引黃隧洞塌方原因分析及處理措施

□樊迎娟（山西省小浪底引黃工程建設管理局）

引黃隧洞塌方原因分析及處理措施

□樊迎娟（山西省小浪底引黃工程建設管理局）

山西省小浪底引黃工程某一段輸水隧洞，在通過主要以安山巖為主的洞段時遇到了特殊夾層，出現了涌水、塌方的不良地質問題。根據現場情況和設計文件，組織專家進行技術咨詢，從地質、水、結構方面分析了塌方原因，從已完初期支護段落加固、超前支護、結構支護等方面提出了可行性高、效果明顯的處理方案，并最終安全的穿越了該特殊洞段，為類似工程提供了借鑒。

輸水隧洞；塌方涌水；處理方案

1 工程概況

小浪底引黃工程位于山西省運城市，是從黃河干流上的小浪底水庫向山西省涑水河流域調水的大型引調水工程。它起始于垣曲縣境內的板澗河河口右岸的小浪底水庫庫區，終止于聞喜縣境內的呂莊水庫，線路總體走向呈東南～西北向，總長度為59.60 km。文章所涉及到的樁號18+735段隧洞為城門洞型，凈空尺寸3.80 mm×5.00 m。按新奧法施工，掛網噴射混凝土，C25鋼筋混凝土襯砌，在必要的時候立鋼拱架并配合超前小導管注漿來加強支護，系統錨桿與鋼拱架需焊接牢固。

樁號14+500～20+250段隧洞主要通過震旦系下統馬家河組（Z1m）安山巖，雞蛋坪組（Z1j）安山巖夾頁巖、砂巖、灰巖，許山組（Z1x）安山巖夾透鏡狀凝灰巖和頁巖。巖性堅硬性脆，為堅硬巖，具氣孔和杏仁狀構造。隧洞沿線地面高程為580～780 m，洞頂覆蓋巖層較厚，厚度范圍為80～280 m。隧洞底高程在地下水位以下80～130 m。本段隧洞主要是安山巖，根據設計方鉆孔資料分析，圍巖類別總體按Ⅲ類來考慮，圍巖的總體穩定性較好。地下水主要賦存在隧洞段的表層風化帶，地下水類型主要為巖漿巖類裂隙水，下部微風化及新鮮基巖為相對隔水層。隧洞圍巖主要處于新鮮巖層內，透水性總體較弱，推測隧洞施工中可能存在一些滲水或少量的涌水現象，局部裂隙發育的地方和巖組接觸帶段可能存在涌水問題。

2 隧洞塌方經過及原因分析

2.1 塌方經過

2#隧洞無壓隧洞隧洞段，2014年3月20日下午17：00左右，掌子面掘進至樁號18+730時，圍巖突然發生變化，受構造影響比較強烈，結構松散，巖體極為破碎，拱部開始連續不斷地出現掉塊。面向掌子面方向偏右側有股狀水涌出，涌水量目測約為10 m3/h。拱頂為線狀水，呈大面積的淋水狀。至2014年3月 21日早，拱頂仍然不時掉塊，掌子面不時地有巖塊剝離，總體塌腔深約2 m，塌方縱向長度約6 m，塌方量約50 m3。塌掉的塊體大小不一，以松散的碎石土為主，還夾雜著一些40～60 cm左右的安山巖硬質塊體，從塌體的巖性觀察出，主要有黃褐色安山巖，紫紅色泥頁巖，灰綠色凝灰巖，施工單位采取緊急措施處理。4月3日上午8時左右，掌子面和拱頂掉塊現象嚴重，發生較大的坍塌，至下午13：30左右，坍塌更加嚴重，拱部掉塊不斷，且不時有大塊的巖體落下，導致已經支護好的三榀拱架被砸斷，塌體逐漸塌至拱頂，涌水量依然沒有減小的趨勢。塌腔縱向長度約6 m，塌腔高約7 m，塌體方量約300 m3。塌體以碎石土為主，夾雜著部分大塊紫紅色巖塊。從塌體的巖性觀察出，主要是以紫紅色的泥頁巖為主，無粘結性，含有部分的安山巖、凝灰巖。

2.2 塌方原因分析

2.2.1 地質原因

18+735塌方處位于設計的Ⅲ類圍巖段，該段圍巖主要以安山巖為主，多為堅硬巖，巖體呈碎裂塊狀構造，在層面間夾有泥砂質頁巖、凝灰巖，多呈薄層狀分布，部分層間存在著軟弱層或泥化夾層。18+735實際開挖揭露的地質情況為：巖性主要為紫紅色泥頁巖、黃綠色及紅褐色安山巖，巖體節理裂隙極發育，結構面光滑，結構松散，為噴發間歇破碎帶，圍巖整體性極差，易發生掉塊及坍塌，圍巖自穩能力極差。

2.2.2 水的因素

地下水是導致本次塌方的重要因素，地下水的發育情況為掌子面右側有股狀水涌出，拱頂有線狀水，呈淋水狀，涌出量約為10 m3/h。由于地下水出露在拱部，對本來就松散的圍巖形成了掏蝕，砂粒被帶出，隨著越來越多的充填泥砂物質被水帶出，原本達到暫時平衡的圍巖結構，就會失去穩定從而塌方。

2.2.3 結構原因

從此段的塌方現象來看，鋼拱架被塌體砸斷，說明拱部受力比較大；同時，超前鋼管端部并沒有深入到基巖，所以承載能力較弱。

3 處理方法

3.1 已完初期支護段落的加固

對塌方段進行反壓回填，同時噴射C20混凝土封閉掌子面。

對18+730～18+725段已支護段落的拱架進行加固以防止反塌。拱架型號：Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀，鎖腳為3 m長Φ42 mm錨管，水平向下45°，每榀拱架8根。拱架之間的縱向聯系筋采用Φ25鋼筋，環向間距1.00 m。掛設鋼筋網片(網格間距：15×15 cm)，噴C20混凝土填滿拱架與巖面空隙。

對加固段落的圍巖進行灌漿處理。漿液采用水泥水玻璃雙液漿，水灰比0.50，水玻璃按水泥漿液體積的50%來控制。

3.2 超前支護

由于本次塌方塌體堆到拱頂以上有2 m左右，并且通過探測，6 m長的小導管還不能深入到基巖，起不到預加固的作用。本著安全施工、快速通過，節約投資的原則，此次超前支護采取R32S邁式錨桿管棚。

錨桿直徑32 mm，壁厚7.50 mm。長度為9 m，縱向搭接3 m，可根據鉆孔過程的地質情況適當調整。環向間距15 cm，可根據施工情況適當調整。打設范圍為起拱線以上拱部范圍。

錨桿打設完成后，封閉管口，進行固結注漿，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿。水灰比0.50～0.80，水玻璃按水泥漿液體積的50%左右來控制，注漿壓力0.30～0.50 MPa，可根據現場實際情況試驗確定。

超前支護圖如圖1。

圖1 塌方區超前支護橫斷面圖

3.3 結構支護部分

注漿完成并達到一定強度后才開始開挖，開挖采用弧形導坑留核心土法。由于該段圍巖為松散結構，易發生變形，開挖半徑在原設計V類斷面基礎上再放大44 cm，包括預留10 cm收斂變形量。鋼拱架采用Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀，鎖腳采用φ42注漿錨管。鋼筋網同V類圍巖設計參數：即φ8，網格間距150 mm×150 mm。噴射混凝土厚度為26 cm，強度標號為C20。由于該段圍巖破碎且涌水量較大，巖體松散不能自穩，系統支護采用長度為5 m的φ42鋼花管。每榀拱架施作一環，環向間距為30 cm。導管打設完成后，進行固結注漿。由于初期支護承受的壓力比較大。為了使初期支護受力更加均衡，因此，初期支護時增加仰拱與拱架直墻閉合成環，拱架采用Ⅰ18工字鋼，間距：50 cm/榀。仰拱采用C25模筑混凝土，厚30 cm。在開挖支護過程中，需采取打孔導水或者埋管導水的措施。塌方處理過后，對塌腔段落要采取回填灌漿的處理措施。漿液采用純水泥漿，水灰比按0.50：1來控制。

結構支護圖如圖2和圖3。

圖2 結構支護橫斷圖

圖3 結構支護縱斷圖

3.4 塌腔處理過后向前掘進支護方案

塌方處理過后向前掘進時遵循“短進尺、弱爆破（或不爆破）、早支護、快封閉、勤量測”的施工原則。由于該段圍巖為破碎帶，結構松散，并且涌水量較大，無自穩能力，為了防止再次發生塌方，根據現場情況，采取以下施工方案：超前支護采用雙排Φ42超前導管并注漿，導管長5 m，大角度與小角度相結合。小角度≤15°，2 m/環，環向間距30 cm；大角度60°，1 m/環，環向間距30 cm。其余支護參數同過塌方段支護參數。

4 結論

在埋深較大的隧洞掘進中，特別是在地質條件比較復雜的情況下，若出現塌方、涌水等問題，首先應盡快封閉掌子面，防止塌方體進一步惡化。要本著保證安全、快速通過的原則，必要時使用大管棚對塌方區進行超前支護，并灌雙液漿的方法，加強塌方體的整體性，保證下一步開挖安全通過。在蹋腔處理過后繼續向前掘進時，超前支護選用雙排超前小導管注漿，大角度與小角度結合，效果很不錯。

（責任編輯：邢博輝）

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2016-06-24