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設計研究院，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氣候區，大陸性氣候特點十分明顯，冬季嚴寒漫長，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季降溫急劇，常有凍害發生。

該流域降水主要受季風影響，降水多集中在夏季，年內分配不均，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。年內氣溫變化較大，多年平均氣溫在4.5℃左右，7月份最熱，絕對最高氣溫在39℃以上；1月份最冷，極端最低氣溫-40.4℃。流域內水面蒸發一般在700-750mm，根據流域水文站實測冰情資料統計，多年平均封凍天數為141d左右。

引水隧洞大部分位于低山丘陵區；進、出口位于低山與臺地接觸部位，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波峰垂足距離進口約1500m，山頂距離洞頂最大高度79m左右，兩個波峰之間為山間臺地寬度約300m左右。

隧洞沿線部分洞段穿過山間臺地處洞頂埋深一般為15-20m；上部巖性為有機質低液限黏土，厚度為9m左右，下部為全、強、弱風化巖體，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，洞軸線沿線巖性以強、弱粗粒花崗巖為主，存在施工安全隱患；據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)P124規定，當Rb≤30MPa時，屬于軟質巖；結合規范表N.0.2規定，本隧洞以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主；冒頂處圍巖為褐色、0.2-0.4m塊狀結構，棄渣呈風化砂狀、個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，按100a一遇洪水設計、2000a一遇洪水校核。引水隧洞為4級，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9912m，水流從位于岔林河右岸萬發屯對岸的凹岸處的岔林河萬發屯渠首進水閘引入，通過上游渠道、無壓引水隧洞以及下游渠道進入水庫庫區內。引水隧洞長度2410m，進口設計水位152.18m，出口設計水位150.84m，進口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式為城門洞形，設計水深2.4m，底寬4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，隧洞永久支護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0+628處，晚10時爆破后，發現棄渣為砂狀，頂拱右側滲水嚴重，在清除棄渣后，立即進行鋼拱架支護。

第二日凌晨，現場人員發現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，隧洞頂拱出現較大面積巖體塌落，隨后該部位持續有巖體塌落，施工方立即停止施工并向監理、業主匯報。

當日上午巖體停止塌落，經過測量隧洞樁號0+627-0+632范圍頂拱巖體塌落，距支護頂拱最大高度為5.0m，底寬4.5m；施工人員無法靠近。塌方持續至晚上，塌落散體將整個斷面封堵，塌方體堆至上游0+600處。隧洞內塌落散體，塌落散體呈泥沙狀、流動大、塌落散體及頂拱以上土體含水量均處于飽和狀態。

第三日清晨，施工人員巡查時發現引水隧洞樁號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，東側為稻田及沼澤地段，南側、西側50m處為林地，北側30m為山區林地，地面右側30m處塘壩，右后方40m處塘壩，左側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，均為林業部門管理林地。

2)地質影響：地質專業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，無法截斷；第三層為褐色泥砂層平均含砂量5%，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，無法截斷；第四層為強風化巖石層，開挖后為粗粒花崗巖，呈砂狀，該層穩定性較差，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，同時物探成果顯示有破碎帶穿過)；一至三層開挖坡比1∶1.5，強風化巖石層開挖坡比1∶0.75；隧洞內整體處于弱富水區，地下水類型主要為基巖裂隙水，地下水總體并不發育，但隧洞開挖后引起地下水滲流場的改變，由于地下水對結構面的軟化、泥化，降低了結構面的抗剪強度，使巖體沿結構面產生變形破壞。

4 冒頂處理方案

1)在施工中采取相應措施排除地表及洞內積水；冒頂頂部設置防雨棚(防止降水直接進入冒頂處，造成塌方體進一步擴大)；冒頂四周設置臨時排水溝；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(從上到下進行修坡，使冒頂處形成漏斗狀，保證塌方處不再擴大)。

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

4)待冒頂處洞內混凝土襯砌完成強度滿足設計要求后對頂拱回填2m厚黃黏土，分層夯實，再將地表沉陷的砂土回填至地表以上30cm。

5)洞內清除塌方體至掌子面后，對掌子面采用超前導管注漿、超前小導管采用Φ42mm無縫鋼管制作，管深鉆Φ8mm注漿孔，每排4個，間距10cm梅花形布置，小導管外傾15°深入巖石3m，外露0.4m,每排23根頂拱180°內布置，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。導管內插入φ25螺紋鋼加固的方式為下一步開挖工作進行超前支護。

6)后續的不良地質段施工要求預支護、短開挖、弱爆破、強支護、快襯砌、勤檢查勤觀測[2]。

在工程后續施工中需強調幾點要求：做好隧洞掌子面超前支護，增加超前地質預報，隧洞開挖過程中施工技術人員要更好的掌握隧洞上部地表地形情況、結合天氣預報做好施工準備工作；隧洞施工爆破人員提高未開挖隧洞圍巖類別的預判能力，與地質專業人員密切配合。冒頂現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 冒頂處支護處理斷面圖

5 施工開挖方案研究

結合冒頂情況對后續施工還有幾處類似淺埋隧洞不良地質段需進一步研究施工開挖方案，因此施工開挖方案需進行比選確定。目前國內類似淺埋隧洞開挖方式主要有：盾構法、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，淺埋隧洞不良地質段開挖采用人工鉆爆法預支護、短開挖、弱爆破、強支護、快襯砌方案最優，在隧洞進一步開挖前做好預加固措施，確保后續洞段施工開挖安全進行。后續淺埋隧洞不良地質段處理詳見圖3、圖4。

圖3 超前支護斷面圖

6 結 語

經過20余天施工處理，克服了地質條件、交通條件等不利條件限制，頻繁降雨等不可抗力因素影響，施工現場精細化管理、保證施工工序嚴格執行，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，沒有再發生冒頂，參照其他工程項目類似情況，搶險時間是靠前的，處理過程是順利的、安全的、成功的，對北方低山丘陵區類似工程設計及施工提供了寶貴經驗，具有一定的借鑒意義。