層Q3礫石土中水位標(biāo)高略高于北川河河床標(biāo)高。橫向地質(zhì)剖面顯示，第二層Q3礫石土整體向北川河傾斜。分析認(rèn)為，第二層Q3礫石土為原北川河河床，受地質(zhì)構(gòu)造影響，北川河河道發(fā)生遷移，原河床被第四系黃土掩蓋。

地下水補(bǔ)給主要為地表降水的垂直下滲補(bǔ)給，第二層Q3礫石土東南側(cè)緊鄰石灰?guī)r地層，不排除裂隙水側(cè)向補(bǔ)給的可能性。地下水排泄途徑主要為側(cè)向補(bǔ)給北川河。

3 隧洞施工

隧洞圍巖為砂卵石層、黏土、及粉砂土，富水。此段隧洞施工采取φ108超前大管棚及φ42小導(dǎo)管支護(hù)，上下臺(tái)階法預(yù)留核心土開(kāi)挖，雙層鋼拱架，錨噴支護(hù)，底板及時(shí)封閉。

3.1 隧洞坍塌情況

塌陷坑中心在隧洞掌子面前方約12 m處，掌子面塌方位置位于管棚搭接位置，在準(zhǔn)備施工下一循環(huán)管棚時(shí)掌子面發(fā)生坍塌，造成呂梁環(huán)城高速公路AK0+050—AK0+065（總干3號(hào)隧洞樁號(hào)K161+826）處發(fā)生地表塌陷，塌陷范圍：長(zhǎng)約12 m，寬約9 m，深約6 m，呈漏斗狀。

3.2 隧洞掌子面封堵情況

3.2.1 堆碴反壓溜坍體

首先用砂袋攔截、封堵泥石流，然后從洞外運(yùn)碴反壓流坍體，反壓過(guò)程中先從砂袋處人工進(jìn)行拋填，逐步向掌子面推進(jìn)，以穩(wěn)定流坍體和掌子面，同時(shí)采用I16工字鋼臨時(shí)支撐完成拱腳和墻角加固，防止已施工初期支護(hù)拱腳失穩(wěn)。

3.2.2 預(yù)埋排水管及封閉掌子面

穩(wěn)定流坍體后，在掌子面和流坍體內(nèi)預(yù)埋φ108排水管，排水管要最大限度頂進(jìn)，達(dá)到直接從流坍體內(nèi)集中引排的目的。

3.2.3 排水

建立三級(jí)抽水泵站，及時(shí)將洞內(nèi)積水抽排至洞外，防止積水影響施工安全。

3.2.4 封堵

完成集中引排水工作后，在掌子面后退10 m即隧洞樁號(hào)K161+855處，砌筑封堵墻對(duì)掌子面進(jìn)行封閉。封堵墻采用漿砌片石，上部厚度3.0 m，下部厚度5.0 m。而后采取吹砂、灌漿方式將掌子面與封堵墻之間空腔回填、固結(jié)，以增強(qiáng)流坍體的穩(wěn)定性，確保下一步施工安全。

4 塌陷原因分析及范圍確定

4.1 塌陷原因分析

根據(jù)地質(zhì)鉆探，高速公路A匝道AK0+050—AK0+065段地層巖性自上而下分別為：位于地表的第一層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）黃土，厚約51 m；第二層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）卵石混合土或級(jí)配不良礫層，屬中等透水層，厚約22 m，層底（土石交界面）距隧洞頂部不足0.5 m；第三層為第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）離石組黃土（黏土），為相對(duì)隔水層，厚約9 m，隧洞洞身從該層上半部通過(guò)；第四層為Q2沙礫石層，位于隧洞底部4 m以下。

第二層礫石土富水性較好，具中等透水性，結(jié)構(gòu)松散-稍密；下伏第三層相對(duì)隔水的黏土層，該黏土層為中部引黃總干線3號(hào)隧洞洞身所在部位，在隧洞樁號(hào)K161+826處（即公路塌陷坑對(duì)應(yīng)隧洞部位），隧洞設(shè)計(jì)洞頂開(kāi)挖高程為971.98 m，第二層礫石土底部高程為971.86 m，工程地質(zhì)條件較差。隧洞開(kāi)挖后，隔水層底板被削弱，厚度不足2 m，在施工震動(dòng)及上部水頭壓力等因素共同作用下，發(fā)生隧道頂板局部坍塌。

引黃總干3號(hào)隧洞施工至樁號(hào)K161+838處，該處為超前大管棚支護(hù)循環(huán)接頭處，上一循環(huán)的超前支護(hù)影響范圍有限，下一循環(huán)的超前支護(hù)還未施工，屬于超前支護(hù)的薄弱區(qū)域。

隧洞掌子面坍塌，導(dǎo)致隧洞頂部第二層礫石土形成空腔，空腔上部地層形成臨空面，失去支撐；底部隧洞坍塌的突然發(fā)生，在礫石土空腔中會(huì)瞬間形成一個(gè)負(fù)壓空間，上部第一層黃土在重力及負(fù)壓共同作用下，發(fā)生整體下挫，從而導(dǎo)致高速公路塌陷下沉。

4.2 塌腔范圍的確定

塌陷坑坑口長(zhǎng)約10.77 m，寬約9 m，深約6 m，平面投影似一不規(guī)則六邊形，坑底近橢圓形，空間發(fā)育大致呈一橢圓柱狀體。

為了查明地表以下塌腔形狀，布置鉆孔ZK15-2、ZK15-4兩鉆孔。

兩鉆孔在第一層黃土鉆進(jìn)中均未發(fā)現(xiàn)有空洞存在，說(shuō)明黃土塌腔沒(méi)有擴(kuò)大到塌坑6～12 m范圍之外，由于低液限黏土多呈硬塑-堅(jiān)硬狀，土顆粒間聯(lián)結(jié)力較強(qiáng)，在中部土體塌陷后，四周土體塌陷的可能性較小。分析認(rèn)為上部上更新統(tǒng)低液限黏土的塌腔為垂直柱形，多沿黃土中垂直裂隙面坍陷。

第二層礫石土中，ZK1處72～73.4 m（高程972.24～970.84 m）有掉鉆現(xiàn)象，存在空腔，發(fā)育高度約1.4 m。在孔深73.4～75 m處（高程970.84～969.24 m）有埋鉆現(xiàn)象，說(shuō)明該處砂卵石地層結(jié)構(gòu)較松散，即曾經(jīng)發(fā)生過(guò)擾動(dòng)。隧洞洞頂高程為972.13 m，空腔發(fā)育在隧洞頂板附近，頂板以下砂卵石層發(fā)生過(guò)擾動(dòng)。由此推斷1.4 m的空腔之上的第二層礫石土塌腔范圍未擴(kuò)大到塌坑6～12 m范圍之外，隧洞頂板以下，塌腔范圍有所擴(kuò)大。隧洞施工掌子面發(fā)生坍塌，說(shuō)明隧洞頂板以下塌腔至少發(fā)育到了隧洞掘進(jìn)掌子面處。

4.3 疑點(diǎn)解釋

塌腔中心對(duì)應(yīng)的隧洞樁號(hào)為K161+826處，距離隧洞施工掌子面約12 m。引黃3號(hào)隧洞K161+838為塌陷時(shí)的施工掌子面，超前支護(hù)采用φ89大管棚，仰角約7°，長(zhǎng)18 m，搭接長(zhǎng)度2 m。K161+838為大管棚循環(huán)接頭部位，上一批次的大管棚的末端樁號(hào)約為K161+836處。由于大管棚的托底作用，抑制了上部砂卵石層的變形，加之巖土體的一定自穩(wěn)能力，K161+836未掘進(jìn)方向一定區(qū)域內(nèi)砂卵石層未發(fā)生坍塌。ZK15-4號(hào)鉆孔揭示，在樁號(hào)K161+832處洞頂部位有空腔，空腔以上部分土層未發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)?？涨晃挥谒矶错敯搴痛蠊芘锏臉?biāo)高之間，該處距離大管棚末端約4.0 m左右。塌腔中心K161+826距離大管棚末端已有約10 m的距離，超出了大管棚支護(hù)區(qū)域，故出現(xiàn)了塌坑發(fā)育位置超前隧洞掌子面12 m的現(xiàn)象。

5 處治方案

本次塌陷治理工程的主要任務(wù)是塌腔范圍內(nèi)松散體的加固處治。松散體大體由兩部分組成，第一部分是第二層砂卵石，采用地表花管注漿加固；第二部分為上部第一層第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）低液限黏土層，厚約51 m，采用高壓旋噴樁注漿加固。

5.1 第二號(hào)砂卵石層加固

富水的第二號(hào)砂卵石層，厚度約22 m左右，呈松散至稍密狀，采用地表全填充壓力注漿加固。

5.1.1 加固范圍

塌腔體呈近橢圓形的柱狀體，塌坑口長(zhǎng)軸10.77 m，短軸 9.0 m。塌腔體投影最寬處長(zhǎng)軸14.07 m，短軸11.42 m。以推斷的砂卵石層塌腔范圍為界，沿隧道中線和垂線偏移構(gòu)成一近平行四邊形（主要是保證隧道兩側(cè)的壓力平衡）。在此范圍四周加10 m的圍護(hù)帶，構(gòu)成注漿處治的平面范圍。

富水的第二層砂卵石層注漿加固后，一方面提高了引黃總干3號(hào)隧洞頂板的圍巖強(qiáng)度，同時(shí)該地層作為上部高速公路高邊坡的地基，強(qiáng)度提高后，有利于高速公路路基的安全穩(wěn)定。

由于隧洞洞身主體位于第三層粉質(zhì)黏土地層中，該地層注漿效果較差。由于其上部3號(hào)地層中的地下水浸泡，強(qiáng)度可能受到較大影響，為了保證已經(jīng)施工完成的隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，評(píng)審會(huì)建議對(duì)其進(jìn)行隧洞內(nèi)注漿加固。

5.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 塌陷處治方案縱段面圖

圖2 注漿處治平面布置圖

注漿區(qū)域四周設(shè)置帷幕孔，間距2.0 m，注漿孔間距4.0 m，孔深至隧洞底板。注漿鉆孔開(kāi)口125 mm，注漿管采用φ108鋼管，深入砂礫頂面以下的部分需梅花型打眼，孔眼8 mm，間距15 cm，壁厚6 mm。注漿材料為水泥漿液，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿壓力為1.5～2.5 MPa；帷幕孔中添加2%的水玻璃。

臨近下部隧洞頂板及隧洞側(cè)墻附近，應(yīng)及時(shí)調(diào)整注漿壓力，防止壓力過(guò)大，影響隧洞施作完成的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

5.1.3 試驗(yàn)性注漿施工情況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性注漿施工時(shí)，注漿孔漿液消耗量差別較大，部分注漿孔吃漿量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)注漿量。根據(jù)前期鉆孔資料顯示，第二號(hào)砂卵石層中，局部夾雜黏土層，塌腔部位也存在土石混雜的情況，從而導(dǎo)致各個(gè)注漿孔漿液消耗量不一致的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，增加隨機(jī)加密注漿孔20%，總注漿量維持不變。

5.1.4 施工注意事項(xiàng)

關(guān)于填方邊坡部位，砂卵石層注漿和高壓旋噴樁注漿加固平面重合部分的施工順序，有必要強(qiáng)調(diào)說(shuō)明。由于高速公路邊坡較陡，需寬填施工平臺(tái)，從下往上，寬填一段，施工一段地表花管注漿，直至路基頂面。然后施工高壓旋噴樁，逐級(jí)挖除寬填平臺(tái)，逐級(jí)施工旋噴樁，待邊坡部位旋噴樁全部施工完成后，方可清除所有邊坡寬填土方。寬填平臺(tái)是作為施工場(chǎng)地使用的，必須保證一定的壓實(shí)度。

5.2 黃土體高壓旋噴樁注漿加固

5.2.1 處治范圍的確定

塌腔內(nèi)的土體在塌陷過(guò)程中，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，呈松散堆積，需進(jìn)行加固處理；塌陷坑內(nèi)的回填土，壓實(shí)度難以達(dá)到路基規(guī)范要求的壓實(shí)度，為了保證路基的穩(wěn)定，也應(yīng)進(jìn)行加固處理。

塌腔體發(fā)育呈一近橢圓形的柱狀體，塌坑口長(zhǎng)軸10.77 m，短軸9.0 m。塌腔體投影最寬處長(zhǎng)軸14.07 m，短軸11.42 m。加固的平面范圍是該橢圓主體的投影區(qū)域+10 m的圍護(hù)帶。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30—2015，未對(duì)路基塌陷處治做專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定，本次塌陷體加固處治，目的是提高塌腔內(nèi)土體的密實(shí)度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性，該工程與地下采空區(qū)的填充加固類(lèi)似，參考《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T D31-03—2011之表6.2.-1規(guī)定，圍護(hù)帶寬度取值為10 m。

5.2.2 處治深度的確定

a）擬處治黃土層厚度約51.4 m；為了保證路床的平整度以及復(fù)合地基受力的均勻性，宜在旋噴樁頂面鋪筑30 cm厚的灰土褥墊層。故路基范圍內(nèi)，高壓旋噴樁有效樁長(zhǎng)約為51.1 m。

b）填方邊坡部位，處治深度約44～51.4 m；填方邊坡坡率為1∶1.75～1∶1.5，施工機(jī)械無(wú)法施工，應(yīng)先拆除拱形骨架防護(hù)，再寬填施工平臺(tái)，平臺(tái)寬度4.0 m；從低往高逐級(jí)施工。

c）挖方邊坡及坡頂斜坡部位時(shí)，降低斜坡高度，從施工平臺(tái)頂面至底部砂礫石層頂面，樁長(zhǎng)大約52～56 m。其中，標(biāo)高大于路面標(biāo)高的斜坡范圍內(nèi)，可不進(jìn)行注漿。施工平臺(tái)寬度不小于4 m，邊坡坡率1∶0.75.

5.2.3 高壓旋噴樁的布設(shè)

高壓旋噴樁在沉降影響范圍內(nèi)采用矩形布設(shè)，樁間距1.5 m，樁徑為60 cm，旋噴樁深度為路床頂面至下伏第二層砂卵石頂面。

5.2.4 施工工藝及注意事項(xiàng)

高壓旋噴樁注漿材料主要為水泥，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1；注漿壓力不小于20 MPa，流量應(yīng)大于 30 L/min，提升速度宜為0.1～0.2 m/min。施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試樁，以確定最終的注漿參數(shù)。臨近路床頂面及邊坡臨空面附近，應(yīng)及時(shí)調(diào)整旋噴樁注漿壓力，防止壓力過(guò)大，引發(fā)次生病害。

旋噴樁的施工工序?yàn)椋簷C(jī)具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管、沖洗及施工灰土褥墊層等。

在施工前應(yīng)精確定位隧洞位置，并復(fù)核旋噴樁的設(shè)計(jì)孔位。噴射孔與高壓注漿泵的距離不宜大于50 m。鉆孔位置的允許偏差不大于50 mm，垂直允許偏差不大于1%。當(dāng)噴射注漿管貫入土中，噴射嘴達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，即可噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達(dá)到規(guī)定值后，隨即按旋噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上旋轉(zhuǎn)噴射注漿，噴射管分段提升的搭接長(zhǎng)度不得小于10 cm。

成樁質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量不得少于施工孔數(shù)的2%。

要求單樁承載力特征值達(dá)到440 kPa。要求復(fù)合地基承載力不小于250 kPa。

6 預(yù)加固

由本次塌陷的原因分析可知，隧洞圍巖條件較差是本次坍塌事故的主要原因。為了防止隧洞穿越高速公路未處治段，掘進(jìn)時(shí)再次產(chǎn)生塌陷，影響到高速公路高邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)隧洞穿越高速公路未處治段隧洞頂板的卵石層也應(yīng)進(jìn)行注漿預(yù)加固。

7 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土工程區(qū)，巨厚層的黃土沿垂直節(jié)理整體下挫的工程病害比較罕見(jiàn)，一旦發(fā)生，處治難度大、費(fèi)用高。應(yīng)充分做好前期的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察工作，制定針對(duì)性強(qiáng)的工程方案。

地貌單元過(guò)渡區(qū)，往往是工程地質(zhì)復(fù)雜區(qū)，在設(shè)計(jì)施工中必須足夠重視，加強(qiáng)勘察及分析研究。

巨厚層的地下砂卵石層（古河床）富水時(shí)，容易造成涌水、冒頂?shù)裙こ虨?zāi)害，在施工中，應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)防突發(fā)事件，及時(shí)采取必要的工程措施。

針對(duì)二元結(jié)構(gòu)地層加固時(shí)，由于其巖體力學(xué)性質(zhì)、物理參數(shù)相差較大，應(yīng)分別采取措施，分步處理。