山西東山供水某隧洞淺埋段塌方冒頂處理方案

李 智

（山西省東山供水工程建設(shè)管理局 山西太原 030000）

1 工程概況

山西東山供水工程某引水隧洞全長5.36 km，設(shè)計斷面為城門洞型（3.5 m×4 m）、設(shè)計縱坡1/3 000，采用鉆孔爆破法施工，隧洞二次襯砌采用鋼筋混凝土進行全斷面襯砌。其中約有500 m 為穿越古河道淺埋洞段，洞頂覆蓋層厚15～20 m，其中強風(fēng)化泥巖層厚度1～2 m。

2 塌方情況及原因分析

隧洞施工至樁號SBE4+356 處時掌子面發(fā)生突水突泥繼而引起塌方，塌方在洞內(nèi)形成約50 m 的塌方堆積物；同時在地表形成直徑約9～10 m、深度7 m左右的橢圓形塌坑。

為盡快精確掌握塌方段地質(zhì)情況、查明塌方原因，制定合理的處理方案，塌方發(fā)生后在塌方洞段附近上下游進行了地質(zhì)鉆孔發(fā)現(xiàn)：該洞段地層巖性為第四系全新統(tǒng)洪沖積物，表層為淡黃色低液限粉土，其下為卵石混合土，下伏強風(fēng)化泥巖、破碎砂巖層，地下水位埋深約1～2 m[1]；開挖掌子面揭示強風(fēng)化泥巖層位于隧洞拱頂部位，洞身在砂巖層中穿過，節(jié)理發(fā)育破碎，為V 類圍巖且洞內(nèi)滲水嚴(yán)重。洞內(nèi)爆破施工對拱頂強風(fēng)化泥巖層結(jié)構(gòu)造成振動破壞，上部低液限粉土層及砂卵石混合土層失去有效支撐，在自重及地下水影響下，超前支護無法有效阻止地下水?dāng)y帶細(xì)小泥沙顆粒從泥巖破碎層裂隙流失，繼而突泥涌水，從而導(dǎo)致塌方的發(fā)生。

3 處理方案

3.1 地表塌坑處理

為避免塌坑存在安全隱患及對后續(xù)處理提供操作平臺，對地表塌坑采取回填處理。1）為防止由于地表回填壓重引起洞內(nèi)已擾動的不穩(wěn)定區(qū)域形成二次涌泥，回填處理前先用沙土袋對洞內(nèi)塌方堆積物進行反壓加固穩(wěn)定，沙土袋采用一丁一順砌筑，直至將掌子面封閉，為保障沙袋的整體穩(wěn)定，每施工4 層沙袋，在沙袋頂面鋪一層鋼管網(wǎng)，縱橫間距為1 m×1 m，在鋼管網(wǎng)的角部施工鋼管固定樁，梅花形布設(shè)，長度為1 m，外露端長度為15 cm，根據(jù)現(xiàn)場情況進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；2）洞內(nèi)加固完成后，地表塌坑采用2 m 厚C20 素混凝土鋪底，再用10%水泥土回填恢復(fù)原地表，并高出原地表15cm 作為預(yù)留沉降高度。塌坑處理坡腳壓重處理見圖1。

圖1 塌坑處理坡腳壓重處理圖

3.2 地表注漿方案

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況，采用套閥管注漿法對洞身及頂拱以上強風(fēng)化巖層、卵石混合土層進行注漿加固，增強圍巖穩(wěn)定性，確保在隧洞上部形成穩(wěn)固的“保護殼”，同時起到隔水、堵水效果，以保證隧洞安全施工。

3.2.1 注漿孔位布置

為使隧洞拱頂及兩側(cè)形成有效、穩(wěn)固的“安全殼”，對隧洞軸線兩側(cè)各5 m、起拱線以上7 m 及起拱線以下3 m 范圍內(nèi)的卵石混合土層及洞身部位的強風(fēng)化泥巖進行深孔注漿加固、注漿孔梅花形布設(shè)，排間距1.5 m。沿洞軸線方向共18 排，垂直洞軸線方向共15 排。注漿范圍及注漿孔具體布置見圖2、圖3。

圖2 塌方段地表注漿處理范圍圖

圖3 地表注漿孔位布置圖

3.2.2 施工方法

1）施工準(zhǔn)備

對注漿段地表進行清理、平整，為后續(xù)注漿提供施工操作面，利用全站儀測放出需注漿加固處理的區(qū)域及注漿孔的位置，在注漿孔位打設(shè)木樁并編號定位，鉆機就位時通過垂球定點，確保定位準(zhǔn)確，鉆孔按照由左向右、由小里程向大里程依次編號。

2）成孔

采用100 型工程地質(zhì)鉆孔施工，按照孔位編號依次進行鉆孔。為避免上部松散覆蓋層中出現(xiàn)鉆孔坍塌及卡鉆現(xiàn)象，在該段地層中低轉(zhuǎn)速鉆進并采用防護套筒；待進入下部泥巖及砂巖層后正常鉆進。成孔深度比設(shè)計深度深20～30 cm。

3）套殼料

為防止在注漿過程中袖閥管損壞、變形，在鉆孔到達(dá)設(shè)計標(biāo)高以后，利用鉆桿向孔內(nèi)注入套殼料對袖閥管進行保護，高度控制在需注漿加固段以上30 cm。

4）清孔

采用加壓清水對鉆孔進行沖洗，將孔內(nèi)的泥漿和沉渣沖出孔外，待孔口返出清水時清孔結(jié)束。

5）袖閥管

清孔結(jié)束后方可下袖閥管，袖閥管下部為帶射漿孔的注漿段花管，注漿范圍以上為無注漿孔的實管，花管每隔33 cm 有一組6～8 個射漿孔。袖閥管口高出地面約40 cm。

6）封口

采用配制好的填充料封堵袖閥管與孔壁之間的空隙，填充封堵深度不小于1.5 m。

7）下注漿管

將帶有雙層阻塞口的注漿管沿袖閥管下到注漿位置，由于注漿范圍較深，該段注漿采用自下而上分段進行。

8）漿液制備

注漿采用水泥凈漿，水泥采用42.5R，由于洞內(nèi)滲水量較大，為避免漿液順?biāo)魇В冶瘸醪蕉?.9～1，具體水灰比根據(jù)灌漿過程中壓力、反漿等灌注情況及時調(diào)整。水泥漿必須按比例拌合，不間斷攪拌時間不小于5 min，并注意在注漿過程中不停緩慢攪拌。

9）注漿

為保證各分段之間在注漿過程中不串漿，注漿前需進行有效封孔。套殼料達(dá)到可注漿強度后，開始注漿，注漿自下而上分段進行，分段長度為2.0 m，注漿擴散半徑為1.0～1.5 m。初始注漿壓力為0.5～1.0 MPa，具體壓力根據(jù)隧洞處地下水壓力及注漿范圍地質(zhì)情況及時調(diào)整。注漿速度控制在20～70 L/min 之間，在注漿過程中做好施工記錄，包括孔位、漿液配合比、注漿壓力、注漿量、跑漿、串漿等情況及其說明，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。注漿施工順序為：從小里程樁號向大里程、從邊孔逐步向里依次進行，確保注漿范圍內(nèi)漿液密實。

10）注漿完成條件

單孔注漿完成條件由注漿壓力和完成時注漿量控制。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：注漿壓力逐步升高，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓（1.0 MPa）并保持注漿10 min 以上，漿液注入量小于5 L/min[2]，即可停止注漿。全段結(jié)束條件為：所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，且無漏注。周邊孔在1.0 MPa 壓力下，持續(xù)3～4 次；中間孔按0.5～1.0 MPa 控制，持續(xù)3 次。

4 注漿效果

注漿完成后在注漿范圍內(nèi)進行了鉆孔取樣，通過塌方段地表注漿加固，有效地提高了隧洞頂部的覆蓋層的整體性、在隧洞頂部形成了具有一定承載力、相對穩(wěn)固的“保護殼”，同時起到一定的隔水、堵水效果，減小了洞內(nèi)涌水量，為順利通過塌方段提供了有力的支撐。

5 后續(xù)施工防范、控制措施建議

地表注漿加固完成后，為減小后續(xù)洞內(nèi)爆破開挖對地表加固層的擾動破壞，后續(xù)洞內(nèi)施工應(yīng)遵照“減小爆破擾動、縮短開挖進尺、加強洞內(nèi)外監(jiān)測、及時跟進支護”的原則進行施工控制：1）調(diào)整爆破參數(shù)，在爆破邊線附近預(yù)留一部分周邊空炮孔，不裝藥，起到爆破緩沖作用；減小炮孔裝藥量，每次爆破進尺控制在0.5 m 左右；2）超前小導(dǎo)管的外插角度可適當(dāng)擴大，以便擴大小導(dǎo)管的超前支護范圍，根據(jù)現(xiàn)場涌水情況，適時增加小導(dǎo)管注漿；3）做好地表沉降及洞內(nèi)已支護斷面的變形觀測，洞內(nèi)監(jiān)測點設(shè)置在鋼拱架的頂部及側(cè)邊墻；4）清渣完成后及時進行鋼拱架支護、鋼筋網(wǎng)掛設(shè)及噴射混凝土封閉拱頂及側(cè)墻裸露開挖面，對開挖面進行防護支撐，防止圍巖變形。