富水粉細(xì)砂層隧道突涌塌方處理方案

趙敬波

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京市 101300）

1 概述

2016年9月6日，山西小浪底引黃工程引水干線2#隧道土洞段開挖至里程56+434時(shí)，隧道拱頂出現(xiàn)直徑約1 m的塌腔口，伴隨著出水、拱部土體及細(xì)砂顆粒逐漸從塌腔口向掌子面塌落。

9:00，塌落體已堆滿整個(gè)掌子面，且繼續(xù)向后方堆積，于右側(cè)邊墻起拱線附近形成泥沙流。

10:40，泥沙已沖積至距離掌子面20 m左右位置，且仍舊向后方發(fā)展。

15:30，泥沙堆積物涌至距離掌子面70 m左右的位置，塌方體逐漸穩(wěn)定。通過現(xiàn)場估算此次坍塌方量約為1400 m3左右。

2 工程水文地質(zhì)

塌落物介于粉砂至粉土，含泥含水量大，遇水呈流體狀，具有較大黏性，人員、機(jī)械行走困難。判斷該段巖性以低液限黏土為主，洞頂存在粉細(xì)砂層，有地下水。

3 地表地物情況

里程56+434附近地表高程585 m，地勢由西北向東南方向傾斜，略有起伏，附近存有一定數(shù)量的廠房、水池、民房、電線電桿等建筑物及電力設(shè)施，電力電線走向與洞軸線一致；隧道洞頂至地表深度為101 m，離里程56+434最近的地表建筑為一處混凝土結(jié)構(gòu)蓄水池，距離約20 m，經(jīng)沉降觀測未發(fā)生地表塌陷現(xiàn)象。

4 處理方案

通過對洞內(nèi)塌方現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)踏勘，對塌落物進(jìn)行分析，回看現(xiàn)場塌方發(fā)生的過程視頻，初步推測該段塌方部位地層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1塌腔地層推斷圖

該方案優(yōu)先考慮洞內(nèi)處理，具體施工步驟如下。

4.1 泥沙清理

待洞內(nèi)泥沙堆積物趨于穩(wěn)定后，對泥沙堆積物進(jìn)行清理，最大限度地減少擾動，采用機(jī)械配合人工的方式，從下游方向逐步向上游方向進(jìn)行清理。清理至距離掌子面30 m的位置時(shí)（里程56+464），為防止后續(xù)清理過程中掌子面松散體向下滑落可能導(dǎo)致的二次坍塌，距離掌子面15 m（里程56+449）處設(shè)置密排小導(dǎo)管柵欄（此步驟可在前方泥沙清理過程中多次使用）[1]。具體步驟如下：

為方便人員出入，首先鋪設(shè)竹膠板至里程56+449處，人工清理施工平臺，架設(shè)橫向支撐鋼架，支撐鋼架與初支鋼架搭接牢固，并依托橫向鋼支撐施作密排小導(dǎo)管，小導(dǎo)管單根長度4.0 m，向下斜角30°直達(dá)隧道底部，尾部與鋼架焊接牢固。小導(dǎo)管施作結(jié)束后，對柵欄前后附近拋填片石擠密松散體。

清理柵欄后方泥沙堆積物，及時(shí)進(jìn)行土石反壓回填，回填高度2～3.5 m，逐步清理泥沙并回填片石砂袋反壓至距離掌子面15 m位置（里程56+449）。

自里程56+449開始，先清理上臺階泥沙，為防止在清理過程中發(fā)生二次滑塌，上臺階清理至距離掌子面10 m位置（里程56+444）時(shí)，設(shè)置C20噴射混凝土墻，厚度50 cm，拱部采用 108 mm管棚對前方松散體及塌腔口周邊進(jìn)行水泥-水玻璃固結(jié)注漿。管棚具體施工部位及間距根據(jù)現(xiàn)場施工條件確定，為確保管棚能夠穿越前方塌方松散體并插入原狀土體，此次管棚施工長度為16 m。管棚注漿固結(jié)之后繼續(xù)清理上臺階塌方體至掌子面里程56+434，下臺階清理泥沙逐步跟進(jìn)至距離掌子面5 m位置，臺階形成后采用C20噴射混凝土封閉掌子面，設(shè)置C20混凝土墻，厚度50 cm。

4.2 塌方及塌方影響段初支背后注漿固結(jié)加固

泥沙清理完成后對掌子面塌方及其影響段初支背后土體進(jìn)行排水固結(jié)和注漿加固及止水，施工順序?yàn)橄裙安亢髠?cè)墻；施作 42 mm徑向小導(dǎo)管，長度3.0 m，環(huán)向間距0.8 m，縱向間距1m，梅花形布置；小導(dǎo)管穿透初支混凝土，深入初支背后土體，入土深度不小于2.5 m，利用小導(dǎo)管對初支背后積水進(jìn)行降排，待排水充分后，為進(jìn)一步固結(jié)初支背后土體，對 42 mm徑向小導(dǎo)管進(jìn)行固結(jié)注漿，并逐環(huán)向掌子面推進(jìn)，采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力為 0.5～1 MPa。

在不改變地層組成的前提下，將土層顆粒間存在的水強(qiáng)制擠出，使顆粒間空隙充滿漿液并固結(jié)。其注漿特性是使該土層黏結(jié)力、內(nèi)磨擦角值增大，使地層黏結(jié)強(qiáng)度及密實(shí)度增加，起到加固作用；顆粒間隙中充滿不流動而且固結(jié)的漿液后，可以使土層透水性降低，從而形成隔水層。

為確保隧道掌子面的穩(wěn)定，灌漿前對該段初支進(jìn)行加固，利用已有平臺，于起拱線附近架設(shè)鋼橫撐及斜撐，橫撐與平臺之間的間隙利用木板加固墊實(shí)。加固方式如圖2所示。

圖2 初支加固示意圖

4.3 塌腔回填

洞內(nèi)初支及背后土體注漿固結(jié)加固后，對坍塌里程地表進(jìn)行測量放樣，確定灌注孔及排氣孔的位置，采用地質(zhì)鉆機(jī)對已測定好的孔位進(jìn)行鉆孔，孔徑130 mm，鉆孔方向垂直于隧道洞身，鉆孔以鉆桿到達(dá)空腔頂部作為結(jié)束條件，詳細(xì)記錄鉆孔過程。

進(jìn)行地表C25混凝土回填灌漿前，根據(jù)鉆孔取得的數(shù)據(jù)，估算空腔體積、形狀，確定理論灌注量；為減輕混凝土回填過程中隧道塌方段初支背后受力，整個(gè)地表回填灌漿分多次進(jìn)行，首次灌注厚度不大于塌腔高度的1/3。為保證隧道后期運(yùn)營及地上建筑物安全，需確保塌腔部位回填充分后方可結(jié)束灌注。

灌注過程中洞內(nèi)應(yīng)暫停施工，防止因灌漿過程中初支背后受力過大，導(dǎo)致隧道掌子面初支變形、塌方擴(kuò)大等情況發(fā)生，且應(yīng)保持洞內(nèi)洞外聯(lián)絡(luò)暢通。

4.4 管棚超前加固施工

待回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，首先拆除洞內(nèi)臨時(shí)鋼支撐，搭建管棚施工平臺，施作超前大管棚。此次采用跟孔鉆進(jìn)的施工方法進(jìn)行管棚施工[2]。

自里程56+434開始在拱部180°范圍內(nèi)設(shè)置管棚，管棚長度12 m，管棚密排布置，管棚外插角為 5°～8°。

4.4.1 管棚施工參數(shù)

（1）施作范圍：拱部180°，每環(huán)管棚長度為12 m，管棚搭接長度4 m。

（2）鋼管規(guī)格：熱軋無縫鋼管 108 mm，壁厚6 mm。

（3）傾角：仰角8°（不包括隧道縱坡）。方向：與路線中線平行。

（4）管棚鋼筋籠：鋼筋籠主筋采用 20 mm螺紋鋼，每根管棚內(nèi)設(shè)3根，長度12 m，成等邊三角形布置，三角形邊長8 cm，箍筋采用 8 mm圓鋼，縱向間距30 cm。

4.4.2 施工準(zhǔn)備

（1）利用隧道洞口的現(xiàn)有場地實(shí)現(xiàn)“三通一平”。

（2）鋪設(shè)鉆孔平臺。利用鋼管搭建活動式管棚施工平臺，寬度與隧道寬度相同，長度從掌子面向洞口方向鋪設(shè)10 m，根據(jù)鉆孔位置調(diào)整到合適高度，鉆機(jī)要求與已設(shè)定好的孔口方向平行，鉆機(jī)位置必須嚴(yán)格按照施工要求設(shè)置。

4.4.3 施工方法及順序

（1）鉆孔施工。拱部180°施作管棚，拱頂范圍鋼管以隧道中心線為基礎(chǔ)上仰8°，用全站儀測定中線，水準(zhǔn)儀配合垂球吊線的方法測定仰角，準(zhǔn)確定位。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，若邊墻也需要施作則待拱部施工結(jié)束后再繼續(xù)下挖，進(jìn)行兩側(cè)管棚施工，直至結(jié)束。

開鉆時(shí)先低速低壓，等成孔幾米后再加速加壓。鉆進(jìn)過程中隨時(shí)檢查鉆孔方向的準(zhǔn)確度。

（2）按設(shè)計(jì)位置施工布置，鉆機(jī)立軸方向必須準(zhǔn)確控制，以保證孔口的孔向正確，鋼管隨著鉆頭的鉆進(jìn)入孔，鉆進(jìn)中應(yīng)經(jīng)常采用測斜儀量測鋼管鉆進(jìn)的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜及時(shí)糾正。

（3）入管。為使鋼管接頭錯(cuò)開，有必要對鋼管進(jìn)行鋼節(jié)編號。

4.4.4 超前管棚注漿

采用一次全鉆孔注漿，管棚注漿達(dá)到漿液擴(kuò)散半徑不小于0.5 m，根據(jù)土質(zhì)情況選定注漿方式，水泥漿水灰比1∶1。配置水泥-水玻璃雙液漿。注漿壓力：初壓0.5～1 MPa，終壓2.5 MPa。

4.5 開挖及初支

管棚注漿施工結(jié)束后，采用三臺階法進(jìn)行人工開挖，只清理自然滑下來部分，或?qū)λ又鼙谶M(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，厚度不小于10 cm。

初期支護(hù)采用I16型鋼鋼架，鋼架間距50 cm；上臺階鋼架設(shè)臨時(shí)橫撐，待下臺階鋼架落底成環(huán)后再進(jìn)行拆除。每榀鋼架設(shè)置 25 mm鎖腳錨桿，錨管長3 m，每榀設(shè)置8根。 8 mm鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm。采用 25mm縱向連接筋對鋼架進(jìn)行連接，環(huán)向間距0.5 m，噴射C20混凝土，厚度為15 cm。

為控制圍巖收斂及沉降變形，初支完成后及時(shí)對底板進(jìn)行封閉成環(huán)。底板擴(kuò)挖20 cm，底板鋼支撐及時(shí)封閉成環(huán)，并澆筑C25混凝土。

5 結(jié)語

（1）富水粉細(xì)砂層顆粒松散，無黏聚力，遇水極易液化，開挖過程中極易發(fā)生突涌塌方，對隧道結(jié)構(gòu)和施工人員設(shè)備造成極大的危害。

（2）土質(zhì)地層條件下，圍巖變化快，為加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)見性，在進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)應(yīng)對勘探點(diǎn)進(jìn)行加密，針對圍巖變化及時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整。

（3）針對在富水粉細(xì)砂層等極軟弱圍巖條件下的隧道突涌塌方處理，在塌落體清理前應(yīng)對其進(jìn)行加固，避免發(fā)生二次突涌塌方。

（4）處理過程中應(yīng)極其重視臨時(shí)支撐的施作，避免隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，危及人員安全。