淺談引水隧洞冒頂塌方處理方案

單柏翔

1 概述

某重點供水工程在176+382～193+498樁號范圍內為馬蹄形無壓隧洞，毛洞開挖洞徑7.3 m×6.7 m（寬×高）。本次冒頂塌方位置位于1#支洞～2#支洞洞段之間，該樁號位置洞段洞室為Ⅴ類圍巖，埋深約為48 m，在勘查報告中的不良地質段樁號范圍內。

上述隧洞不良地質段在施工開挖過程中發生塌方現象，塌方范圍自樁號D180+878至D180+885.2，塌方方量約為157 m3。

洞內塌方發生后不久，隧洞樁號D180+885處洞頂以上34～48 m地表面發現塌陷。經現場量測，地表坍塌范圍為8.7 m×9.9 m（南北長×東西長），塌陷深度約為13.8 m，坍塌坑近似圓形，坑洞周圍約1.0 m范圍內地表出現裂縫，裂縫寬度1 cm～8 cm不等，具體塌方型式見圖1。

圖1 隧洞冒頂塌方示意圖

2 工程地質條件

本段洞室巖性為白堊系義縣組泥質粉砂巖，灰色～灰綠色，弱風化，泥質結構、層狀構造，層理產狀 187°∠13°，層厚2 cm～20 cm；巖石點荷載換算成單軸飽和抗壓強度為11 MPa，屬軟巖；巖體層理發育，短小節理裂隙較發育，節理多為陡傾角，與層理面近垂直，節理面多呈微張狀，無充填，平直光滑～起伏粗糙；巖體完整性差，局部拱頂部位較破碎；地下水呈干燥～滲水狀。本段圍巖類別均為Ⅴ類。

3 冒頂塌方原因分析

隧洞開挖過程中，該段隧洞發生方量較大的塌方，該處圍巖蝕變、風化、軟化較重，節理裂隙發育以正南向，中～陡傾角為主，洞內塌方處理過程中未將洞室上部坍塌的空腔完全填實，受大氣降水下滲和巖體風化的綜合影響，空腔上部巖體沿層理面方向逐步坍塌，塌腔頂部逐步向上延伸，直至接近地表。

4 洞內塌方處理方案

4.1 加強洞內初期支護

洞內塌方發生后，根據現場塌方情況，利用塌方渣體作為平臺對塌腔部位噴射混凝土封閉，以防止其繼續擴大，并采取鋼拱架進行二次加固措施，鋼拱架間距0.8 m，連接筋采用F25螺紋鋼，間距30 cm布設于拱架全周，鋼拱架內側中間采用網格為10 cm×10 cm的雙層F8 mm鋼筋網焊接。在拱頂塌腔中心部位及兩側間隔部位分別安裝長度為3 m的φ80 mm無縫鋼管和φ42 mm無縫鋼管，作為塌腔回填時的注漿管和排水管，當噴射混凝土強度達到設計強度80%以上后，利用預留注漿管分層回填C30混凝土至2.5 m厚，剩余空腔預留注漿管于洞段開挖完成后固結灌漿密實。

4.2 洞內注漿加固

對樁號D180+870～D180+904范圍內洞段全斷面進行固結灌漿。灌漿孔采用梅花形布置，排距2.0 m、灌漿孔長度為6.0 m、孔徑為38 mm～40 mm。灌漿孔分三序布置。固結灌漿孔內設置止漿塞，止漿塞距孔口0.5 m，在巖石破碎帶段止漿塞封閉漿液困難時，在孔口設置孔口管，孔口管采用Φ56 mm的無縫鋼管。固結灌漿壓力最大不宜超過1.0 MPa，灌漿壓力和漿液水灰比應依據灌漿試驗確定。全斷面固結灌漿應按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》SL62-94執行。

4.3 洞內設置排水孔

對樁號D180+870～D180+904范圍內洞段周設Ⅲ型排水孔。排水孔采用梅花型布置，排距3 m、深入巖石2 m、孔徑為38 mm～40 mm。排水孔鉆孔完畢后，應仔細沖洗干凈，加以保護。

5 洞外地表塌陷坑處理措施

5.1 地表塌陷坑處理

首先應在塌陷坑附近設置安全警示牌，設置圍欄并封閉現場，并安排專人看守現場，保證周圍村民安全。然后在地表塌陷坑四周布置臨時截水溝，同時為防止地面徑流流入塌陷坑內，避免更大范圍的坍塌，還需要在較低位置處設置截水溝出口進行排水[1]。

5.2 填實塌陷坑

對塌陷坑內采用洞渣回填，回填料最大粒徑為150 mm，地表以下3 m范圍石渣回填要求分層夯實，相對密度不小于0.65，石渣回填至地表以下0.5 m。

塌陷坑地表以下0.5 m至地表范圍內采用耕植土回填，耕植土需滿足當地耕作要求。

5.3 地表充填灌漿

對塌陷坑地表外邊線2 m范圍內，高度為地面以下0.5 m至隧洞頂部上方3 m范圍內采用鉆孔充填灌漿，灌漿孔采用梅花形布置，間距為2.0 m×2.0 m，孔徑為42 mm，隧洞邊線3 m范圍內灌漿孔鉆至隧洞頂部以上3 m（鉆孔深約42 m），其余灌漿孔鉆至隧洞底部高程處（鉆孔深約52 m）。灌漿壓力宜控制在0.2 MPa～0.5 MPa范圍內，下部采用高壓力灌漿，上部采用低壓力灌漿，進行最上部灌漿時，當地面開始出現返漿現象發生時，即可停止灌漿[2][3]。灌漿漿液采用水泥砂漿。相關要求如下：

（1）采用水:水泥:砂為0.6∶1∶2配合比的水泥砂漿。（2）水泥材料采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。（3）砂的質量應符合SL62-2014第3.1條規定。

（4）由于灌漿初期達不到規定壓力，采用小壓力（0.1 MPa）長時間灌漿為主（30 L/min），在壓力穩定后（0.2～0.5 MPa之間），判斷灌漿段吸漿量≤0.4 L/min后，再持續灌注10 min左右，可灌漿結束。

（5）地表充填灌漿結束后，需清除鉆孔內的積水、污物，并采用配合比為1∶2的水泥砂漿進行全孔封堵，最后抹平。

（6）地表充填灌漿結束后，承包人應在3～7天內對灌漿孔進行檢查。并將灌漿檢查記錄和有關資料提交監理人，以便擬定檢查孔的孔位。對灌漿孔進行檢查時，數量不少于2個，且不應相鄰[4]～[5]。鉆孔取芯要求芯樣連續完整，石渣間填充密實。否則，應按監理人指示或批準的措施進行處理。

（7）檢查孔封孔：應排除鉆孔內積水和污物，采用1∶2水泥砂漿將全孔封堵密實和抹平，地表灌漿具體形式見圖2。

圖2 地表固結灌漿孔平面布置圖

6 結論及建議

施工處理完成后，在隧洞冒頂塌方處增設監控量測斷面，實施地表下沉、拱頂下沉、洞內及地面斷面收斂監測，經監測發現，除地表受雨水及施工震動因素影響，初期有局部地表下沉變形外，冒頂塌方區拱頂總下沉量和收斂量均在規范要求范圍內且結構趨于安全穩定狀態，證明本次塌方冒頂處理方案時合理的，保證了隧洞結構的安全穩定及工程的順利進行。

通過對地面塌陷坑回填石渣及沖填灌漿，加強洞內初期支護、設置洞內排水孔及固結灌漿等措施，順利地治理本次冒頂塌方事故[6]，可以為其他工程提供經驗參考依據。通過本次冒頂塌方案例，對預防引水隧洞冒頂塌方事故的發生在設計與施工方面提出以下建議：

（1）長距離引水隧洞在選線、施工方案設計之前，應詳細勘測規劃范圍內的地質情況，針對可能出現的不良地質條件，應重點研究初期支護體系設計、支護及時性和施工方法，從根源上避免出現冒頂塌方事故。

（2）隧洞開挖過程中，應根據實時掌握的圍巖變化情況，及時調整和優化開挖、支護方案，對不良地質段應適當加強支護措施，并做好安全監測，保證支護參數和施工質量滿足隧洞施工設計規范要求。

（3）隧洞開挖過程中，應做好施工區域的排水工作，及時監測隧洞周圍地下水位變化，防止地表水下滲改變巖土層及圍巖構造面力學性質。

（4）在隧洞開挖過程中一旦發生塌方事故，應及時封閉掌子面，對塌方體采取加固措施和及時填實坍塌的空腔，防止塌方進一步擴大，避免地表塌陷事故的發生。

[1]劉臻.隧道坍塌冒頂事故的原因分析與施工預防措施[J].黑龍江交通科技，2013.07.

[2]沈林.關于隧道冒頂處理的施工方法[J].科技資訊，2014.11.

[3]劉亞濤.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區獨山隧洞冒頂塌方處理技術[J].工程技術，2014.02.

[4]龐游洋.淺談淺埋隧道塌方冒頂處理技術[J].北方交通，2015.02.

[5]潘秀峰等.對團結水電站引水隧洞在施工中塌方導致冒頂的分析與研究[J].黑龍江水利科技，2002.3.

[6]張樹明.牛角沖隧洞塌方冒頂的處理[J].浙江水利科技，1996.01.