兩臺階預留核心土環向開挖法在隧洞塌方災害處理中的應用

朱圣偉 馮小慶

摘要：在對隧洞塌方進行應急處理時，快速選擇合理的開挖方式對于保證不良地質帶隧洞圍巖穩定性和施工安全至關重要。以鄂北地區水資源配置工程中大竹園隧洞塌方處理為例，介紹了兩臺階預留核心土環向開挖法的施工工藝和應用情況。工程實踐表明：該方法能夠保證施工質量和施工安全，提高了施工效率，使工期縮短10 d， 節約投資超過20萬元。

關鍵詞：水工隧洞;塌方處理;兩臺階預留核心土環向開挖法;不良地質;預留核心土;鄂北地區水資源

配置工程

中圖法分類號：TV554文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.009

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0045 - 04

塌方是隧洞開挖施工中常見的現象，在實際工程中，需要根據各工程施工條件和地質條件，制定出合理的塌方處理方案[1-2]。地下洞室常見的開挖方法有全斷面開挖法、短臺階開挖法、長臺階或分層開挖法、導洞超前法、留核心土法和分部分層開挖法等，然而在面對隧洞塌方處理時，大部分開挖方法難以實施。多數塌方需要處理破碎松散的巖石和泥土的混合塌方體，自穩條件和應力承受能力極差，開挖時掌子面極易出現反塌現象，甚至會因反塌而誘發新的塌方[3-4]。一般情況下，采用預留核心土法和分部分層開挖法配合相關支護措施進行塌方處理，能夠解決上述難題。本文介紹了兩臺階預留核心土環向開挖法在鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）大竹園隧洞大塌方處理過程中的應用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄂北工程是以城鄉生活、工業供水和唐東地區農業供水為主，是通過退還被城市擠占的農業灌溉和生態用水量，以改善受水地區的農業灌溉和生態環境用水條件的一項大型水資源配置工程。受水區設計水平年總人口481.81萬人，灌溉面積24.23萬hm2（363.5萬畝），多年平均引水量7.7億m3，渠首設計流量38.0 m3/s，工程規模為Ⅱ等大（2）型。工程輸水線路總長269.672 km，沿程設計流量38.0～1.8 m3/s。主要建筑物類型有取水建筑物、隧洞（含土洞）、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各類水閘（閥）、土石壩、溢洪道及跨渠交通橋等。

大竹園隧洞起訖樁號212+680～216+750，全長4 070 m，隧洞設計進口接楊家畈隧洞，出口接垛子灣明渠。隧洞線路走向總體從西北向東南。隧洞設計引水流量9.5 m3/s，底板高程104.56～104.14 m，設計縱坡為1∶9 600，城門洞形斷面，過水凈寬4.0～4.8 m。隧洞沿線地面高程121.6～207.6 m，相對高差約85 m，為低山丘陵地形。隧洞穿越多段沖溝，溝內有較多溪流與山塘分布。

1.2 工程地質

1.2.1 設計地質條件

大竹園隧洞設計圍巖以震旦—青白口系白兆山組（Z2b）黑云母片巖、鈉長片巖和震旦—青白口系岔河組（Z2c）鈉長片巖夾大理巖為主，巖體完整程度為較完整，圍巖整體穩定，Ⅱ類圍巖占隧洞總長的98%。隧洞處于地下水含水層之下，地下水活動輕微。設計圍巖分類詳見表1。

1.2.2 實際地質條件

大竹園隧洞已完成洞身開挖1 365 m，其中，Ⅱ類圍巖355 m，Ⅲ類圍巖110 m，Ⅳ類、Ⅴ類共900 m。洞身開挖實際圍巖以石英鈉長黑云片巖、綠簾鈉長黑云片巖局部夾透鏡狀大理巖、變質砂巖為主，巖石呈薄層理狀結構，巖體破碎。部分層溶蝕孔隙發育，洞段地下水活躍。圍巖受滲水水蝕作用，軟化現象明顯，整體極不穩定，易坍塌。

1.3 隧洞洞身大型塌方病害

在大竹園隧洞洞身開挖過程中，樁號214+528、214+535、216+412、216+289先后發生過4次大型塌方，其中，214+535處大型塌方造成地表塌陷冒頂。大型塌方發生的主要原因為鈉長片巖受構造作用，裂隙、節理發育，巖體破碎，整體穩定性差，另由于巖體受裂隙水水蝕軟化、泥化作用明顯，洞身開挖后自穩性極差，發生坍塌。結合4次大塌方實際情況，針對施工中出現同類地質病害洞段的情況，迅速組織施工隊伍采取兩臺階預留核心土環向開挖法進行各類大型塌方處理，縮短病害處理時間，提高處理工作效率，同時確保施工安全。

2 兩臺階預留核心土環向開挖法

2.1 施工優點

（1）施工作業安全性好。在拱部初期支護的保護作用下，預留核心土和臺階下部，開挖具有更好的安全性。

（2）掌子面穩定性較好。預留的核心土能穩定支承掌子面，防止再次垮塌，并在后續開挖中迅速形成穩定性較好的拱部初期支護。由于工序少、進尺短，使初期支護更早封閉成環，發揮拱形支護效應，有效控制圍巖及支護變形。

（3）施工作業便捷性好。施工工序簡單，開挖和支護易于控制，并可配合機械化施工，難度小。

（4）施工方案綜合效益好。不需要輔助其他臨時支護，在保證施工安全的前提下，節省了資金和時間。

2.2 施工工藝

（1）拱部開挖、支護。拱部采用人工掏槽開挖方式，施工中嚴格控制開挖進尺，每循環進尺不大于0.5 m，采用人工直接開挖掏槽或用風鎬開挖人工配合開槽方式。拱頂槽孔成型后立即噴射厚5 cm的C25混凝土預支護，確保槽孔基本穩定，不再坍塌掉塊，及時按設計方案，對拱部鋼拱架、系統錨桿、鎖腳錨桿和鋼筋網進行施工。施工中應注意鋼拱架安裝尺寸與大型塌方后洞室實際斷面基本相符，確保鋼拱架與基巖面密貼。同時，施工中應嚴格確保拱腳處鎖腰錨桿的施工質量（包括滿足材質、施工長度、鉆孔安裝方向、注漿質量等要求），確保下部邊墻開挖時不出現沉降變形失穩。

（2）左（或右）邊墻開挖、支護。拱部開挖、初期支護完成后，及時進行左（或右）側邊墻部位開挖。人工采用風鎬開挖或破碎錘機械開挖方式，施工中嚴禁爆破開挖。左（或右）側邊墻開挖完成后，按拱部施工要點進行初期支護。施工中應注意左（或右）側邊墻鋼拱架與圍巖的密貼性、與拱部鋼拱架連接的牢固性、拱架底座支撐的可靠性。

（3）右（或左）邊墻開挖、支護。左（或右）側邊墻開挖、初期支護完成后，再進行右（或左）側邊墻部位開挖、支護，施工方法、要點同上方左（或右）側邊墻。

（4）下一循環。左、右邊墻開挖、支護完成后，再進行下一里程的開挖、支護，如此循環，直至整個塌方段處理完成，最后進行核心土的開挖清除。

3 在大塌方處理中的應用

3.1 前期工作

（1）塌方掌子面封閉。大型塌方基本穩定后（無異響、巖塊基本停止掉落）及時安排作業人員現場察看，現場核實后方已完工段初期支護有無大的裂縫、混凝土掉落、巖體掉塊等異常情況，發現異常及時處理，確定安全后立即對塌方掌子面噴射C25混凝土，封閉掌子面，噴射厚度為10 cm，防止塌方繼續擴大發展。

（2）塌坑回填。如果大型塌方導致地表塌陷冒頂，掌子面封閉完成后及時對地表塌坑采用人工或機械裝運土方、小型夯機進行回填夯實。必要時在塌坑外側增設截水溝，將地表水引流至塌坑外?；蛩踊靥钔戤吅罅⒓锤采w遮雨布，確保雨天雨水不滲入塌坑內。

（3）完工段塌腔探測。掌子面發生大型塌方后，人工及時探測掌子面后方已完工段5～10 m是否存在塌腔（至少保證5 m，結合分析大竹園隧洞4次大型塌方實際情況，存在塌腔的可能性大），探測可采用人工拱頂部鉆孔方式。發現塌腔后立即對該完工段拱頂部新空腔處進行注漿回填密實，確保其拱頂部空腔不持續發展。

（4）建立安全作業面。在大型塌方掌子面后方5～10 m范圍內人為建立一安全作業面，作為后續長管棚施工安全作業面及塌方處理過程中出現異常情況人員逃生通道。對掌子面已完工段5～10 m段初期支護鋼拱架進行全斷面注漿加固，確保該里程段支護鋼拱架與圍巖固結、受力穩定。注漿管采用Φ42小導管（L=4 m），縱向間距80 cm，環向間距100 cm。同時，在該里程段隧洞底板底面標高下20 cm增設混凝土反拱，反拱鋼筋采用已完工設計同類別工字鋼拱架，縱向間距與完工段工字鋼拱架設計間距相同。反拱鋼拱架與原支護鋼拱架焊接、封閉成環，確保鋼拱架受力穩定。反拱鋼拱架安裝完成后立即澆筑厚20 cm的C25混凝土，及時養護。

（5）超前地質預報。塌方里程采用TSP、CFC或人工超前鉆孔方式進行超前地質預報，初步判定掌子面圍巖地質、滲水等情況，根據判定的地質預報情況及時調整施工方法、支護參數，確保后續塌方處理施工及前方洞身開挖施工安全。

3.2 塌方段處理

（1）跟管式超前長管棚。安全作業面完成后，擬在安全作業面內已完工段距離掌子面約5 m拱頂處，施作跟管式超前管棚進行支護?？紤]到塌方體松散，鉆孔后容易發生塌孔，自進式管棚推進難度大。管棚為Φ108（壁厚δ=6 mm），長度為15～20 m，環向間距40 cm，導向管采用Φ133（壁厚δ=6 mm），長度為2 m，導向管利用完工段原支護鋼拱架焊接固定。管棚安裝完成后及時進行注漿，注漿一般原則上采用單液漿（必要時可摻加水玻璃調整為雙液漿），水灰比為0.8∶1.0～1.0∶1.0，實際注漿量由監理現場核實，確保掌子面塌方空腔處回填密實。

（2）塌方段開挖。管棚注漿完成后及時進行塌方段洞身開挖，開挖采用兩臺階預留核心土環向開挖方式（圖1），即拱部開挖→拱部初期支護→左或右邊墻開挖（圍巖較差的一側先行開挖）→左或右邊墻初期支護→右或左邊墻開挖→右或左邊墻初期支護→下一循環（圖2），開挖過程中一直保留塌體中間核心土，其主要目的是有利于開挖掌子面的穩定，同時作為人工掏槽開挖、支護的工作平臺。

3.3 其他措施

為確保塌方前方洞身開挖施工安全，擬對塌方掌子面前方10～20 m段洞身開挖均采用兩臺階預留核心土環向開挖法，機械配合人工開挖。初期支護參見塌方段處理圍巖設計，支護參數見圖3，同時增設混凝土反拱，避免發生二次塌方。

同時，要做好施工安全監測工作，注重圍巖監測和觀察，專職安全監測人員隨時注意塌方掌子面圍巖巖質和分布情況變化、節理裂隙發育程度和方向以及巖體裂隙涌水量，關注隧洞有無坍塌現象。同時，測量人員每天定期進行塌方體開挖完工段監控量測工作，遇到變形或險情及時與設計方聯系，并迅速撤離作業人員，確保施工安全。

4 效益分析

采用兩臺階預留核心土環向開挖法施工方案和相關技術措施，保證了施工質量和安全，也取得了顯著的經濟效益。

（1）施工現場安全可控。在整個大塌方段施工過程中未出現一起人員傷亡以及設備物資受損的情況（圖4）。同時，在塌方段緊后不良地質段開挖支護各工序施工作業穩步順利推進，安全風險大大降低。

（2） 施工現場質量可控。由于整個塌方段通過時，均有預留的核心土支承掌子面，分層分臺階開挖成洞效果較好。同時，工序少、進尺短，能使初期支護更早封閉成環，發揮拱形支護效應，有效控制圍巖及支護的變形。通過對埋設于拱頂和邊墻上的監測點近一個月的監測數據回歸分析可以看出，在完成支護成環的前3 d，收斂與沉降變形最大，但也控制在2 cm以內，圍巖總體處于穩定狀態。在完成支護成環第三天后，收斂與沉降變形已趨于穩定，變形控制效果顯著。

（3） 施工作業便捷性突出。為確保圍巖穩定，塌方段處理均未進行爆破開挖，同時由于預留核心土大大降低了有效開挖量，實際開挖均為人工采用風鎬開挖或破碎錘機械開挖的方式。施工工序簡單，開挖和支護易于控制，工人施工積極性較高，施工銜接效率較高。

（4） 施工方案綜合效益好。通過對比前幾次塌方處理以及其他不良地質洞段處理方法，采用兩臺階預留核心土環向開挖方式能夠最大限度保證圍巖穩定，確保隧洞開挖穩步推進。創造了21 d順利通過單個大塌方點，較上次塌方處理至少縮短10 d的成績，確保了工程進度可控。同時，節省投資20余萬元，取得了良好的經濟效益。

5結 語

兩臺階預留核心土環向開挖法特點是分部分臺階施工簡單，能最大限度減少對不良地質段圍巖的擾動，施工速度較快，但必須配套強支護、輔助施工方法、監控量測、快速施工、合理布距、動態管理等相應保證措施，確保施工安全。兩臺階預留核心土環向開挖法在鄂北工程大竹園隧洞大塌方段處理中成功應用，對該工程后續塌方處理以及其他類似小斷面不良地質段水工隧洞的開挖具有一定借鑒意義。

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（編輯：李 慧）

Application of advanced excavation method of arch top and side-wall with middle part reserved in tunnel collapse treatment

ZHU Shengwei，Feng Xiaoqing

（Construction & Management Bureau of North Hubei Water Transfer Project， Wuhan 430062， China）

Abstract： In the emergency treatment of tunnel collapse in poor geological belt， it is important to choose reasonable and quick excavation method to ensure the stability of surrounding rock and construction security. Taking the Dazuyuan tunnel in North Hubei Water Transfer Project as an example， the technique and application of advanced excavation method of arch top and side-wall with middle part reserved are introduced. The construction practice showed that this method can ensure the construction quality and security， improve the construction efficiency. The construction of the Dazuyuan tunnel was advanced by 10 days and the cost was saved for over 200 thousand yuan.

Key words： hydraulic tunnel; collapse treatment;advanced excavation method of arch top and side-wall with middle part reserved; poor geological condition;? middle part reserved; North Hubei Water Transfer Project