引洮濟合工程3#隧洞掌子面塌方問題淺析

侯永恒（甘南州引洮濟合工程建設管理局甘肅合作747000）

引洮濟合工程3#隧洞掌子面塌方問題淺析

侯永恒
（甘南州引洮濟合工程建設管理局甘肅合作747000）

引洮（博）濟合供水工程3#隧洞在施工過程中出現了不良地質洞段，掌子面涌水失穩，出現涌水泥石流現象，本文對失穩的原因從地形地貌、地質因素、水文因素及人為因素等方面做了詳細分析，提出了超前管棚及灌漿穩定圍巖的處理方案，為其它類似工程問題提供參考。

隧洞；砂碎石土；加強支護；管棚灌漿

1　工程概況

引洮（博）濟合供水工程是從洮河支流博拉河調水，解決合作城鄉缺水問題，兼顧黃河水源區生態保護牧民定居用水，年調水量1910萬m3。本工程主要包括水源工程及凈水廠工程，其中水源工程由樞紐、輸水工程和調蓄水池三部分組成。設計引水流量1.1m3/s，為自流輸水。輸水工程干線主要建筑物有壓力管道、隧洞、倒虹吸、陡坡等建筑物組成，其中隧洞3條，總長19217m。

3#扎剎河隧洞樁號25+763～26+130段洞身圍巖為三疊系下統上巖組長石石英砂巖夾砂質板巖，屬Ⅲ類圍巖，圍巖局部穩定性差。樁號26+130～27+588段洞身圍巖主要為三疊系下統上巖組砂質板巖夾長石石英砂巖，巖性較軟弱，裂隙發育，巖體較破碎，屬Ⅳ類圍巖；其中樁號26+128～26+255段從沖溝底部穿過，洞身主要在洪積碎石土層中。

一次襯砌型式為：Ⅲ類圍巖頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長粘結式砂漿或水泥基藥隨機錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內砼噴層中部設φ6.5@200mm×200mm鋼筋網，頂拱、側拱噴C20砼80mm厚。Ⅳ類圍巖緊貼巖石架設I12，間距0.8m～1.2m全封閉隨機鋼拱架，頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長粘結式砂漿或水泥基藥隨機錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內砼噴層中部設φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網，頂拱、側拱噴C20砼120mm厚。Ⅴ類圍巖緊貼巖石架設I12，間距0.5m～1.0m全封閉隨機鋼拱架，頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長粘結式砂漿或水泥基藥隨機錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內砼噴層中部設φ6.5@200mm×200mm鋼筋網，頂拱、側拱噴C20砼120mm厚，必要時拱頂180°范圍架設隨機管棚φ42，L=3m。環向間距300mm。碎石土圍巖巖緊貼巖石架設I12，間距0.5m～1.0m全封閉鋼拱架，頂拱180°范圍內砼噴層中部設φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網，頂拱、側拱噴C20砼120mm厚，拱頂180°范圍架設系統管棚φ42，L=3m，環向間距300mm。

2　坍塌現狀

本工程于2014年7月開工建設，目前3#隧洞正在施工。3#隧洞（樁號25+763m 至27+588m）總長1825m，隧洞設計斷面為城門洞形，斷面尺寸B×H=1.8m×2.0m。隧洞進口緊靠公路山體一側；出口位于海螺溝溝內。3#隧洞進口段于2015年4月29日在樁號26+146m處第一次塌方，5月3日凌晨一點發生第二次塌方。3#隧洞出口段在樁號26+826m處于2015年5月3日凌晨兩點由于地質條件突變發生塌方。

（1）進口段塌方

進口段自樁號26+123m處，掘進長度達到360m時，已經出現圍巖不穩，隧洞滲水量較大，按Ⅴ類圍巖斷面采取拱頂180°范圍打超前錨桿（φ22，L=3m，間距30cm）、I12全封閉鋼拱架間距0.5m～0.8m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網、噴C20砼支護方式。在26+146m處，因局部塌方掉塊嚴重，將超前錨桿改為管棚（φ42，L=3m，間距30cm），管棚自掌子面第一榀拱架上支護。4月29日發生第一次塌方，已施工管棚坍塌損毀，經現場方案調整，將管棚長度改為6m，單排間距30cm，在自掌子面第二榀和第三榀鋼拱架同時打進，把管棚間距交叉成15cm，盡可能保證管棚穿越塌方體，伸入穩定層，實際管棚打入深度4.5m～4.8m。5月2日，在清除塌方體時，發生二次塌方。塌方體形態為較細的砂碎石顆粒并夾雜黃泥塊，隧洞滲出水流量比較大。

（2）出口段最后一榀鋼拱架為樁號26+826m，之前按照Ⅳ類圍巖斷面施工，期間圍巖較為破碎松散，巖面有滲濕，未見明顯滲水，采取I12全封閉鋼拱架間距0.8m～1.0m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網、噴C20砼支護方式。在完成26+826m處鋼拱架安裝并噴砼支護完成后，拱架距離掌子面剩余間距約0.6m，隨后進行鉆孔爆破開挖，鉆孔深度2m，鉆孔時孔內有少量滲水。5月2日，在隧洞出渣過程中，當出渣至掌子面露出約2/3時，掌子面樁號在26+823m處，沿掌子面開始有滲水滲出，掌子面有小塊塌落現象，后掌子面滲水逐漸增大，塌落掉塊加大變快。在及時撤離人員和設備后發生塌方，塌方體堆體涌至樁號26+829m處，塌方情況見圖1掌子面塌方示意圖。塌方體形態為較細的砂碎石顆粒，隧洞滲出水流量大，出水將已開挖隧洞底部漫淹，隧洞內積水深30cm左右。

圖1　掌子面塌方示意圖

3　塌方原因分析

（1）地形地貌

從地形上，3#扎剎河隧洞軸線穿越兩條溝谷。線路穿越區，地面最高點為尖山，山頂植被茂密，多以灌木為主；山間溝谷內地勢相對平坦，溝底沖溝沒有明顯地表徑流。山間谷底及山坡平緩處為耕地。

據現場測繪，進口方向1號溝谷位于隧洞軸線樁號26+128m至26+255m之間，溝谷長度約127m，山腳處洞頂埋深在19m～21m，山谷溝底最深處樁號26+205m，洞頂埋深9m。

出口方向2號溝谷位于隧洞軸線樁號26+600m至26+864m之間，溝谷長度約264m，山腳處洞頂埋深在29m～33m，山谷溝底最深處樁號26+768m，洞頂埋深19m。

（2）地質因素

原設計進口段1號溝谷地質條件為：表層為坡洪積粉質壤土，厚1m～2.5m，下部洪積碎石土，厚6m～7m，底部為砂碎石層，厚5m～9m。洞身在洪積碎石土層中，圍巖屬Ⅴ類圍巖。出口段2號溝谷由于當地藏區群眾阻撓無法進入機械，沒有相關鉆孔資料，為推測地質情況，洞身圍巖主要為三疊系下統上巖組砂質板巖夾長石石英砂巖，兩種巖性比例約為7:3，巖性較軟弱，裂隙發育，巖體較破碎，巖體完整性系數0.25～0.3，巖層走向與洞線夾角71°，巖層傾角53°。

隧道在設計時，通過勘探鉆孔很難準確的掌握隧道斷裂構造和節理裂隙發育情況，斷層節理發育情況卻是千差萬別。在隧道施工中，在巖層分界處及過渡段易出現地質構造變化、斷層破碎帶、軟弱夾層等工程地質條件，本工程施工至進口段樁號26+123m處時，正好處于巖層分界線，地質條件較差，為砂碎石土。出口段樁號26+826m處時，同樣處于巖層分界線，由巖石變為砂碎石土，與推測的地質條件發生變化。

（3）水文因素

溝道地表未見明顯地表徑流；溝谷地下水含量豐富，賦存于河谷沖洪積砂礫石層和溝谷洪積碎石土中。地下水是一個體系，隨時隨地都在變化，受地形、地貌、地質、氣候等條件影響。在隧道施工中，巖土中水的變化，水沿巖體軟弱面流動，破壞巖體組織，造成巖體失穩而發生坍方事故；雨水滲入斷裂帶及裂隙后形成滑動面，巖石相互滑動，內力擠壓變形也易造成坍塌。本次塌方，因圍巖遇水泥化，砂碎石土在水作用下流失，導致管棚頂部形成空腔，空腔增大，圍巖失穩，大塊塌落，砸毀管棚，造成塌方。

（4）人為因素

施工過程中由于施工人員對地下工程地質情況不了解，忽視圍巖細微變化，對圍巖自穩能力過高估計，造成思想上的麻痹大意，對不良地質地段沒有采取合理的開挖方法，支護不及時，在開挖時，爆破對圍巖的擾動過大，因巖體失穩而產生坍方。

4　處理方案

進口洞段在穿越1號溝道時出現掌子面塌方，地質巖性與設計相符，地下水豐富造成泥化失穩；出口洞段在穿越2號溝道時，地質條件發生變化，加之地下水豐富造成泥化失穩。針對引洮（博）濟合供水工程3#隧洞在施工過程中進出口掌子面出現了塌方問題，結合地質條件發生變化情況，對一次支護方案進行了調整。隧洞頂部及兩側超前管棚加注漿輔助施工，環向間距30cm，管棚搭接長度2m～2.5m，注漿管采用Φ42mm×5mm熱軋鋼管制作，每隔15cm梅花形布置鉆8mm的對穿射漿孔，上部1.5m不開孔，為防止下管堵塞，底部做成10cm錐形封閉，長度L=5m，為加強管棚承載能力，采取在管棚鋼管內穿插Φ22螺紋鋼并灌注砂漿填充，提高管棚的抗彎能力，管棚縱剖面布置見圖2管棚注漿縱剖面示意圖。全斷面封閉Ⅰ12鋼拱架，間距0.3m～0.5m，相鄰鋼拱架之間，在拱頂和側墻采用Φ22間距30cm的螺紋鋼連接拱架。拱部系統錨桿φ22，長度1.5m，縱環間距1m× 1m，梅花型布置，噴150mm厚C20砼，掛φ6.5鋼筋網，網格間距200mm×200mm。由于洞內滲水較大，顆粒較細的砂碎石容易在水流作用下流失，因此在鋼筋網片上部，鋪設φ3@30mm×30mm鉛絲網格柵，以保護砂碎石不被水流帶走。

圖2　管棚注漿縱剖面示意圖

并根據一次支護調整方案對施工單位提出以下幾點要求：

（1）管棚超前支護及注漿加固圍巖是下一步隧洞穿越河床覆蓋層（砂礫碎石）施工的主要措施，施工單位必須加強設備及人員配備，提前做好應對各種突發問題的預案，備好各類設備、材料。施工過程中必須做到掘進及支護連續作業，不能停頓或進行間歇施工。

（2）超前管棚及隧洞側壁注漿管是加固洞周圍巖的關鍵，必須具備注漿加固條件，長度宜長不宜短，建議長度5m～10m，管徑采用Ф42～Ф80；河床覆蓋層（砂礫碎石）洞段施工中，主要是對開挖斷面周圈進行注漿加固，必要時可對掌子面進行全斷面注漿加固。注漿材料采用水泥漿（摻加適量速凝劑）。

（3）塌方體處理前要對掌子面先進行封堵后再注漿，在后續洞段正常循環施工時，須保留2m～3m加固巖體做為止漿盤。

（4）由于滲水量較大，需做好掌子面及洞內排水工作。

5　結語

在隧洞施工過程中，地質條件發生變化，并且遇到了最不利條件，砂碎石土及豐富地下水，掌子面出現失穩現象，通過從地形地貌、地質因素、水文因素及人為因素等方面詳細分析失穩原因后，及時調整了一次襯砌支護方式，采用超前管棚及灌漿穩定圍巖，管棚長度5m～10m，管徑采用Ф42～Ф80，環向間距30cm，管棚搭接長度2m～2.5m。塌方體處理前要對掌子面先進行封堵后再注漿，在后續洞段正常循環施工時，保留2m～3m加固巖體做為止漿盤。陜西水利

（責任編輯：唐紅云）

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