小洞徑引水隧洞的塌方處理及預防措施

楊照明

（新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊 830000）

唐 虎

（新疆阿拉山口供水工程建管局 博樂 833400）

1 工程概況

新疆阿拉山口供水與生態建設工程是為解決我國西北邊陲最大的鐵路、公路并舉的一類口岸——阿拉山口口岸水資源嚴重匱乏的引水工程，主要由取水樞紐、引水線路（包括管道和隧洞）、尾部調節水庫等組成，工程2006年7月正式開工，2009年10試運行通水。

引水隧洞是該工程的關鍵控制工程，全長14.346km，設計開挖斷面為2.5m×2.5m，城門洞形，為無壓引水洞，洞身大部分在較完整的花崗巖體中，不需襯砌，但對遇到斷面破碎、裂隙發育、有地下水的圍巖必須進行全斷面襯砌支護。隧洞1號豎井上游地質情況最為不利，在施工中遭遇兩次塌方，建設者克服工作面狹小、地下水滲漏等困難，歷時半年的努力，最終使該段貫通。

2 塌方情況及原因分析

由于阿拉山口引水隧洞洞徑小，故施工中采用全斷面掘進法進行開挖。1號豎井上游段處于多條地質斷層交匯處，根據總體布局的需要，設計洞軸線要不可避免地經過這些不良區域，向西200m范圍內為一與隧道軸線接近垂直的大沖溝，地表有一流量為40L/s的地表徑流，沖溝底部有一組斷層通過，單個斷層破碎帶寬0.3～1m，隧洞在該段通過時，上覆巖體厚38m左右，有地下水沿節理、斷層帶和斷層影響帶入滲洞中，總入滲水量為30m3/h，對施工造成影響，隧洞通過斷層時，由于地下水作用造成小規模巖體失穩，由于巖石破碎并有裂隙水滲流，地質結構形成次生軟巖，自身穩定性很差，屬Ⅳ類圍巖。2007年，在110m處由于施工方法不當首次出現塌方，在運渣時，掌子面不斷塌落，后來施工采用管棚法強行通過，由于沒有及時進行襯砌，被地下水浸泡。2007年由豎井向上游掘進至245.5m時又遭遇泥砂壯粉碎性巖石塌方，無法繼續掘進。

經分析，原因主要有以下兩點：

a.地質勘察對所在地段的地質和水文地質資料掌握不全面，對可能出現的塌方，沒有可靠的預防處理技術措施。

b.施工方法不當。初始在該段開挖爆破時，采用強爆破或裝藥過多，破壞了巖石的整體性引起第一次塌方，由于沒有采取正確的方法，一味出渣，塌渣量不斷增大，形成洞頂空腔。處理完第一次塌方繼續往上游掘進時，由于支撐結構不合理，支撐構件強度低，或支撐位置和高程不當，拆除時擾動，加上沒有做好施工排水，使圍巖長期浸泡，處于飽和狀態，山巖壓力增大，引起第二次塌方。

3 塌方處理措施

3.1 第一次塌方的處理

首次在1號豎井上游110m塌方時，掌子面持續滑落的渣料充滿掌子面，且補給量很大，一時難以清除，塌穴形狀和大小無法查明，地下水的侵擾更是惡化了施工環境；施工采用了管棚法超前臨時支撐、開挖導坑的方法穿越塌方體，在導坑頂部用鋼管密集插入塌方體，形成棚頂，在棚頂的保護下，逐步開挖進占，并考慮邊開挖邊加固支撐。具體步驟如下：

a.采用工字型鋼軌預制鋼拱桁架。

b.逐段施工排水，保證掌子面不被浸泡。

c.采用廢料工字鋼和30mm直徑鋼管，按一定水平間距沿隧洞設計開挖線以外斜向打入塌方體內形成頂棚。

d.在臨時支撐的保護下，邊挖邊撐，將隧洞設計開挖線內的塌渣逐段清除。清除時將掌子面固牢，循序漸進，逐步推進。

3.2 第二次塌方的處理

由于首次塌方處理時沒有約束掌子面的變形，工字鋼支護嚴重侵線，工字鋼支護上是塌方堆集體，水量較大，造成該段后來需要拆除拱架，用格柵拱架支護，采用超前小導管加固圍巖止水等措施進行重新擴挖和支護。

掘進至1號豎井上游245.5m掌子面時再次發生大塌方，泥沙夾碎石將作業面封堵，部分拱架嚴重變形，圍巖裂隙水發育為股狀，滑落體為泥石流性質，塌方長度無法判定，處理難度更大。為了保證整體的的施工進度，建設者在第一在塌方段上游220m處打一斜井，從上游向下游掘進，以保證未完的開挖段掘進施工，并接近塌方段背面進行處理。第二次塌方處理的步驟如下：

a.對1號豎井上游掌子面進行漿砌石封堵，控制頂部塌方繼續擴展。

b.將原采用I20工字鋼制作的支撐鋼拱用I25工字鋼制作的支撐鋼拱替換。自首榀支撐鋼拱外1m處采用風鎬剝離圍巖，徑向擴挖0.40m；沿原支撐鋼拱外緣造孔；重新布置超前錨桿和小導管（φ42無縫鋼管×2.5m）；在擴挖處支撐新的兩榀I25支撐鋼拱；依照拆除→擴挖→支撐→布置超前錨桿和小導管的順序逐步替換原支撐鋼拱。

c.及時跟進混凝土支護作為二次永久支護。

d.從1號斜井向下游采用超前導洞法開挖。

根據夾泥層情況提前探知掌子面巖石狀況，減少對欲保留圍巖的破壞，根據觀察夾泥層主要為鈣化土裹挾巖塊，在地下水的浸潤下48h發生塑性變形，形成泥石流狀塌方，所以在開挖過程中嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支撐、快襯砌”的原則，在巖石裂隙發育、圍巖性狀較好段打排水孔，降低地下水壓力，結合洞內排水，減少洞內積水對掌子面的影響。

爆破開挖分為兩段進行，先行爆破中心掏槽孔，清渣完畢后觀察是否出現夾泥層，發現夾泥層時，周邊孔不裝藥，作為減震孔使用，爆破完畢、風鎬剝離成型后立即跟進一次鋼制拱架超前支撐，在條件成熟情況下及時襯砌。

4 小洞徑塌方處理的經驗與預防措施

對于小洞經隧洞，由于全斷面掘進、工作面狹小、不良的工程地質條件是發生塌方的客觀因素，如果所采用的施工方法和客觀的工程地質條件不相適應，對發生塌方的可能性估計不足，就會常因開挖爆破強烈震動或支撐構件強度低、地小水浸泡圍巖等主觀原因引起塌方。一旦塌方，處理難度較大，不僅擾亂了正常的施工，也延緩了工期。

塌方發生后，應首先加固未塌地段，以防塌方蔓延，讓搶險工作有一個安全的空間。同時組織相關人員到塌方現場調查研究，查明塌方范圍、性質及塌方圍巖的構造和地下水活動情況，認真分析塌方原因，及時制定出可行的塌方處理方案。

當塌方量不大時，可采用將塌方全部清除的處理方法。在清除塌方之前，應將塌方頂部支撐牢固，或將掌子面注漿凝固，避免繼續塌落。因為當隧洞發生第一次塌方后，自然拱范圍內還有繼續坍塌的可能，塌方坑道的兩側邊坡常不穩定，先清除塌渣可能會使側壁因失去平衡而松動塌落，塌方坑道進一步增寬，自然拱進一步增高而再次塌方，如此反復，極有可能引發大塌方。

如遇大的塌方，原則上應在完善已開挖洞段的一、二次支護體系后再掘進，隧洞頂部已塌落的空腔一定要封閉，用砂袋或輕型材料回填，小導管注漿，以免留下隱患。該次塌方處理是首先封閉掌子面和塌方段，以約束掌子面變形，再支護，考慮在洞頂2～3m范圍內形成固結凍結或沿拱部開挖線先打入管棚加固后再開挖的方式處理。

根據該工程隧洞塌方處理，我們總結出了以下預防措施：

a.設計時深入調查和勘探隧洞所在區的地質和水文地質，對不良地段要有充足的認識，盡可能全面掌握所有可能發生塌方的不良地質情況。若洞線必須經過斷層、地下水和軟弱破碎帶等不良地層，應先考慮相應的技術措施，選擇正確的施工方法，認真做好施工組織設計，以便指導工程施工。

b.施工中應正確合理選擇施工方法和防塌方技術措施，準備必要的材料和工具。防塌方措施有：做好施工排水、采用弱爆破或不爆破開挖技術、合理掌握開挖進度、支撐緊跟掌子面并適當加強。

c.施工中應經常檢查，及時發現發生塌方的種種預兆，及時采取工程技術措施，防止塌方事故的發生。

d.對極破碎帶要按照軟巖隧洞的施工規范施工，穩中求快，在塑形變形之前必須完成一次超前強支護，一次支護一般都要靠錨桿、噴混凝土等，最好二次支護及時跟進，必要時補充隨機錨桿，用短錨桿形成一個系統，還可固定鋼支撐、掛網等。網片可提前做好，現場拼接，接好后噴混凝土。

e.一次支護一定要緊貼掌子面，用管棚推進、小導管灌漿封堵以進行提前加固，保證前方的自穩時間。

f.自穩能力比較好的地段，也存在斷層、破碎等，可能造成局部軟巖現象，不能長時間暴露臨空面，一次支護要及時跟進。

g.隧洞開挖超前加固時可在洞內排水，盡量降低地下水壓力，緩解地下水對施工產生的不利影響。水平排水要確保作業面無地下水影響，在洞側墻底部打排水孔，降低巖石裂隙水壓力，減少對不良地段的影響。

h.爆破要分段進行，一方面提高爆破效果，另一方面提前探知前方巖石狀況，以便及時調整爆破方法。

i.及時對襯砌外的空洞和圍巖進行加固，填實塌穴，進行回填灌漿，力求根治。

5 結語

小隧洞全斷面掘進中往往會碰到勘探工作難以探明的地質情況，要隨時隨地進行設計資料和實際工程地質的對比，從理論和具體地質情況兩方面預見塌方的可能性，果斷準確地采取相應的預防措施，達到防患與未然的目的。