淺談馬欄隧洞坍塌種類及支護形式的選擇

秦鵬

（陜西省桃曲坡水庫灌溉管理局 陜西 銅川 727031）

1 馬欄河引水隧洞工程狀況

馬欄河引水工程是為解決銅川市城市用水嚴重不足而修建的跨流域調水工程。引水隧洞是該項目的關鍵控制工程，進口位于涇河流域馬欄河上的旬邑縣馬欄鎮境內，出口位于渭河流域沮河上的耀縣廟灣鎮境內。該隧洞全長11.49 km，為無壓2m×2.1m城門洞型，設計流量33m3/s,比降1/400。隧洞穿越子午嶺山脈，埋深65m～397m間。巖石為泥質砂巖，強度低、遇水軟化。隧洞工程于1993年5月正式開工，采用鉆爆法施工、全斷面開挖及電瓶車牽引有軌運輸、城門洞型砼襯砌。1997年12月隧洞全線貫通。1998年10月竣工通水，年均引水2000萬m3。

2 隧洞地質構造和巖石成分

該隧洞穿越喬山山脈系的子午嶺山脈，地質構造以砂巖為主，有少量礫巖夾層或透鏡體游離穿越隧洞，長度范圍1200m，分布在（K3+050—K4+200）洞段。洞體開挖后洞壁滲水成線狀，經多次多段實測平均滲水量在0.333m/m·d（砼襯砌成洞后，因每1.5m預留2處排水孔，故滲水在圍巖暴露和襯砌兩種狀態的影響暫不計）。

該隧洞所處的巖石處于飽水狀態，砂巖以褚紅色為主，屬中粒結構（D=0.5mm～0.25mm），長石含量在33%，粘土礦物質含量﹥39%，膨脹礦物質含量﹥15%，膨脹力 P=18 kPa～25kPa,軟化系數 Kd=0.19～0.25，摩擦系數 f=0.7，凝聚力 C=4×105PA，為Ⅳ-Ⅴ類別泥質長石砂巖。巖石層理發育，經水浸泡后，極易分解，加之鈣泥質膠結，與水崩解、軟化，導致巖石強度降低。根據相關聲波技術現場測試推算，飽水狀態的巖石在爆破后圍巖由于產生裂隙，強度降為完整巖體的0.38～0.58倍，即強度已經下降1倍多。隧洞埋深的增加使圍巖的坍塌隨時出現，支護方式需要不斷地更新。

3 坍塌的種類

馬欄隧洞的坍塌可分為斷層塌方（構造塌方）和應力塌方(非構造塌方)。其中，應力塌方具有長期性，因而在施工中經常遇到，且愈來愈嚴重。

3.1 斷層塌方

隧洞在開挖時，先后出現71條斷層，包括4個斷層帶以及塌高14m的最大斷層。

3.2 應力塌方

隨著隧洞的不斷延伸，塌方經歷了三個階段：

（1）以拱部以上坍塌為主的三角冒落塌方，發生在埋深200m以下洞段。通常24小時內塌方量為0.2～0.53,而且比較穩定。據實測K0+500、K1+100兩處水倉和避車場特殊部位，在一般簡易支護下，可保持3年穩定狀態（巖體風化剝落除外）。

（2）以劈理發育為主要特征的過程塌方。此類塌方屬于剪切應力控制型，即圍巖強度不足以抵抗重分布應力。發生于埋深在200m～300m的中高埋深段。表現為此生卸荷劈理，呈直線或弧線形狀，短小而密集，間距3cm～5cm，網狀結構使墻拱交替剝落，規模乘倍數擴大。特點為塌落巖體小，但小范圍塌方不斷交替進行。

（3）以受剪切面控制的大塊體塌方。發生于300m以上高埋深段。坍塌時間也不確定，有的一次開挖后隨即塌落、也有幾次爆破或幾天后整體塌落的。巖體均以整塊塌落，經實測一塊巖體尺寸為5m×3m×1m。墻部巖體的剝離隨著拱部的大塊體塌落也在乘級數增大。經實測K8+030斷面，24h 坍塌量 2.03m3、73h坍塌量6.53m，是設計開挖量5.783m的一倍還要多。

表1 隧洞涌水量實測表

表2 K 8+030斷面塌落方量表

4 塌方原因分析

（1）地質因素是造成塌方的重要原因。由于建設資金緊張，對必要的地質勘探工作沒有做到位，缺乏隧洞所在地段的地質和水文地質資料，情況不明，致使水工設計人員進行隧洞設計時，將隧洞軸線選在了不良的地質區域，沒有避開不良地層。如飽和粘土、流沙、堆積層、斷裂、褶皺帶、節理、裂隙發育帶以及含有各種不利的軟弱結構的圍巖、溶洞、陷穴等地質不良區域。當隧洞穿越不穩定地層時，很容易發生塌方。地下水發育的地區和地表水滲漏明顯的地段，隧洞圍巖的強度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞開挖過程中，極有可能發生坍塌冒頂，如不采取有效的工程措施，將會形成極大的塌方。

（2）設計時，為了節約工程投資，過分追求較短的洞線，獲得良好經濟效益，往往將洞軸線選在埡口最底處，趁溝進洞和出洞，且晚進洞、早出洞，加大了洞口處的開挖深度和洞臉仰坡的高度，卻對地質和施工的不利因素不予去方位的考慮，在隧洞洞口和洞身施工中都可能發生塌方。對不良地質地段的隧洞襯砌厚度不夠，不能滿足承載力要求，不能承受可能出現的山巖壓力，完工后結構遭到破壞，進而引起塌方。

（3）施工方法不當。地質勘察資料與工程實際不符，對可能出現的塌方，沒有可靠的預防處理技術措施。一旦遇到軟弱、破碎帶地層，往往措手不及造成塌方。對穩定性差的圍巖，開挖后沒有及時支護襯砌，圍巖長期暴露，山巖壓力增長，引起塌方。開挖爆破時，采用強爆破或裝藥過多，因強烈震動引發塌方。支撐結構不合理，支撐構件強度低，或支撐的位置和高程不當，在開挖、襯砌過程中必須拆除，引起塌方。不適當的停止施工，沒有搞好施工排水，使圍巖長期浸泡，處于飽和狀態，山巖壓力增大。圍巖強度下降，一經擾動，便會引起塌方。

5 支護形式的衍變升級

斷層塌方遵循“短掘、弱爆、強支、快襯”的施工方法，采用定型全鋼封閉支護加二層支護或超前挑梁橫支撐護墻等技術，較成熟的處理和通過了斷層地帶，特別在斷層處理上達到了理想的效果。

非斷層塌方，先后經歷和試驗了木支護、錨桿支護、輕鋼加預制砼支護以及最后的全封閉支護。

（1）木支護使用。該方式在坍塌的第一階段，并隨著砼襯砌工序循環使用，主要是防護安全，對遏制坍塌效果不明顯。期間，為了盡量留足隧洞施工空間，對無腿鋼支護進行了實驗。但由于圍巖遇水軟化不斷小范圍剝落，無腿拱架的支撐點難以固定，導致支護易松動而被暫停使用。

（2）錨桿支護的使用。該方式在坍塌的第二個階段進行了實驗，目的在于進一步遏制坍塌，實驗的結果不理想。原因有：一是巖層發育、劈理密集，即使配合錨桿在巖面使用了托件，也不能有效控制小塊體塌落，造成錨桿及相互間的孤立。二是涌水量大，錨桿孔雖有砂漿填充，還是充當起超前排水孔的角色，相當部分沒有起到錨固作用。三是基于此類巖石的摩擦系數和凝聚力值偏低，僅有錨桿支護是不夠的，但因施工條件限制，掛網或噴砼工序難以同步實現。

（3）輕鋼支護的使用。此方式作為永久性支護在第二階段的塌方得到廣泛應用，此種支護避免了木支護需要拆除的工序繁雜、費用大、危險性高的現狀，是繼錨桿支護后比較理想的形式，加以適當擴大斷面，采用拱以上部位木板搭棚，有效地遏制了坍塌和提高了安全性，期間也試驗過砼塊拱部搭棚。此階段工程進展順利，安全性高，效果明顯。但隨后的第三階段坍塌，因拱部特別墻部大塊體剝落嚴重，造成此支護在本身剛度、遏制墻部坍塌、砼回填量、巖石松動圈向深部發展等因素影響下，已經不能起到遏制塌落、節省費用和加快進度的效果。

（4）全封閉支護。該方式是在面臨第三階段坍塌地段，通過與第二階段支護費用（節省20%）及進度（由原40m每月提高到80m左右）等核算后，并匯總以前支護形式，采用的一種強度大、安全性高、進尺快的永久性支護形式。首先是采用I14工字鋼骨架，榀距1.0m相連接成整體，周圈用砼預制板或木板封閉，頂背部砂漿或巖渣充填密實。其次根據地質塌落地段適當加大成洞砼襯砌厚度50%～80%，堅持短掘弱爆施工原則，要求在爆破后10小時內完成支護，將塌方量縮減80%，控制在最低程度，實施開挖和砼澆筑工序的平行作業，縮短裸巖暴露時間和減輕支護承載及變形量，最后預留較深的灌漿孔，達到壓力回填灌漿充分，使之結合密實。

6 結語

引起馬欄河引水隧洞坍塌有巖性、層理、地下涌水、暴露時間、爆破強度、地應力等因素，隧洞坍塌量的增大與埋深的關系呈現出很大的正比關系，但是大多因素在長達5年的時間內均無大的變化，并且還出現暴露時間縮短、涌水慢慢減少等有利條件。馬欄隧洞因塌方及時觀察和支護方式選擇正確，10余年來運行良好，累計引水約3.3億m3，最大程度的保障了銅川市區生活用水和工農業用水，對促進地方經濟發揮了不可估量的貢獻。陜西水利