引洮工程15#飽和黃土隧洞主要病害及防治措施

鄭云峰 ,諶文武 *,劉小偉

（1.西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學土木工程與力學學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

引洮工程是甘肅省有史以來最大的水利工程，屬大型跨流域自流引水工程。工程地質條件復雜，存在河床深厚覆蓋層、秦嶺北緣斷裂帶、深埋隧洞高地應力、白堊系及第三系紅層、濕陷性黃土及飽和黃土等引起的重大工程地質問題。

引洮供水工程總干渠主要以隧洞建筑物為主，布置隧洞17座，93.52 km，占全長的84.7%。工程還包括3條總長146.18 km的干渠和20條總長256.52 km的灌溉支渠。

洞室開挖后由于二次應力的作用，圍巖將有可能發生較大的變形，甚至引起邊墻或拱頂巖層向洞內鼓脹破壞，造成圍巖的不穩定，因此對圍巖的這種變形穩定性必須予以評價[1]。隧道施工過程經常會遇到不穩定圍巖、濕陷性黃土等不良地質現象，存在著巖石開裂、掉塊、坍塌、地下涌水等安全隱患，嚴重影響了施工安全、施工質量、施工進度、施工投資[2-3]。所以本文著重研究在引洮工程總干渠 15#隧洞施工過程中遇到的不穩定圍巖病害及防治措施，同時進行圍巖變形位移觀測，其目的是了解飽和黃土隧洞圍巖的變形特性、成洞條件和穩定性，為隧洞設計及施工開挖、支護等提供科學的依據。

1 引洮工程15#隧洞地質環境

總干渠15＃隧洞及連接段工程區位于甘肅省定西市安定區和隴西縣境內，屬大（2）型二等工程。15＃馬蓮灘隧洞洞身段（樁號101+797.85～106+502.49），全長4704.64 m，橫斷面型式為類馬蹄型，凈斷面尺寸3.80 m×3.89 m（B×H），設計縱坡為1/100 0，設計引水流量21 m3/s，加大流量24 m3/s（圖1）。

圖1 隧洞凈空面示意圖 (mm)Fig.1 Sketch of tunnel cross-section(unit:mm).

1.1 地貌與地質背景

本標段位于隴西黃土高原區，是黃土殘塬和黃土低山梁峁與河谷相間的地形地貌。海拔1 500～2 626 m，相對高差一般小于300 m。土體結構疏松，植被稀少，在夏秋暴雨沖蝕作用下易產生大量臺塬性水土流失。

工程區位于秦嶺東西向構造帶之間秦嶺褶皺帶與河西構造體系的復合部位，兩大構造體系的復合與疊加形成多個中、新生代斷陷盆地，該標段線路即位于內官—香泉一帶NW向展布的斷陷盆地內[4-6]。

據1:400萬《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001、2008修訂版），工程區地震動峰值加速度0.15 g（相當于地震基本烈度Ⅶ度），場地地震動反應譜特征周期為0.45 s。

1.2 水文地質條件

工程區處于內官—香泉盆地的南部邊緣，干旱少雨，多年平均降水量400～500 mm，地表水資源匱乏，各溝道內沒有常年徑流，僅在強降水條件下有洪流通過。

區內的地下水主要為第四系孔隙潛水，本標段工程沿線主要在前段（15#隧洞部位）有地下水分布，對工程有一定的影響。

1.3 地層巖性和工程性質

工程涉及到的地層主要為第四系松散堆積物，其中黃土類土廣泛分布，具有中高壓縮性、中強濕陷性和弱透水性，作為渠道地基土存在濕陷變形和凍脹破壞問題，需進行工程處理。作為隧洞圍巖，屬極不穩定的Ⅴ級圍巖，成洞條件差，開挖時需加強支護。

15#隧洞所穿越的黃土低山區表部為 Q蘭黃土，結構疏松，厚9～28 m，具中高壓縮性、弱透水性、強濕陷性。中部為 Q粉質壤土，偶夾粉質粘土層，埋深小于l0 m的土層具有強濕陷性，且具自重濕陷性；埋深在l0～20 m段的土層具有中等或弱濕陷性；20 m以下土層不具濕陷性。下部為 Q2al-l重粉質壤土夾粉質粘土，結構密實，具層理，土質不均，局部土層由于持水較多而呈軟塑狀；屬中等壓縮性、弱透水性、非濕陷性土，地下水位以下的土體呈飽和狀態（圖2）。

地質環境與隧道病害的關系為：在地下水的長期浸潤作用下，土體處于飽水狀態，經常出現頂拱塌方、邊墻滑動、墻腳流土(泥)、地板鼓起等變形破壞現象。圍巖極易坍塌變形，破壞嚴重時可造成流土(泥)堵塞隧洞，塌方冒頂至地表。

2 隧洞主要病害特征

圖2 飽和黃土隧洞地質剖面示意圖Fig.2 The geological section of saturated loess along the tunnel.

一般的黃土隧洞出現的不良地質病害有黃土陷穴、地裂縫、滑坡、崩塌、濕陷凹地以及采空區。比如，汗寨隧道、羊馬河隧道、七楞山隧道陷穴發育，其底部在洞身或周圍出露，地下水從陷穴進入洞身，使圍巖產生大面積坍塌[7-8]。還有的隧洞地下水位底，而埋深較淺，圍巖含水率較小，處于非飽和狀態，容易出現裂縫，掉塊，由于水的含量不同造成病害有很大的不同。而本隧洞的主要病害有：

2.1 塌方及其原因

黃土的水文地質和工程地質特性決定了黃土隧道的主要地質災害就是塌。當施工掘進到 K101+920時隧洞洞壁、掌子面水流滲出明顯增大，掌子面及拱頂出現掉塊及局部坍塌現象。隨后采用噴混凝土封閉掌子面，過程中拱頂坍塌變大并出現了流土、流泥等現象，隨后就發生了大規模局部拱形塌方現象。坍塌持續了大約12 小時，坍塌體填滿了隧洞整個空間，長度約20 m、塌方量約為2 500 m3。

塌方原因：（1）施工超進（仰拱、襯砌未施工），出口全段未作襯砌，下臺階開挖施工段過長。（2）隧道塌漏黃土含水率高、垂直節理發育、抗剪能力差。（3）由于該段圍巖由可塑～硬塑狀的重粉質壤土、粉質黏土及軟塑狀的粉質壤土等組成，隧洞圍巖屬極不穩定的V級圍巖。

該土層具有較強的濕陷性，遇水迅速泥化，失去自穩能力。隧洞在開挖過程中洞壁、掌子面中部有1.5～2.0 m高位置出現面狀水流滲出，隨著水流的滲出粉質黏土及軟塑狀的粉質壤土遇水膨脹泥化，出現流土、流泥等現象發生，導致塌方。

2.2 拱架變形

圍巖變形的原因是隧道開挖后，二次應力超過圍巖的強度，使原巖進入塑性狀態。圍巖中出現塑性區導致應力向圍巖深部轉移，與此同時塑性區巖體不斷向洞室方向發生變形，應力逐漸釋放。在這個過程中塑性區的巖體強度有明顯的降低，裂隙增多并張開，最后引起圍巖的破壞[9]。因此在隧洞的施工過程中，拱架會受到很大的來自上方和左右的圍巖的二次應力，導致拱架產生變形，一般的變形量為3～10 cm，較大甚至達到20～30 cm，嚴重影響洞室穩定性，可能演變為塌方，存在重大安全隱患（如圖3）。

2.3 涌水

15＃隧洞地下水位在隧洞的上方 4～37 m，部分地段在開挖中洞壁將有線狀甚至面狀水流滲出。洞壁有流水現象發生，圍巖極易坍塌變形。

3 防治措施

3.1 塌方處理措施

圖3 圍巖擠壓鋼拱架變形Fig.3 Arch deformation caused by wall rock extruding

首先，對被擾動已支護段進行修正和加強支護，對塌渣體施作止漿墻并用混凝土進行初噴，封閉掌子面。然后對塌方體外已進行立拱噴錨支護的地段和對混凝土開裂嚴重的洞段進行加強支護，噴混凝土與支護形成整體，以防塌方的擴大。施作平孔排水管，間距為100 cm×100 cm，梅花形布置，降低塌渣體水壓力，防止圍巖泥化現象加重。最后，管棚、小導管超前預支護加固開挖土體，分臺階開挖，預留核心土。

開挖時有效的做法是：先噴射混凝土，后掛網，再噴射混凝土增加初支的荷載。掛網錨噴后再架I14型鋼拱架，增加支護阻力，這樣能夠有效地防止流土、流泥和再次塌方等現象發生。加強型支護主要體現在將兩榀拱架并成一榀使用，間距由原設計的60～100 cm，加密至40 cm，鋼拱架外側全環加設5 mm厚鋼插板，采用Φ18鋼筋連接，環向間距100 cm。噴射混凝土由原設計的15 cm加厚至25 cm，預留沉降變形量為15 cm。拱架混凝土中部全環布Φ6.5×200×200鋼筋網片。由于土層含水量較大，承載能力差，為穩拱腳，防止拱架下沉，用鎖腳注漿小導管對鋼拱架進行鎖定，兩側拱腳增設槽鋼縱向連接加強支撐[8]。

3.2 拱架變形處理措施

在施工中，初次支護后要讓圍巖自穩一段時間才進行二次支護（永久支護），然而有的地段地質情況不良，造成拱架變形過大，影響隧洞的局部穩定性，同時不滿足隧洞的凈空尺寸要求，因此要進行針對性的修復。

（1）變形已穩定的地區：在拱架變形較大的地段將拱架卸開，然后排出松動土體，緊跟著在內部進行噴漿，同時填充輕質材料，然后進行封堵，再將新的拱架進行支護加固。同時加強拱架之間的連接，提高其整體剛性。注意要減小相鄰拱架的距離，加大拱架密度。注意的是鋼拱架拆換在洞內變形停止后實施，鋼拱架拆換每次拆換1榀，且拆換在盡可能短的時間內進行，拆除后及時架設新拱架和噴混凝土。

（2）變形不穩定區：暫時不進行開挖、削減、更換，而是加強支護，比如增加橫向支撐，保證不會產生較大變形甚至塌方，同時加強觀測頻率，待其變形到一個穩定的階段，再重復上述的方法進行修正，滿足凈空尺寸。

3.3 涌水地段處理措施

采取抽水、排水、導水相結合的有效的、針對性、先進的方法來緩解和避免涌水造成的危害。

在施工過程中設置了降水井，專門抽取地下水來降低地下水位，從而減輕在施工過程中的涌水帶來的危害。在茍家渠設置了七個降水井，深度為 45 m，水井的抽水時間是循環的，因為地下水匯流需要一定的時間。經過測試，每口抽水井的抽水量為3～5 m3/h，抽取塌方部位的地下水，從而降低地下水對開挖造成的危害。

同時在隧洞內部圍巖內設計平孔排水管，梅花形布置，降低圍巖內部水壓力，防止圍巖泥化現象加重。

4 圍巖變形觀測

在施工過程中，要進行地質觀測和預報，對可能出現的不良地質現象隨時觀測，判斷其是否有變形破壞的趨向。安全監測工作是軟巖隧洞信息化設計和信息化施工的靈魂，是保證安全施工減少塌方避免各種安全事故發生的關鍵性措施[10]。由于圍巖穩定性的重要性，需要掌握工程中飽和黃土的變形特征，所以選擇具有代表性的標段進行了圍巖及支護變形測量，從而獲得變形規律，為施工方案及時調整及施工安全提供科學的保證。監測項目主要以收斂監測、拱頂沉降監測為主，位移及應力量測為輔[5-7]。在樁號為105+166設置的一號斷面圍巖收斂變形觀測示意圖中可以看出，在距拱腳離為1.0m安裝左左側為01號點，右側為03號點，洞軸線正上方為2號點。一共測三條測線：01-02，02-03，01-03（圖 4）。隧洞的觀測日期從2010年4月28日至2010年8月26日，收斂監測數據整理見圖5。

從圖5中可以看出：

(1) 三條線都是同一種趨勢，前期增長速度較快，集中在開挖后18～25天內，此階段變形量約占總變形量的85%，然后增長速度就開始減緩，一般可以認為在25～30天內就不會再較快增長，較慢增長或不再增長，判定為基本穩定。

(2) 曲線01-02和02-03二者的收斂變形值基本一致，因為二者均為拱頂到側壁的收斂值，但由于左右圍巖不可能完全一樣。曲線01-03的收斂變形值較前兩者大得多，這是由于側壁發生了較大的位移。

圖4 隧洞內測點布置示意圖 (單位：mm)Fig.4 Arrangement for measure points in the tunnel(unit: mm).

(3) 曲線中前15～20天比較光滑，成連續增長趨勢，之后出現了上下波動的跡象，但波動范圍一般都在1 mm以內。原因是由于初期變形空間較大，所以連續性比較好，但變形發展到一定階段洞室圍巖和支護結構二者成為相互作用的一體，因此出現上下波動現象。可能還有后期一些影響因素，比如前方圍巖的開挖造成圍巖卸荷，也可能是人為測量誤差因素等。由于波動不大均在1 mm之內，因此可以認為已處于穩定狀態。這都說明洞室圍巖具有較明顯的流變性。

圖5 隧洞一號斷面收斂監測結果Fig.5 The deformation observation result on the No.1 cross-section in the tunnel.

(4) 圖中13天后出現了一些斷點，這是由于洞內施工還有天氣的原因沒有采集到數據造成數據短缺；30多天后出現了突變情況，原因是由于前方土體的開挖，施工等人為不可避免因素的影響，造成此段面圍巖應力釋放，產生收斂變形減小但也不排除測量誤差（儀器和人為的原因）。

5 結論

（1）從引洮工程 15#隧洞的施工過程中遇到的一些不穩定工程地質現象造成的危害入手，通過對圍巖的工程地質條件的分析，闡述了塌方、拱架變形、涌水等病害產生的原因和特征。

（2）通過對隧洞內做的圍巖變形收斂試驗數據分析，得出了圍巖穩定的一般規律，穩定時間需要20～25天左右，經過此階段后洞室基本達到穩定狀態，可以進行二次支護。為合理安排施工中初支與二襯的時間間隔提供了科學依據。

（3）在黃土隧洞施工中，設計與施工必須密切配合，確實做到短開挖，強支護、襯砌緊跟，軟弱地層應及時成環，仰拱先行，嚴格按設計要求施工，努力做到在施工期間不發生塌方，竣工后襯砌不開裂，軟弱地基不翻漿。

（4）在黃土地區修建引水隧洞，具有其特殊的地理環境和地質特性，故應當結合當地黃土，尤其是飽和黃土的工程特性，采取相應的工程措施，同時注意加強安全監測工作（變形觀測），同時配合超前地質預報，這樣才能在施工工期內保質保量的完成任務。

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