大同市馬蹄山輸水隧洞5號支洞塌方處理

吳葉菲

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

大同市天陽盆地地下水置換工程馬蹄山輸水隧洞，起點位于陽高縣東小村鎮(zhèn)西營村南約1.0 km處的西營儲水池，終點位于天陽盆地西南部滴滴水村南的管線末端調(diào)節(jié)閥室，輸水隧洞總長13.63 km。其中5號支洞開挖斷面為“城門洞”型，洞長404.94 m，底寬4.0 m，高3.63 m，直墻段高2.3 m，設(shè)計縱坡11.104%，為土洞掘進。

塌方段樁號0+232.5—0+240段，塌方長度約8 m，塌方空腔沿設(shè)計開挖輪廓線頂部塌落高度約8 m，左、右兩側(cè)約4.5～6 m，按照現(xiàn)場塌腔斷面量測，塌方空腔體積約856 m3。見圖1。

圖1 塌方段立面示意圖

2 塌方原因與處理方案

2.1 工程地質(zhì)

塌方段（樁號0+232.5—0+240），圍巖類別為Ⅴ類圍巖（土洞），圍巖性質(zhì)為第四系上更新統(tǒng)洪積低液限粘土、低液限粉土夾砂層。塌方前掌子面土層為褐黃色，可塑狀，起拱以上為約1 m厚的松散中細(xì)砂層，砂層之上為低液限粉土，質(zhì)地疏松。

該洞段處于地下水位以下，在施工過程中，樁號0+130處出現(xiàn)滲水，并隨著掘進里程增加而增大。

2.2 塌方原因分析

2.2.1 滲透水流的影響

在滲透水流作用下，砂層不斷地被水流沖蝕、淘蝕，洞頂上方形成空腔，并隨著沖蝕不斷擴大，空腔上方持續(xù)有較大土塊墜落，導(dǎo)致一次支護的鋼拱架被砸壞。

2.2.2 不良地質(zhì)因素的影響

塌腔頂部的褐色低液限粘土中，分布3～15 mm寬的黃色條帶（不同顏色，說明不是褐色低液限粘土本體，而是上方的黃色土充填其中），其中沿洞軸向的“X”形土體節(jié)理，交角約20°，銳角平分線向洞軸線偏右約15°，塌落塊體可見細(xì)微擦痕。

分析上述現(xiàn)象，節(jié)理可能是土體受壓所形成。這些節(jié)理在比較密實均勻的土層中起到了切割分離的作用，致使原本比較均勻密實的土層不斷地產(chǎn)生大塊土體坍塌（塌落土塊體積約0.4～1.0 m3，呈方形），形成大規(guī)模的塌方，之后幾天滲水明顯增大，滲水通道進一步打通。

2.3 塌方處理原則

（1）安全性：確保施工安全和后期車輛運輸安全；

（2）可操作性：充分考慮現(xiàn)場機械裝備狀況和操作人員的技能水平，并盡可能降低施工難度；

（3）靈活性：根據(jù)斷面尺寸和形狀，因地制宜合理選擇施工方法；

（4）可連續(xù)性：兼顧塌方段前后施工方法的不同，能順利地進行施工工藝轉(zhuǎn)換；

（5）時間段：沉降處理周期越短越好；

（6）經(jīng)濟性：在保證安全、質(zhì)量的前提下投入最節(jié)約。

2.4 施工技術(shù)參數(shù)

（1）空腔體填充材料為新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料，此種材料是針對密閉墻、隧洞冒頂、隧洞頂部塌方采用的一種方便、高效的化學(xué)填充材料，生成物為泡沫固化物，具有一定的抗壓強度，隨地質(zhì)壓力越大而氣密性越高；在反應(yīng)過程中，反應(yīng)強度大，強力快速發(fā)泡成型，可堆積；是一種無毒、無味、無污染、無腐蝕性且阻燃的材料；施工簡單方便、安全可靠，單方充填性價比高。主要特性見表1。

表1 新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料特性表

（2）新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料，充填空腔注漿壓力為0.3～0.5 MPa；注漿管選用直徑15 mm鋼管，每節(jié)長度1～2 m，管與管之間絲扣連接，注漿管直接延伸到塌方體頂部1～2 m范圍內(nèi)，梅花型布置，間排距100 cm×100 cm。

（3）塌方空腔體充填完畢后，按照5號支洞設(shè)計斷面進行一次支護。

3 施工方法

3.1 施工流程

施工準(zhǔn)備。安裝新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料充填設(shè)備，形成注漿系統(tǒng)。

鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定鉆孔位置，采用TB 28風(fēng)動鉆機進行鉆孔，孔徑18 mm。

安裝填充管。將直徑15 mm填充管，用絲扣連接并固定在填充孔中，連接風(fēng)管和料管形成一個填充系統(tǒng)。

填充新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料。新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料，分為A、B兩種材料，按照1 000 kg發(fā)泡15 m3的比例標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場進行調(diào)試。調(diào)試完成后，將吸料管插入料筒底部，首先開啟A料氣動閥，當(dāng)A料在出料口流出時關(guān)閉A料氣動閥，開啟B料氣動閥，當(dāng)B料在出料口流出時關(guān)閉B料氣動閥；然后同時開啟 A、B 料氣動閥，按照充填 2∶1、加固 1∶1的比列調(diào)試A、B料的流量，當(dāng)比例調(diào)試穩(wěn)定后關(guān)閉A、B氣動閥，迅速接入注射槍，將調(diào)配好的漿液利用注漿泵注入注漿孔內(nèi)。

凝固。每次5000kg充填料填充結(jié)束后，待凝10～30min。

循環(huán)充填。待新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料漿液凝固后，進行循環(huán)填充，直到把整個空腔體填充滿。

空腔體側(cè)幫處理。頂部空腔體處理完畢后，對空腔體側(cè)幫進行加固處理。用HZ-60挖掘機配合人工，把高度為2.3 m的14號工字鋼和10號鋼板，沿洞軸線方向兩側(cè)按照間距200 mm進行布置，在設(shè)計輪廓線外側(cè)0.5 cm處，形成一個封閉圈，以阻擋淤泥，封閉圈里側(cè)的淤泥人工進行清理，清理過程中保證排水作業(yè)正常工作。

一次支護。塌方空腔體填充完畢后，按照5號支洞設(shè)計斷面和技術(shù)參數(shù)要求進行一次支護。

一次支護采用18號工字鋼拱架，按照設(shè)計斷面尺寸進行封閉式支護，間距50 cm；拱架之間采用直徑20 mm聯(lián)系筋進行加密，間距30 cm；拱架鋼筋網(wǎng)片采用直徑8 mm鋼筋對頂部和側(cè)幫進行布設(shè)，間排距200 cm×200 cm；拱架支護完畢后噴護混凝土，頂拱噴護厚度由原設(shè)計18 cm增加到30 cm，側(cè)幫噴護混凝土厚度由原設(shè)計18 cm增加到68 cm。

3.2 進度計劃和資源配置

3.2.1 進度計劃

根據(jù)現(xiàn)場情況，5號支洞塌方段樁號0+232.5—0+240處理施工準(zhǔn)備1 d，填充施工7 d，支護施工8 d，共計16 d。

3.2.2 材料計劃

塌方段空腔體約856 m3，所用主要材料包括新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材料、直徑15 mm注漿管、18號、14號工字鋼、直徑20 mm、直徑8 mm鋼筋及混凝土原材料等。

3.2.3 施工設(shè)備

主要施工設(shè)備包括挖掘機1臺、出渣車1臺、裝載機1臺、20 m3空壓機2臺、混凝土噴射機1臺、2ZBQ-8/16型氣動高壓雙液注槳泵1臺等。

3.3 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢查驗收

5號支洞樁號0+232.5—0+240塌方段，空腔體約856 m3，填充材料選用新型聚氨酯高分子發(fā)泡化灌材填充，質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)參照《煤礦充填密閉用高分子發(fā)泡材料》（AQ 1090-2011）執(zhí)行。

塌方段鋼拱架支護工序，對拱架材料規(guī)格、材質(zhì)、制作、安裝穩(wěn)定性、垂直度、間距、軸線偏差、連接等項目嚴(yán)格按照《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》（SL 176-2007）相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

噴射混凝土工序?qū)κ車娒媲謇怼⒒炷列阅?、噴層厚度及均勻性、密實性、表面平整度及養(yǎng)護等項目，嚴(yán)格按照《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》（SL 176-2007）相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

5號支洞樁號0+232.5—0+240塌方段處理檢查驗收，按照專項施工方案、合同文件技術(shù)條款規(guī)定及相關(guān)規(guī)范要求，對施工質(zhì)量進行檢查、校測和驗收，驗收合格后，進行后續(xù)工程施工。

4 結(jié)語

在地質(zhì)情況復(fù)雜的隧洞施工中，應(yīng)掌握詳細(xì)的地質(zhì)資料，同時針對不同地質(zhì)情況制定洞挖方案及支護措施，防止因制定措施不當(dāng)和冒進施工造成塌方；洞室塌方時不能冒然出渣，應(yīng)視實際情況盡快對塌方部位進行表面封閉，保持其自結(jié)穩(wěn)定性，同時減少擾動次數(shù)，避免二次塌方；塌腔處理完畢后，及時跟進一次支護，保證該段圍巖穩(wěn)定安全。