牛營隧洞塌方流砂技術處理

【摘 要】牛營隧洞開工以后，由于出現軟弱夾層和流砂、滲水，致使工程被迫停工，工程采用了 “超前排水、加強支護、短尺掘進”的技術方案，并總結出了工程施工技術要求。

【關鍵詞】軟弱夾層；排水；支撐；開挖

牛營隧洞是固原市東山坡引水工程的重點工程，也是制約全線貫通的“瓶頸”工程。隧洞全長1157.85ｍ，比降為1/5000，設計流量為1 m3/ｓ，設計底寬為11 m，水深0.63m，隧洞洞身為C20預制鋼筋砼三鉸拱片，抗滲標號為W4，抗凍標號為F100。工程開工一段時間開工以后，由于出現軟弱夾層和流砂、滲水，致使工程被迫停工，發現在施工中仍然存在許多重大技術處理問題。

1. 施工情況及存在問題

2005年5月8日，在進口正常施工掘進的情況下，隧洞出口在223米（樁號17+993）處出現了底部涌水，涌水量達11～12t/h，造成隧洞兩側塌方流沙，平均2m深，隧洞頂部塌高1.3m左右，最大塌方面積達13.3m2，并造成洞底部塌陷4m深的洞穴，建設方及時邀請了專家和有關技術人員對隧洞出口掌子面的塌方情況進行了察看，提出塌方處理方案，采取埋管排水、支護強進和突擊出渣的辦法，隧洞兩側回填漿砌片石，頂部回填硬雜木和加氣砌塊，在采取安全措施的情況下，兩側及掌子面1米以下打樁插鋼板阻擋流沙，并在底部安裝35×70×270cm方框一邊掏沙一邊下沉至隧洞底部清基高程，然后安裝底板，再安裝側拱，平均1天掘進安裝1套拱片（0.6m）。隧洞進口從7月21日在669m處出現流沙，日趨嚴重，雖然采取超前支護，因巖層膠結差，塌方面積增大，右部塌深6米多，巖土和水的混合物類似泥石流流出，且掌子面及洞頂軟弱層不斷塌落，造成支護的導管隨軟弱層滑落，原有超前支護方案失敗，已無法再進行施工，施工單位于7月30日申請停工。8月2日，進口出現大面積流沙，造成塌方堵塞全部工作面，水量達17t/h，流沙淤積洞內長達200多米，隧洞669m全部有積水，水深在1.5m。8月16日，施工單位開始進場安排抽水清沙，實測淤積泥沙深度在洞內487m處0.4m，在527m處0.8m，掌子面可能淤積到洞頂高度1.9m處，預計洞內流沙淤積量在370m3左右，目前洞內還有142m長的淤積流沙需要清除。

2. 處理措施

根據隧洞進出口出現的涌水流沙而產生的塌方情況分析，現在進出口掌子面相距223m，而且都出現涌水流沙造成洞內塌方，推斷為進出口巖層基本屬于同一地質結構，屬于松散結構地層（砂質泥巖），遇水立即松散，兩側巖層因松動隨涌水一起流動，頂部塌高2m多，兩側塌深近3m，采取超前支護措施無法再施工。9月2日，區水利設計院及有關專家與建設、監理、施工單位的技術人員再次進隧洞出口檢查時發現隧洞掌子面流沙還在繼續涌出，塌體在逐漸擴大，為及時解決牛營隧洞洞內塌方問題，要完成剩余的223米隧洞掘進任務，采取了以下措施：（1）洞內改線，在進口施工掌子面后退10米與出口施工掌子面連線為掘進施工線，避開進口大塌方和冒頂段，而且節省了工程投資。（2）制定了“超前排水，加強支護，短尺掘進”的施工方案，采用單層輕型井點降水，每次降深2－3m為1個循環段，基本達到不流沙邊坡穩定，支護方法采用簡易木支撐和煤礦使用的摩擦柱支撐相結合辦法，保證洞內施工安全，每次掘進控制在能安裝1套拱片為宜，短尺掘進，逐漸攻克出現的涌水、流沙、塌方地段。

3. 施工技術

為了完成剩余的222m隧洞開挖掘進工程，遵循“超前排水、加強支護、短掘進”的原則，提出牛營隧洞軟弱巖層段開挖工程施工技術要求：

3.1 超前排水。洞室大量滲水、涌水的部位，不但容易造成流沙、塌方，而且已影響工程的進度和質量。因此，在水文地質條件惡劣的地下工程施工中，排水成為預防塌方的主要手段。

（1）在掌子面拱片外側布置井點位置，每側布置3孔井點安裝1臺自吸式離心水泵。

（2）井點管埋設可采用鉆孔法，埋深3m，間距一般為0.5－0.8m，洞內井點降水每3m為一個循環進尺。

（3）井點管埋設后，要接通與水泵設備進行抽水，檢查有無漏水，漏氣，淤塞等情況，出水是否正常，如有異常情況應及時檢修。水泵安放在拱片外測底部，不允許懸掛在隧洞內側而影響洞內正常施工。

（4）井點運行要連續抽水，正常出水規律為“先大后小，先混后清”，集水總管安放在洞內頂部，用75mm塑料管分接連接，每接長5m，每隔2.4m設一個連接井點管的接頭。

（5）洞內安裝4套拱片后，方可拆除井點系統，循環作業。水泵、井點管完好者可連續使用，以降低工程費用。

施工的原則是：“勤排水、短開挖、不中斷”。采用洞外抽水井降水與洞內負壓降水相結合的施工措施，以解決該段開挖掘進中出現的軟弱夾層漏水和滲水問題。

3.2 構架支撐。在牛營隧洞工程中缺乏錨噴技術設備的條件下，或為了應急的需要，也可使用木支撐。架設時，應滿足下列要求：

（1）支撐應有足夠的整體性，接頭要牢固可靠，各排之間應用剪刀撐、水平撐及拉條連接。

（2）每排支撐應保持在同一平面上，在平洞中應與洞軸線相垂直。

（3）支撐柱基應放在平整的巖面上。

（4）支撐和圍巖之間應用板、楔等背材塞緊。

（5）支撐位置應在襯砌斷面以外；

（6）支撐拆除時，應采取可靠的安全措施。

3.3 洞室開挖。

（1）在巖體松散、軟弱破碎、多水的不良地段開挖平洞時，堅持預防為主的方針，在保證安全和質量的前期下，制定切實可行的施工方案。

（2）在松散、破碎的巖體中開挖洞室，應盡量減少對圍巖的擾動。宜采用先護后挖或邊挖邊護的方法。在四、五類圍巖中，應適當減少循環進尺。

（3）在構架支撐圈內采用人工開挖或用風鎬開挖，嚴禁爆破作業，嚴格控制每一循環進尺為0.6m，以安裝1套拱片為宜。

（4）地下水活動較嚴重地段宜先治水后治塌方。

（5）拱片安裝、拱背回填、勾縫灌漿施工仍然執行原來已制定的施工技術要求或施工規范。

3.4 塌方處理。在地下工程開挖中，由于地質情況錯綜復雜，要求絕對避免塌方事故，往往比較困難。在發生塌方以后，如何安全迅速地進行塌方處理，是地下工程施工中的關鍵環節。

（1）深入現場觀察研究，分析塌方原因，弄清塌方規模、類型及發展規律，核對塌方段的地質構造和地下水活動狀況，盡快制定切實可行的塌方處理方案。

（2）在未制定塌方處理方案前，切忌盲目地搶先清除塌體，否則將導致更大的塌方。

（3）對洞內塌方，在塌頂暫時穩定之后，立即加固塌體四周圍巖，及時支護結構物，托住頂部，防止塌穴繼續擴大。

（4）有地下水活動的地方，宜先治水后治塌方。

（5）認真制定塌方處理中的安全措施，加強安全教育，稍有疏忽，不但會造成工傷事故，還可能使塌方情況惡化。

（6）充分保證塌方處理的必須器材設備供應，避免中途停工。

4. 經驗與建議

牛營隧洞“超前排水、加強支護”的施工方法，為本區水利工程隧洞施工提供了成功的范例，施工過程中出現流砂、大量滲水、軟弱夾層、復雜的地質條件，給施工帶來了許多新的技術問題并都均以成功解決，使工作人員在實踐中總結了許多經驗，從而保證了東山坡引水工程的質量和本地供水需要。