引黃隧洞下穿高速公路冒頂原因分析及設計總結

肖俊秀

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院，山西 太原 030012）

1 概述

山西省中部引黃工程總干3號隧洞共穿越呂梁環(huán)城高速公路3次，第一節(jié)點為呂梁環(huán)城高速公路主線K10+460處，隧洞和高速公路的右前夾角42°；第二節(jié)點為呂梁環(huán)城高速公路大武北互通E匝道EK0+064，隧洞和高速公路匝道右前夾角127°；第三節(jié)點為呂梁環(huán)城高速公路大武北互通A匝道AK0+050，隧洞和高速公路匝道右前夾角61°。塌坑位于第三節(jié)點處，該處隧洞頂板至高速公路匝道路面高差72 m。

2 地質(zhì)情況

2.1 地形地貌

項目區(qū)處于北川河谷東南側(cè)，為黃土丘陵與山間溝谷的過渡區(qū)域，地形起伏較大。地勢總體由東南向西北傾斜。工程病害位于地貌單元過渡區(qū)的黃土斜坡處。

2.2 地層巖性

病害發(fā)生后，為了全面掌握工程區(qū)的地質(zhì)情況，布設了4個鉆孔進行工程地質(zhì)勘探。工程影響區(qū)巖土體大致可分為4層，從上而下依次為：

a）第一層Q3黃土層，最大揭示厚度約51.1 m，顏色灰黃，硬塑狀態(tài)。主要物理參數(shù)如表1所示。

b）第二層Q3礫石土層，級配較差，最大揭示厚度21.8 m，礫石母巖為石灰?guī)r及變質(zhì)巖等。磨圓度差，結構疏松，含泥量較高，呈土石混合狀。

表1 主要巖土參數(shù)表

c）第三層Q2黃土層，揭示厚度9.1 m，含水量較大，呈軟塑至可塑狀，顏色淺紅色。隧道洞身穿越該層中部。

d）第四層 Q2礫石層，含有大量的紅黏土，揭示厚度8 m。

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭示，第二層Q3礫石土中穩(wěn)定地下水水位約19 m，其下第三層Q2黃土上部，呈軟塑狀，為隔水底板，底板黃土長期受水浸泡，含水量大。項目區(qū)地表徑流主要為北川河，距離工點約1 km左右。第二層Q3礫石土中水位標高略高于北川河河床標高。橫向地質(zhì)剖面顯示，第二層Q3礫石土整體向北川河傾斜。分析認為，第二層Q3礫石土為原北川河河床，受地質(zhì)構造影響，北川河河道發(fā)生遷移，原河床被第四系黃土掩蓋。

地下水補給主要為地表降水的垂直下滲補給，第二層Q3礫石土東南側(cè)緊鄰石灰?guī)r地層，不排除裂隙水側(cè)向補給的可能性。地下水排泄途徑主要為側(cè)向補給北川河。

3 隧洞施工

隧洞圍巖為砂卵石層、黏土、及粉砂土，富水。此段隧洞施工采取φ108超前大管棚及φ42小導管支護，上下臺階法預留核心土開挖，雙層鋼拱架，錨噴支護，底板及時封閉。

3.1 隧洞坍塌情況

塌陷坑中心在隧洞掌子面前方約12 m處，掌子面塌方位置位于管棚搭接位置，在準備施工下一循環(huán)管棚時掌子面發(fā)生坍塌，造成呂梁環(huán)城高速公路AK0+050—AK0+065（總干3號隧洞樁號K161+826）處發(fā)生地表塌陷，塌陷范圍：長約12 m，寬約9 m，深約6 m，呈漏斗狀。

3.2 隧洞掌子面封堵情況

3.2.1 堆碴反壓溜坍體

首先用砂袋攔截、封堵泥石流，然后從洞外運碴反壓流坍體，反壓過程中先從砂袋處人工進行拋填，逐步向掌子面推進，以穩(wěn)定流坍體和掌子面，同時采用I16工字鋼臨時支撐完成拱腳和墻角加固，防止已施工初期支護拱腳失穩(wěn)。

3.2.2 預埋排水管及封閉掌子面

穩(wěn)定流坍體后，在掌子面和流坍體內(nèi)預埋φ108排水管，排水管要最大限度頂進，達到直接從流坍體內(nèi)集中引排的目的。

3.2.3 排水

建立三級抽水泵站，及時將洞內(nèi)積水抽排至洞外，防止積水影響施工安全。

3.2.4 封堵

完成集中引排水工作后，在掌子面后退10 m即隧洞樁號K161+855處，砌筑封堵墻對掌子面進行封閉。封堵墻采用漿砌片石，上部厚度3.0 m，下部厚度5.0 m。而后采取吹砂、灌漿方式將掌子面與封堵墻之間空腔回填、固結，以增強流坍體的穩(wěn)定性，確保下一步施工安全。

4 塌陷原因分析及范圍確定

4.1 塌陷原因分析

根據(jù)地質(zhì)鉆探，高速公路A匝道AK0+050—AK0+065段地層巖性自上而下分別為：位于地表的第一層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）黃土，厚約51 m；第二層為第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）卵石混合土或級配不良礫層，屬中等透水層，厚約22 m，層底（土石交界面）距隧洞頂部不足0.5 m；第三層為第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）離石組黃土（黏土），為相對隔水層，厚約9 m，隧洞洞身從該層上半部通過；第四層為Q2沙礫石層，位于隧洞底部4 m以下。

第二層礫石土富水性較好，具中等透水性，結構松散-稍密；下伏第三層相對隔水的黏土層，該黏土層為中部引黃總干線3號隧洞洞身所在部位，在隧洞樁號K161+826處（即公路塌陷坑對應隧洞部位），隧洞設計洞頂開挖高程為971.98 m，第二層礫石土底部高程為971.86 m，工程地質(zhì)條件較差。隧洞開挖后，隔水層底板被削弱，厚度不足2 m，在施工震動及上部水頭壓力等因素共同作用下，發(fā)生隧道頂板局部坍塌。

引黃總干3號隧洞施工至樁號K161+838處，該處為超前大管棚支護循環(huán)接頭處，上一循環(huán)的超前支護影響范圍有限，下一循環(huán)的超前支護還未施工，屬于超前支護的薄弱區(qū)域。

隧洞掌子面坍塌，導致隧洞頂部第二層礫石土形成空腔，空腔上部地層形成臨空面，失去支撐；底部隧洞坍塌的突然發(fā)生，在礫石土空腔中會瞬間形成一個負壓空間，上部第一層黃土在重力及負壓共同作用下，發(fā)生整體下挫，從而導致高速公路塌陷下沉。

4.2 塌腔范圍的確定

塌陷坑坑口長約10.77 m，寬約9 m，深約6 m，平面投影似一不規(guī)則六邊形，坑底近橢圓形，空間發(fā)育大致呈一橢圓柱狀體。

為了查明地表以下塌腔形狀，布置鉆孔ZK15-2、ZK15-4兩鉆孔。

兩鉆孔在第一層黃土鉆進中均未發(fā)現(xiàn)有空洞存在，說明黃土塌腔沒有擴大到塌坑6～12 m范圍之外，由于低液限黏土多呈硬塑-堅硬狀，土顆粒間聯(lián)結力較強，在中部土體塌陷后，四周土體塌陷的可能性較小。分析認為上部上更新統(tǒng)低液限黏土的塌腔為垂直柱形，多沿黃土中垂直裂隙面坍陷。

第二層礫石土中，ZK1處72～73.4 m（高程972.24～970.84 m）有掉鉆現(xiàn)象，存在空腔，發(fā)育高度約1.4 m。在孔深73.4～75 m處（高程970.84～969.24 m）有埋鉆現(xiàn)象，說明該處砂卵石地層結構較松散，即曾經(jīng)發(fā)生過擾動。隧洞洞頂高程為972.13 m，空腔發(fā)育在隧洞頂板附近，頂板以下砂卵石層發(fā)生過擾動。由此推斷1.4 m的空腔之上的第二層礫石土塌腔范圍未擴大到塌坑6～12 m范圍之外，隧洞頂板以下，塌腔范圍有所擴大。隧洞施工掌子面發(fā)生坍塌，說明隧洞頂板以下塌腔至少發(fā)育到了隧洞掘進掌子面處。

4.3 疑點解釋

塌腔中心對應的隧洞樁號為K161+826處，距離隧洞施工掌子面約12 m。引黃3號隧洞K161+838為塌陷時的施工掌子面，超前支護采用φ89大管棚，仰角約7°，長18 m，搭接長度2 m。K161+838為大管棚循環(huán)接頭部位，上一批次的大管棚的末端樁號約為K161+836處。由于大管棚的托底作用，抑制了上部砂卵石層的變形，加之巖土體的一定自穩(wěn)能力，K161+836未掘進方向一定區(qū)域內(nèi)砂卵石層未發(fā)生坍塌。ZK15-4號鉆孔揭示，在樁號K161+832處洞頂部位有空腔，空腔以上部分土層未發(fā)現(xiàn)擾動。空腔位于隧洞頂板和大管棚的標高之間，該處距離大管棚末端約4.0 m左右。塌腔中心K161+826距離大管棚末端已有約10 m的距離，超出了大管棚支護區(qū)域，故出現(xiàn)了塌坑發(fā)育位置超前隧洞掌子面12 m的現(xiàn)象。

5 處治方案

本次塌陷治理工程的主要任務是塌腔范圍內(nèi)松散體的加固處治。松散體大體由兩部分組成，第一部分是第二層砂卵石，采用地表花管注漿加固；第二部分為上部第一層第四系上更新統(tǒng)坡洪積（Q3dpl）低液限黏土層，厚約51 m，采用高壓旋噴樁注漿加固。

5.1 第二號砂卵石層加固

富水的第二號砂卵石層，厚度約22 m左右，呈松散至稍密狀，采用地表全填充壓力注漿加固。

5.1.1 加固范圍

塌腔體呈近橢圓形的柱狀體，塌坑口長軸10.77 m，短軸 9.0 m。塌腔體投影最寬處長軸14.07 m，短軸11.42 m。以推斷的砂卵石層塌腔范圍為界，沿隧道中線和垂線偏移構成一近平行四邊形（主要是保證隧道兩側(cè)的壓力平衡）。在此范圍四周加10 m的圍護帶，構成注漿處治的平面范圍。

富水的第二層砂卵石層注漿加固后，一方面提高了引黃總干3號隧洞頂板的圍巖強度，同時該地層作為上部高速公路高邊坡的地基，強度提高后，有利于高速公路路基的安全穩(wěn)定。

由于隧洞洞身主體位于第三層粉質(zhì)黏土地層中，該地層注漿效果較差。由于其上部3號地層中的地下水浸泡，強度可能受到較大影響，為了保證已經(jīng)施工完成的隧洞初期支護結構安全，評審會建議對其進行隧洞內(nèi)注漿加固。

5.1.2 設計參數(shù)

圖1 塌陷處治方案縱段面圖

圖2 注漿處治平面布置圖

注漿區(qū)域四周設置帷幕孔，間距2.0 m，注漿孔間距4.0 m，孔深至隧洞底板。注漿鉆孔開口125 mm，注漿管采用φ108鋼管，深入砂礫頂面以下的部分需梅花型打眼，孔眼8 mm，間距15 cm，壁厚6 mm。注漿材料為水泥漿液，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1，注漿壓力為1.5～2.5 MPa；帷幕孔中添加2%的水玻璃。

臨近下部隧洞頂板及隧洞側(cè)墻附近，應及時調(diào)整注漿壓力，防止壓力過大，影響隧洞施作完成的初期支護結構安全。

5.1.3 試驗性注漿施工情況

現(xiàn)場試驗性注漿施工時，注漿孔漿液消耗量差別較大，部分注漿孔吃漿量遠小于設計注漿量。根據(jù)前期鉆孔資料顯示，第二號砂卵石層中，局部夾雜黏土層，塌腔部位也存在土石混雜的情況，從而導致各個注漿孔漿液消耗量不一致的現(xiàn)象。針對這種情況，增加隨機加密注漿孔20%，總注漿量維持不變。

5.1.4 施工注意事項

關于填方邊坡部位，砂卵石層注漿和高壓旋噴樁注漿加固平面重合部分的施工順序，有必要強調(diào)說明。由于高速公路邊坡較陡，需寬填施工平臺，從下往上，寬填一段，施工一段地表花管注漿，直至路基頂面。然后施工高壓旋噴樁，逐級挖除寬填平臺，逐級施工旋噴樁，待邊坡部位旋噴樁全部施工完成后，方可清除所有邊坡寬填土方。寬填平臺是作為施工場地使用的，必須保證一定的壓實度。

5.2 黃土體高壓旋噴樁注漿加固

5.2.1 處治范圍的確定

塌腔內(nèi)的土體在塌陷過程中，結構發(fā)生破壞，呈松散堆積，需進行加固處理；塌陷坑內(nèi)的回填土，壓實度難以達到路基規(guī)范要求的壓實度，為了保證路基的穩(wěn)定，也應進行加固處理。

塌腔體發(fā)育呈一近橢圓形的柱狀體，塌坑口長軸10.77 m，短軸9.0 m。塌腔體投影最寬處長軸14.07 m，短軸11.42 m。加固的平面范圍是該橢圓主體的投影區(qū)域+10 m的圍護帶。

《公路路基設計規(guī)范》JTG D30—2015，未對路基塌陷處治做專項規(guī)定，本次塌陷體加固處治，目的是提高塌腔內(nèi)土體的密實度、強度及穩(wěn)定性，該工程與地下采空區(qū)的填充加固類似，參考《采空區(qū)公路設計與施工技術細則》JTG/T D31-03—2011之表6.2.-1規(guī)定，圍護帶寬度取值為10 m。

5.2.2 處治深度的確定

a）擬處治黃土層厚度約51.4 m；為了保證路床的平整度以及復合地基受力的均勻性，宜在旋噴樁頂面鋪筑30 cm厚的灰土褥墊層。故路基范圍內(nèi)，高壓旋噴樁有效樁長約為51.1 m。

b）填方邊坡部位，處治深度約44～51.4 m；填方邊坡坡率為1∶1.75～1∶1.5，施工機械無法施工，應先拆除拱形骨架防護，再寬填施工平臺，平臺寬度4.0 m；從低往高逐級施工。

c）挖方邊坡及坡頂斜坡部位時，降低斜坡高度，從施工平臺頂面至底部砂礫石層頂面，樁長大約52～56 m。其中，標高大于路面標高的斜坡范圍內(nèi)，可不進行注漿。施工平臺寬度不小于4 m，邊坡坡率1∶0.75.

5.2.3 高壓旋噴樁的布設

高壓旋噴樁在沉降影響范圍內(nèi)采用矩形布設，樁間距1.5 m，樁徑為60 cm，旋噴樁深度為路床頂面至下伏第二層砂卵石頂面。

5.2.4 施工工藝及注意事項

高壓旋噴樁注漿材料主要為水泥，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水灰比1∶1；注漿壓力不小于20 MPa，流量應大于 30 L/min，提升速度宜為0.1～0.2 m/min。施工前應進行現(xiàn)場試樁，以確定最終的注漿參數(shù)。臨近路床頂面及邊坡臨空面附近，應及時調(diào)整旋噴樁注漿壓力，防止壓力過大，引發(fā)次生病害。

旋噴樁的施工工序為：機具就位、貫入噴射管、噴射注漿、拔管、沖洗及施工灰土褥墊層等。

在施工前應精確定位隧洞位置，并復核旋噴樁的設計孔位。噴射孔與高壓注漿泵的距離不宜大于50 m。鉆孔位置的允許偏差不大于50 mm，垂直允許偏差不大于1%。當噴射注漿管貫入土中，噴射嘴達到設計標高時，即可噴射注漿。在噴射注漿參數(shù)達到規(guī)定值后，隨即按旋噴的工藝要求，提升噴射管，由下而上旋轉(zhuǎn)噴射注漿，噴射管分段提升的搭接長度不得小于10 cm。

成樁質(zhì)量檢測點的數(shù)量不得少于施工孔數(shù)的2%。

要求單樁承載力特征值達到440 kPa。要求復合地基承載力不小于250 kPa。

6 預加固

由本次塌陷的原因分析可知，隧洞圍巖條件較差是本次坍塌事故的主要原因。為了防止隧洞穿越高速公路未處治段，掘進時再次產(chǎn)生塌陷，影響到高速公路高邊坡的穩(wěn)定性，對隧洞穿越高速公路未處治段隧洞頂板的卵石層也應進行注漿預加固。

7 結語

濕陷性黃土工程區(qū)，巨厚層的黃土沿垂直節(jié)理整體下挫的工程病害比較罕見，一旦發(fā)生，處治難度大、費用高。應充分做好前期的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察工作，制定針對性強的工程方案。

地貌單元過渡區(qū)，往往是工程地質(zhì)復雜區(qū)，在設計施工中必須足夠重視，加強勘察及分析研究。

巨厚層的地下砂卵石層（古河床）富水時，容易造成涌水、冒頂?shù)裙こ虨暮Γ谑┕ぶ校瑧龊贸暗刭|(zhì)預報，預防突發(fā)事件，及時采取必要的工程措施。

針對二元結構地層加固時，由于其巖體力學性質(zhì)、物理參數(shù)相差較大，應分別采取措施，分步處理。