遼西北供水二期工程柴河供水施工三標1-9號支洞控制段地面塌陷處理

劉 歡

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

喀斯特地區(qū)地面塌陷是一種較為常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]，在喀斯特地區(qū)進行工程建設的情況非常普遍[2]。因地質(zhì)復雜性，水工輸水隧洞突泥、涌水現(xiàn)象頻發(fā)，隧洞長期排水，在斷層、喀斯特、地下水等地質(zhì)條件共同作用下，地面發(fā)生塌陷。遼西北供水二期工程柴河供水施工三標1-9號支洞控制段因突泥、涌水造成地面塌陷，采用洞內(nèi)外結合處理的方式，解決了工程問題，可為以后水工隧洞處理因突泥、涌水造成的地面塌陷問題提供借鑒。

1 工程概況及塌陷情況

1.1 工程概況

遼西北供水工程項目是根據(jù)遼寧省水資源東多西少的特點,將東部的豐沛水資源向中、西部配置,從遼寧東部引水至遼西北地區(qū)的一項大型跨流域輸水工程[3]。柴河水庫供水施工三標主洞線總長14570m，城門洞形，3.6m×4.3m(寬×高)。區(qū)間共布置4個支洞，其中1-9號支洞投影長838.08m，控制段主洞樁號范圍為S21+550～S24+934，洞室埋深約78～136m。工程區(qū)地層主要為薊縣系鐵嶺組和第四系地層，第四系地層主要為全新統(tǒng)坡洪積、沖積黏性土含少量碎石，覆蓋于薊縣系鐵嶺組巖層之上。工程區(qū)推斷斷層F1、F2、F3共3條，F(xiàn)1、F2兩條斷層中間地帶，即兩條斷層共用下降盤推斷為巖溶構造破碎帶。

1.2 塌陷情況

工程區(qū)2017年6月7日第一次涌水，涌水位置為隧洞開挖右側(cè)洞底揭露溶蝕構造處(溶洞0.4m)，現(xiàn)場測涌水量約3m3/min，無突泥，持續(xù)近一個月后進行阻水灌漿。2017年8月12日第二次涌水及突泥，出水量5.3m3/min，突泥量1177.42m3，采取引排方案后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2019年8月12日第三次涌水及突泥，突泥量約2691m3，突泥成分為地表第四系松散堆積粉質(zhì)黏土，說明自地表至洞室部位已形成基本固定連通通道，且具備一定的規(guī)模。2019年9月—2020年2月逐漸發(fā)現(xiàn)塌陷，塌陷統(tǒng)計見表1，塌坑分布見圖1。

圖1 塌坑分布示意圖

表1 地面塌陷坑統(tǒng)計

2 塌陷原因及發(fā)展趨勢分析

2.1 塌陷原因

2.1.1 本段喀斯特發(fā)育情況

從區(qū)域地質(zhì)資料和本區(qū)巖性、地下水活動情況及鉆探、開挖揭露的地質(zhì)情況看，本區(qū)巖性屬變質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r，喀斯特發(fā)育中等，不具備強烈喀斯特發(fā)育條件和較大喀斯特溶洞，鉆孔最大可見洞徑2～3m，一般小于1m，溶洞及溶蝕裂隙一般沿斷裂構造發(fā)育，

多為溶蝕裂隙。已有溶洞及溶蝕裂隙多為泥沙充填型，未見地下土洞，這和天然狀態(tài)下地下水排泄基準面高程有關，根據(jù)歷史調(diào)查，隧洞開挖前附近未發(fā)生較大規(guī)模塌陷。

2.1.2 水文地質(zhì)分析

工程區(qū)地下水類型主要為喀斯特水，主要補給來源是大氣降水和地表水，徑流通道包括裂隙、喀斯特管道及孔洞，一般均為淺循環(huán)，局部斷層構造帶內(nèi)則存在深循環(huán)。最早出現(xiàn)突涌后1.1km范圍內(nèi)上升泉、水井均出現(xiàn)干枯現(xiàn)象。

2.1.3 洞內(nèi)開挖、排水、排泥影響因素分析

地表塌陷前的長期人居歷史中未發(fā)現(xiàn)地表塌陷現(xiàn)象，洞室開挖突泥排水，使原本多為充填狀態(tài)的古老喀斯特塌陷區(qū)松散物質(zhì)在洞室附近開始流失，形成空腔，隨著時間推移，土體變形從底部向上發(fā)展，直至地表，當?shù)乇聿糠肿冃纬^土體強度時，發(fā)生地表塌陷。

綜上所述，地面塌陷是在洞內(nèi)長期排水、突泥條件下，斷層、喀斯特、地下水等地質(zhì)條件共同作用下的結果。

2.2 發(fā)展趨勢

從已處理塌陷回填方量較洞內(nèi)突泥總量少約2000余m3來看，地下仍存在未完成沉降塌陷的空腔?？涨惑w積基本等于泥沙排出的體積(可能略大些，可考慮1.5～2.0倍系數(shù))。

由于洞內(nèi)持續(xù)排水，地面黏性土以下和下部巖體內(nèi)產(chǎn)生的空腔未得到及時回填，在地下水作用及巖土體作用下，會產(chǎn)生新的塌陷，但塌陷位置基本圍繞斷層發(fā)育帶或在已有塌陷范圍附近。

地面塌陷將對農(nóng)田、林地及房屋、道路產(chǎn)生影響，威脅洞室安全，同時嚴重破壞地下水環(huán)境。塌陷影響分區(qū)見圖2。

圖2 地面塌陷環(huán)境影響分區(qū)

嚴重影響區(qū)：主要為受到影響的居民區(qū)，此區(qū)有11戶居民，影響對象主要為居民房屋和村內(nèi)道路。

中等影響區(qū)：為現(xiàn)狀已經(jīng)出現(xiàn)塌陷的耕地區(qū)域，影響對象為耕作作物。

一般影響區(qū)：若處理不及時，有可能進一步造成中等以上環(huán)境影響的區(qū)域，包括部分居民區(qū)、耕地區(qū)和林地區(qū)。

其他影響區(qū)：其他有可能產(chǎn)生次生影響的區(qū)域。

3 洞內(nèi)外處理方案

塌陷處理的基本原則為：先洞內(nèi)，后地面，同時開展長期監(jiān)測。

3.1 洞內(nèi)處理

本段洞室出水點上下游開挖、初期支護已完成，為保證隧洞運行檢修時安全穩(wěn)定，在地面出現(xiàn)塌陷后根據(jù)洞內(nèi)出水情況及涌水壓力，重新復核隧洞襯砌外水水頭對隧洞永久襯砌的影響，對塌陷影響范圍內(nèi)的襯砌結構進行加強。

洞內(nèi)涌水部位的封堵在襯砌施工完成后結合襯砌固結灌漿對涌水點上下游洞室圍巖進行加固并阻水，根據(jù)對洞軸線附近塌陷區(qū)域的影響及洞內(nèi)阻水灌漿效果評價確定本洞段固結灌漿加固范圍，固結灌漿由確定好的樁號兩端向涌水點灌注，同時觀察灌漿鉆孔的出水情況，并進行固結及阻水灌漿。

3.1.1 隧洞結構設計復核

本工程段主洞為圓形有壓隧洞，內(nèi)徑3.9m，采用HRB400鋼筋，混凝土強度等級為C35，襯砌保護層厚度50mm，襯砌混凝土結構按限裂設計，有壓隧洞按限裂寬度為0.25mm進行限制。對工程的持久、短暫、偶然狀況均應按承載極限狀態(tài)設計[4-5]，并利用電算法程序《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計軟件用戶手冊》SDCAD5.1進行襯砌計算，結果見表2。

表2 1-9號主洞混凝土襯砌內(nèi)力及裂縫計算成果

根據(jù)現(xiàn)場出水情況及地面物探結果，以及斷層F2產(chǎn)狀分布穿越洞室的范圍及塌陷區(qū)域在地質(zhì)剖面圖中的投影長度，襯砌加強段需跨越上述影響范圍，擬定襯砌加強段樁號為S24+251～S23+850，加強段長度為出水點上游120m至下游281m，總長度為401m，加強段襯砌厚度不做調(diào)整，襯砌配筋由原設計單層配筋調(diào)整為雙層配筋，配筋調(diào)整見圖3。

圖3 Ⅲ類加強段襯砌配筋

3.1.2 洞內(nèi)灌漿設計

灌漿水泥等級不低于P·O 42.5；拌漿水的溫度不得高于40℃，接觸灌漿拌漿水的溫度不得高于20℃[6]；砂應為質(zhì)地堅硬的天然砂或人工砂，粒徑不宜大于2.5mm，細度模數(shù)不宜大于2.0，SO2含量宜小于1%，含泥量不宜大于3%，有機物含量不宜大于3%；黏性土塑性指數(shù)不宜小于14，黏粒(粒徑小于0.005mm)含量不宜少于25%。

襯砌固結范圍擬定為樁號S24+130.1～S24+180，下游灌漿長度為50m；根據(jù)出水點上游地表物探情況及地面塌陷區(qū)域分布，上游洞室穿越F2斷層，順水流方向左側(cè)塌陷區(qū)域較為集中，鑒于上述情況襯砌加強段為300m，擬定固結樁號為S24+130.1～S23+930，上游灌漿長度為200m。

固結灌漿順序：由兩端樁號S24+180、S23+930分別向涌水點進行分序推進，隧洞360°全周設置灌漿孔，灌漿孔排距為3.0m，灌漿孔每環(huán)按60°范圍垂直均布在隧洞襯砌斷面上，灌漿孔每環(huán)間隔3.0m梅花形布置；設計孔深為3.0m；灌漿孔徑38～40mm。灌漿孔分段、分序布置，應遵循環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則，灌漿時應自較低的一端開始，向較高的一端推進。灌漿布置見圖4。

圖4 灌漿布置示意圖

3.2 地面處理

3.2.1 處理部位及方法

處理區(qū)為徐千戶村頭沖溝屯，位于范家屯水庫上游左側(cè)最大支溝的溝底，距離柴河供水主洞線約120m左右，居民約17戶，有鄉(xiāng)村公路通過。依據(jù)本區(qū)地質(zhì)災害評價及調(diào)查成果，本居民區(qū)范圍內(nèi)共查得溶洞16處，溶蝕裂隙點9處，地面塌坑2處。

根據(jù)《采空塌陷防治工程設計規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 012—2018)和《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(SL 62—2014)及工程特點，結合國內(nèi)類似工程地面塌陷處理的工程經(jīng)驗[7-9]，在居民區(qū)地面塌陷范圍內(nèi)采取水沖砂和充填灌漿處理方法。

3.2.2 技術要求

a.灌孔?？λ固睾腿芪g裂隙點每處布置灌漿孔1個；地面塌陷坑根據(jù)其大小，每個塌陷坑布置1～2個充填灌漿孔，即塌陷坑中心1～2個水沖砂鉆孔，靠近隧洞側(cè)塌陷坑邊緣1～2個灌漿孔。灌漿孔數(shù)結合充填情況適當進行增減。充填灌漿孔深度為30～40m，沖砂孔深度為20～30m。沖砂孔孔徑146mm，灌漿孔孔徑108mm。塌陷坑中心孔作為水沖砂孔，邊緣孔作為充填灌漿孔。成孔方式采用泥漿護壁的回轉(zhuǎn)方式。

b.灌漿。注漿管可采用PE管或鋼管。灌漿孔注漿管管徑89mm，水沖砂孔管徑127mm。砂漿水灰比為0.8 ∶1～1 ∶1(全填充喀斯特及喀斯特孔土層部分注漿)，黏土漿水土比1.0 ∶1.0，水泥砂漿水灰砂比1.0 ∶1.0 ∶0.6。灌漿壓力宜采取0.05～0.1MPa。檢查孔數(shù)為總孔數(shù)的5%，根據(jù)取芯漿液充填情況直觀判斷注漿效果。

3.3 長期監(jiān)測

采用專業(yè)的儀器設備對地表變形、居民房按1次/月頻率進行周期性觀測，準確測定地表沉降觀測點的高程。通過數(shù)據(jù)處理提供地表變形觀測點垂直位置的動態(tài)數(shù)據(jù)，分析掌握地質(zhì)災害的地表變形動態(tài)，并預測發(fā)展趨勢。

3.3.1 沉降監(jiān)測網(wǎng)布設

本工程監(jiān)測基準網(wǎng)由3個基準點和2個工作基點組成，以“遼西北供水二期工程柴河供水一至四標施工控制網(wǎng)復測成果”(簡稱“柴河供水控制成果”)為基礎，“柴河供水控制成果”中1-9號支洞和豎井高程控制點C9-3、SJ2、SJ3作為基準點，C9-1、C9-2作為工作基點。使用DNA03數(shù)字水準儀及與之匹配的銦瓦水準尺按三等水準精度進行測量，沉降監(jiān)測網(wǎng)布設成三等水準閉合環(huán)，以工作基點C9-1為起算點，將建造的沉降觀測點均納入網(wǎng)中，以工作基點C9-2為檢核點。

3.3.2 制定預警方案

成立以項目法人為首的應急管理機構，根據(jù)本項目的實際情況，以及施工期和施工后期塌陷影響風險程度不同，按施工期和施工后期兩個階段制定應急處理預案，以工程措施為主、非工程措施為輔的基本原則進行處置，確保居民人身財產(chǎn)安全和工程安全。

4 結 語

a.由于水工隧洞出現(xiàn)突泥、涌水，導致地面出現(xiàn)塌陷問題，應從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌、洞內(nèi)涌水處理情況、突泥性狀等多重方面分析產(chǎn)生原因。

b.因水工輸水隧洞突泥、涌水導致地面塌陷時，要從洞內(nèi)外兩方面采取處理措施，洞內(nèi)采取加強二次襯砌及固結灌漿強度措施，洞外采取水沖砂與灌漿相結合措施。

c.塌陷處理完成后，本著人民生命財產(chǎn)安全至上原則，加強后續(xù)檢測，并制定應急預案，從工程措施、非工程措施等多方位提供保障。