二甲溝水庫引水隧洞冒頂處理方案

黃 勇

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 工程概況

本工程河流流域地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點(diǎn)十分明顯，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，常有凍害發(fā)生。

該流域降水主要受季風(fēng)影響，降水多集中在夏季，年內(nèi)分配不均，6-9月份降水量占年降水量的75%，其中7、8兩月降水量占年降水總量的54%左右；降水的年際變化較大，多年平均降水量為650mm，最大年降水量1114mm。年內(nèi)氣溫變化較大，多年平均氣溫在4.5℃左右，7月份最熱，絕對(duì)最高氣溫在39℃以上；1月份最冷，極端最低氣溫-40.4℃。流域內(nèi)水面蒸發(fā)一般在700-750mm，根據(jù)流域水文站實(shí)測(cè)冰情資料統(tǒng)計(jì)，多年平均封凍天數(shù)為141d左右。

引水隧洞大部分位于低山丘陵區(qū)；進(jìn)、出口位于低山與臺(tái)地接觸部位，山體由華力西晚期花崗巖組成，洞軸線地表大至呈波狀起伏，第1波峰垂足距離進(jìn)口約150m，山頂距離洞頂最大高度49m左右，第2波峰垂足距離進(jìn)口約1500m，山頂距離洞頂最大高度79m左右，兩個(gè)波峰之間為山間臺(tái)地寬度約300m左右。

隧洞沿線部分洞段穿過山間臺(tái)地處洞頂埋深一般為15-20m；上部巖性為有機(jī)質(zhì)低液限黏土，厚度為9m左右，下部為全、強(qiáng)、弱風(fēng)化巖體，總厚度6-11m(局部<5.0m)；冒頂處地表為水田，受多年浸泡，土體及基巖處于飽水狀態(tài)，洞軸線沿線巖性以強(qiáng)、弱粗?；◢弾r為主，存在施工安全隱患；據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)P124規(guī)定，當(dāng)Rb≤30MPa時(shí)，屬于軟質(zhì)巖；結(jié)合規(guī)范表N.0.2規(guī)定，本隧洞以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主；冒頂處圍巖為褐色、0.2-0.4m塊狀結(jié)構(gòu)，棄渣呈風(fēng)化砂狀、個(gè)別殘余的巖塊可捏碎，掌子面多處滴水[1]。

通河縣二甲溝水庫為中型工程，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物攔河壩、溢洪道、取水塔為3級(jí)，按100a一遇洪水設(shè)計(jì)、2000a一遇洪水校核。引水隧洞為4級(jí)，引水隧洞最大引水流量為17.0m3/s。

二甲溝水庫引水工程全長(zhǎng)9912m，水流從位于岔林河右岸萬發(fā)屯對(duì)岸的凹岸處的岔林河萬發(fā)屯渠首進(jìn)水閘引入，通過上游渠道、無壓引水隧洞以及下游渠道進(jìn)入水庫庫區(qū)內(nèi)。引水隧洞長(zhǎng)度2410m，進(jìn)口設(shè)計(jì)水位152.18m，出口設(shè)計(jì)水位150.84m，進(jìn)口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式為城門洞形，設(shè)計(jì)水深2.4m，底寬4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，隧洞永久支護(hù)襯砌采用鋼筋混凝土襯砌。

2 冒頂情況

引水隧洞開挖至樁號(hào)0+628處，晚10時(shí)爆破后，發(fā)現(xiàn)棄渣為砂狀，頂拱右側(cè)滲水嚴(yán)重，在清除棄渣后，立即進(jìn)行鋼拱架支護(hù)。

第二日凌晨，現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)掌子面右上方頂拱有小部分散體巖石掉落，隨后施工人員撤離至安全地段觀察圍巖情況，約10分鐘后，隧洞頂拱出現(xiàn)較大面積巖體塌落，隨后該部位持續(xù)有巖體塌落，施工方立即停止施工并向監(jiān)理、業(yè)主匯報(bào)。

當(dāng)日上午巖體停止塌落，經(jīng)過測(cè)量隧洞樁號(hào)0+627-0+632范圍頂拱巖體塌落，距支護(hù)頂拱最大高度為5.0m，底寬4.5m；施工人員無法靠近。塌方持續(xù)至晚上，塌落散體將整個(gè)斷面封堵，塌方體堆至上游0+600處。隧洞內(nèi)塌落散體，塌落散體呈泥沙狀、流動(dòng)大、塌落散體及頂拱以上土體含水量均處于飽和狀態(tài)。

第三日清晨，施工人員巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)引水隧洞樁號(hào)0+629頂部地表塌陷，塌陷地面坑直徑11m，深5m，隧洞冒頂處覆蓋層厚度為15m。

3 原因分析

1)降水影響：受近期降雨影響，隧洞頂部冒頂處為山體鞍部，地面處為稻田地，東側(cè)為稻田及沼澤地段，南側(cè)、西側(cè)50m處為林地，北側(cè)30m為山區(qū)林地，地面右側(cè)30m處塘壩，右后方40m處塘壩，左側(cè)50m處塘壩蓄水量較大，水深2-4m不等，其中兩處塘壩水深超過4m，塘壩積水已出槽，冒頂處位置北部25m處排水溝流量8.0m3/min，均為林業(yè)部門管理林地。

2)地質(zhì)影響：地質(zhì)專業(yè)人員鑒定冒頂處位置為Ⅴ類圍巖。從冒頂處揭露出地面以下第一層為腐殖土，含水豐富，呈泥狀，厚度0.5m；第二層為砂層呈黃色，厚度1.1m，該層含水量較少無明顯水流痕跡，但局部夾層有水流涌出，無法截?cái)?；第三層為褐色泥砂層平均含砂?%，厚度7m，該層含水量較大，整體透水性較差，局部夾層有水流涌出，無法截?cái)?；第四層為?qiáng)風(fēng)化巖石層，開挖后為粗?；◢弾r，呈砂狀，該層穩(wěn)定性較差，石裂隙有水流，流量約10L/min，距地表總厚度15.0m(隧洞沿線覆蓋層最薄處，同時(shí)物探成果顯示有破碎帶穿過)；一至三層開挖坡比1∶1.5，強(qiáng)風(fēng)化巖石層開挖坡比1∶0.75；隧洞內(nèi)整體處于弱富水區(qū)，地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水總體并不發(fā)育，但隧洞開挖后引起地下水滲流場(chǎng)的改變，由于地下水對(duì)結(jié)構(gòu)面的軟化、泥化，降低了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，使巖體沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生變形破壞。

4 冒頂處理方案

1)在施工中采取相應(yīng)措施排除地表及洞內(nèi)積水；冒頂頂部設(shè)置防雨棚(防止降水直接進(jìn)入冒頂處，造成塌方體進(jìn)一步擴(kuò)大)；冒頂四周設(shè)置臨時(shí)排水溝；加固冒頂處隧洞上游10m段已有鋼拱架。

2)加固塌方體、加固冒頂邊坡(從上到下進(jìn)行修坡，使冒頂處形成漏斗狀，保證塌方處不再擴(kuò)大)。

3)對(duì)塌方體開挖成型后，立即進(jìn)行鋼拱架支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌(邊墻和頂拱)工作，洞內(nèi)采用20a工字鋼制成的鋼拱架每榀間距50cm進(jìn)行支護(hù)，每榀鋼拱架設(shè)置4根φ25螺紋鋼鎖腳，拱架間設(shè)置φ25螺紋鋼焊接，防止邊坡土體突然滑落影響洞內(nèi)鋼筋綁扎和混凝土澆筑施工；對(duì)冒頂處頂拱及邊墻采用有效厚度1m鋼筋混凝土襯砌，布設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)，頂拱和邊墻內(nèi)部預(yù)留空間尺寸可保證洞內(nèi)后續(xù)襯砌時(shí)臺(tái)車施工要求。

4)待冒頂處洞內(nèi)混凝土襯砌完成強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后對(duì)頂拱回填2m厚黃黏土，分層夯實(shí)，再將地表沉陷的砂土回填至地表以上30cm。

5)洞內(nèi)清除塌方體至掌子面后，對(duì)掌子面采用超前導(dǎo)管注漿、超前小導(dǎo)管采用Φ42mm無縫鋼管制作，管深鉆Φ8mm注漿孔，每排4個(gè)，間距10cm梅花形布置，小導(dǎo)管外傾15°深入巖石3m，外露0.4m,每排23根頂拱180°內(nèi)布置，每排重疊1m；鋼拱架采用20a工字鋼，每榀間距≤1m,每榀鋼拱架間用Φ20mm鋼筋焊接相連，每排30根，單根長(zhǎng)1.2m平均布置，每榀鋼拱架4根鎖腳錨桿，錨桿深入巖石3m。導(dǎo)管內(nèi)插入φ25螺紋鋼加固的方式為下一步開挖工作進(jìn)行超前支護(hù)。

6)后續(xù)的不良地質(zhì)段施工要求預(yù)支護(hù)、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快襯砌、勤檢查勤觀測(cè)[2]。

在工程后續(xù)施工中需強(qiáng)調(diào)幾點(diǎn)要求：做好隧洞掌子面超前支護(hù)，增加超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，隧洞開挖過程中施工技術(shù)人員要更好的掌握隧洞上部地表地形情況、結(jié)合天氣預(yù)報(bào)做好施工準(zhǔn)備工作；隧洞施工爆破人員提高未開挖隧洞圍巖類別的預(yù)判能力，與地質(zhì)專業(yè)人員密切配合。冒頂現(xiàn)狀圖及冒頂處理斷面圖見圖1和圖2。

圖1 冒頂部位示意圖

圖2 冒頂處支護(hù)處理斷面圖

5 施工開挖方案研究

結(jié)合冒頂情況對(duì)后續(xù)施工還有幾處類似淺埋隧洞不良地質(zhì)段需進(jìn)一步研究施工開挖方案，因此施工開挖方案需進(jìn)行比選確定。目前國內(nèi)類似淺埋隧洞開挖方式主要有：盾構(gòu)法、頂管法、明挖法、人工鉆爆法[3]。因隧洞較短、施工工期、投資等因素盾構(gòu)法不適合在本工程中作為備選方案，不作為比選方案論述，詳見表1。

表1 開挖方案比選

綜合3種開挖方案，淺埋隧洞不良地質(zhì)段開挖采用人工鉆爆法預(yù)支護(hù)、短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快襯砌方案最優(yōu)，在隧洞進(jìn)一步開挖前做好預(yù)加固措施，確保后續(xù)洞段施工開挖安全進(jìn)行。后續(xù)淺埋隧洞不良地質(zhì)段處理詳見圖3、圖4。

圖3 超前支護(hù)斷面圖

6 結(jié) 語

經(jīng)過20余天施工處理，克服了地質(zhì)條件、交通條件等不利條件限制，頻繁降雨等不可抗力因素影響，施工現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化管理、保證施工工序嚴(yán)格執(zhí)行，在無人員傷亡、保證安全的前提下順利完成了冒頂處理，目前引水隧洞已貫通，沒有再發(fā)生冒頂，參照其他工程項(xiàng)目類似情況，搶險(xiǎn)時(shí)間是靠前的，處理過程是順利的、安全的、成功的，對(duì)北方低山丘陵區(qū)類似工程設(shè)計(jì)及施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。