引水隧洞坍塌冒頂原因分析與處理

王 偉，祁安嶺

（1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術中心，河南 鄭州 450008）

1 工程概況

小浪底北岸灌區(qū)工程位于黃河北岸，灌區(qū)涉及濟源市和焦作市。灌區(qū)設計灌溉面積3.45 萬hm2，補源區(qū)面積1.33 萬hm2，設計引水流量30 m3/s，屬于大（2）型灌區(qū)，工程等別為Ⅱ等。

某引水隧洞全長1.80 km，隧洞設計流量23 m3/s，設計縱坡1/650，城門洞型斷面，開挖斷面底寬3.90 m，直墻高3.35 m，圓拱半徑2 m，開挖支護方式采用新奧法，采用銑挖機進行洞挖，鋼拱架采用18 號工字鋼，立柱反拱型式，間距1 m，底部澆筑C15混凝土墊層，邊墻頂拱噴護C20混凝土。該隧洞場區(qū)地貌單元屬黃土丘陵區(qū)，地面高程一般196.80～234.46 m，地形起伏較大，黃土溝壑發(fā)育；坡頂及緩坡處覆蓋第四系黃土地層，溝谷間分布第四系軟土，下伏古近系軟巖地層。隧洞洞室圍巖主要為古近系軟巖（泥巖、砂巖互層），工程地質(zhì)分類為V類。

2 隧洞坍塌冒頂過程及原因分析

2.1 隧洞坍塌冒頂過程

該隧洞進口采用銑挖機開挖至某樁號時，掌子面為泥巖，鋼拱架立好后，拱頂出現(xiàn)較多滴水，在噴護過程中頂部滲水較多，噴護料不凝固被滲水沖下，噴護不成型，掌子面頂部出現(xiàn)掉塊，泥土夾雜水不停塌落，塌落口靠近左上方，直徑約1.20 m，同時也是滲水集中部位，塌落接近15 m3左右。經(jīng)參建各方現(xiàn)場查看研判后，決定快速用導管把塌落孔封堵，進行噴護，預留排水孔及灌注混凝土管。施工人員用導管把塌落孔堵住，土不再滑下，然后進行噴護，噴護結束后清理塌落體。拱架距離掌子面剩余0.70 m間距，又立了一榀間距0.60 m的拱架。噴護完成，停止進尺，每日觀測洞內(nèi)滲水和地表情況，在地表掌子面部位插旗拉警戒線，防止人員及機械進入。

經(jīng)過3天觀察，洞內(nèi)和洞外無異常情況發(fā)生，該部位地表無塌陷，滲水集中引致左側邊墻。參建各方人員察看該隧洞內(nèi)部和地表情況后，現(xiàn)場討論后達成一致意見，每循環(huán)進尺0.70 m，5 m長導管跟進，搭接不小于2 m。完成第一個0.70 m循環(huán)，一切正常。第二天下午，在開挖完成第二榀0.70 m洞挖后，掌子面頂部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，土塊越掉越快，超前導管被砸掉或砸彎，失去作用。晚上，塌落基本穩(wěn)定，洞內(nèi)滑塌體長度約20 m，方量約160 m3。參建各方到洞內(nèi)察看情況，強堵塌孔不能實現(xiàn)，在洞頂拉40×40 m警戒線，洞內(nèi)觀察塌落體是否穩(wěn)定。第三天下午地表出現(xiàn)塌陷坑，經(jīng)測量塌陷坑直徑10.50 m，深度約4 m。為了盡快靠近掌子面封堵塌落孔，在觀察地表無變化、滲水很小的情況下開始清理洞內(nèi)泥水，清理塌落體長度約7 m（總長20 m），同時人員觀察塌落變化情況。清理過程中出現(xiàn)再次塌落，塌落體長度在洞內(nèi)距離掌子面仍是20 m，察看頂部塌落深度約9 m，洞內(nèi)停止清理。繼續(xù)觀察洞內(nèi)和洞外情況，滲水很小，塌落體無變化，為預防降雨，在地表塌方處搭了防雨棚，周邊開挖了排水溝。坍塌冒頂部位示意圖見圖1。

圖1 坍塌冒頂部位示意圖

2.2 地質(zhì)條件

該隧洞洞頂坍塌冒頂處位于黃土丘陵區(qū)，周邊黃土崗地與黃土沖溝發(fā)育，黃土崗地地面高程一般212.02～233.46 m，西南高、東北底，東北部分布一沖溝，溝底最深處高程195 m 左右，溝深10～17 m。冒頂處地表為玉米地，洞頂?shù)孛娓叱?13.10 m左右，洞頂覆蓋層厚24 m左右。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，該處地層上部為第四系中更新統(tǒng)風積成因的黃土（中、重粉質(zhì)壤土），層厚17.40 m左右，豎向裂隙較發(fā)育，一般具濕陷性，為非自重濕陷性黃土，底部3 m左右含水量較大，呈軟塑狀；下部為古近系始新統(tǒng)盧氏組第四段泥巖，未揭穿，巖層傾向北東，傾角約27°，泥巖具遇水膨脹、失水干裂的特性，耐崩解性較低，軟化系數(shù)較小，為軟化巖石。洞頂泥巖層厚6 m 左右，地下水位于土巖結合面附近，高于隧洞洞頂，主要為第四系松散土類孔隙水及古近系碎屑巖類孔隙、裂隙水。根據(jù)地質(zhì)編錄資料，該段洞室圍巖為泥巖，淺紫紅色，泥質(zhì)結構，層狀構造，裂隙發(fā)育，局部豎向裂隙發(fā)育，強度較低，屬極軟巖，遇水易泥化脫落；該段地下水活動較活躍，拱頂有出水點，呈線狀明流；組成洞室圍巖的古近系泥巖整體強度較低，自穩(wěn)能力差，局部圍巖由于發(fā)育的裂隙交錯，在開挖過程中洞頂或側墻在卸荷作用下發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

2.3 冒頂原因分析

該段隧洞坍塌冒頂發(fā)生在2021年10月中上旬，工程涉及區(qū)域2021 年汛期持續(xù)時間長，降雨豐沛，工程地處黃土丘陵區(qū)，隨著集中的強降雨結合地下水徑流的滯后效應，在8～10月期間，陸續(xù)顯現(xiàn)地下水位的明顯抬升；隧洞冒頂前幾天也有降雨，對地下水有補給作用。洞室上部的風積黃土豎向裂隙發(fā)育，易形成滲水通道，土層與軟巖的滲透性差異，導致地表降雨入滲或地下水徑流時在土巖結合面部位匯集。

該洞段洞室圍巖主要為泥巖，具遇水膨脹、失水干裂的特性，對隧洞穩(wěn)定不利，受地質(zhì)構造影響，巖體裂隙發(fā)育程度較高，易形成滲水通道；洞頂巖層覆蓋層較薄，洞室開挖時，受開挖及卸荷影響，泥巖裂隙擴張松動，順裂隙洞室滲水量增大，泥巖具遇水膨脹的特性，耐崩解性較低，軟化系數(shù)較小，遇水易軟化，并且泥巖上部的黃土含水量較高，呈軟塑狀，自穩(wěn)能力差，導致洞頂上部土體出現(xiàn)坍塌，洞頂土體坍塌后，上部黃土由于含水量較高，自穩(wěn)能力差，出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

3 隧洞坍塌冒頂處理措施

3.1 洞內(nèi)坍塌體處理及地表塌坑處理

對地表進行變形觀測，觀測穩(wěn)定后，進入洞內(nèi)，抽排積水，清理淤泥，在坍塌體涌土前端堆設排水沙袋，進行擋土濾水。加強洞內(nèi)排水措施，確保洞內(nèi)無積水。

地表塌坑采用回填處理方案，回填前，抽排塌坑內(nèi)積水，塌坑邊坡坡比修至1∶1，塌坑底部至地表以下2 m處采用10%水泥土回填，地表以下2 m采用壤土回填后，如遇降水，塌坑頂部采用土工膜覆蓋?；靥钸^程中，對洞內(nèi)塌落土體進行觀測，若塌落土體大量向外涌出，立即停止回填。

3.2 塌方段高壓旋噴灌漿處理

塌坑回填完成后，對洞內(nèi)及洞頂塌方土體進行地表注漿加固，注漿范圍：塌坑邊緣向外2 m范圍，形成14 m×14 m的矩形區(qū)域，注漿孔孔徑0.60 m，孔距1.20 m，孔位按正三角形布置，孔深為洞室開挖底面高程以下2 m至現(xiàn)狀地表（洞室開挖范圍內(nèi)鉆孔深度至洞頂以上0.30 m）。高壓噴射灌漿為已擾動巖、土體（包括洞內(nèi)涌土土體）至現(xiàn)狀地表高程以下10 m。灌漿材料采用水泥漿，水灰比采用1∶1，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，拌和用水達到混凝土拌和用水標準，灌漿控制壓力為30 MPa；施工前做施工工藝性試驗，注漿施工過程采用過程控制，上述參數(shù)根據(jù)施工工藝性試驗及實際灌漿過程監(jiān)測結果進行適時調(diào)整，注漿孔及注漿施工不得破壞隧洞現(xiàn)有一次支護。

3.3 管棚超前支護

地表注漿加固完成14 d后，進行洞內(nèi)二次開挖，開挖前首先挖除洞內(nèi)塌落的土體。洞室繼續(xù)開挖時，采用管棚超前支護，范圍為頂拱150°，間距40 cm，外插角3°，管棚采用直徑108 mm的無縫鋼管，每循環(huán)長15 m，循環(huán)間搭接長度7 m。鉆孔采用管棚鉆機進行，鉆孔順序為按高孔位向低孔位對稱進行；鉆進過程中根據(jù)孔口流出巖屑、鉆探軟硬程度及滲水情況，判斷地質(zhì)情況，作為洞身開挖時地質(zhì)預報的參考資料，從而指導洞身開挖。管棚注漿控制壓力為2 MPa，其余注漿參數(shù)與地表注漿相同，注漿施工過程采用過程控制，上述參數(shù)根據(jù)實際灌漿過程監(jiān)測結果進行適時調(diào)整。

3.4 洞室開挖及支護

洞室開挖采用銑挖機，開挖時在拱部輪廓線處由上而下開挖，開挖循環(huán)進尺不超過1 m，有地下水的洞段縮短開挖進尺，每一循環(huán)開挖完成后將開挖土裝入出渣車中拉出洞外。

洞室支護順序：噴混凝土→安裝系統(tǒng)錨桿→掛鋼筋網(wǎng)→安設鋼拱架→鋼筋混凝土全斷面襯砌，錨桿布置呈梅花型排列。冒頂處向前40 m范圍鋼拱架間距調(diào)整為0.50 m，鋼拱架工字鋼型號調(diào)整為20 a，拱架立柱為反拱型式，向外側起拱高度15 cm，在二襯混凝土結構以下做成仰拱，形成鋼拱架封閉環(huán)，在每榀鋼拱架底腳處采用I14 工字鋼進行縱向焊接，采用1 根直徑42 mm，長1.20 m 的無縫鋼管做為地錨，鎖定縱向工字鋼，管內(nèi)注M30水泥砂漿。

3.5 處理效果

該段隧洞坍塌冒頂處洞室開挖支護后，經(jīng)對隧洞洞身段圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降進行觀測，圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降正常，滿足規(guī)范要求。

4 結語

通過對小浪底北岸灌區(qū)工程某處軟巖隧洞的坍塌冒頂原因進行分析，提出高壓旋噴灌漿+管棚超前支護的處理方案，處理后，圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降正常，為類似隧洞工程建設中可能出現(xiàn)的坍塌冒頂原因分析及處理提供參考。