富水粉細砂層隧道突涌塌方處理方案

趙敬波

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京市 101300）

1 概述

2016年9月6日，山西小浪底引黃工程引水干線2#隧道土洞段開挖至里程56+434時，隧道拱頂出現直徑約1 m的塌腔口，伴隨著出水、拱部土體及細砂顆粒逐漸從塌腔口向掌子面塌落。

9:00，塌落體已堆滿整個掌子面，且繼續向后方堆積，于右側邊墻起拱線附近形成泥沙流。

10:40，泥沙已沖積至距離掌子面20 m左右位置，且仍舊向后方發展。

15:30，泥沙堆積物涌至距離掌子面70 m左右的位置，塌方體逐漸穩定。通過現場估算此次坍塌方量約為1400 m3左右。

2 工程水文地質

塌落物介于粉砂至粉土，含泥含水量大，遇水呈流體狀，具有較大黏性，人員、機械行走困難。判斷該段巖性以低液限黏土為主，洞頂存在粉細砂層，有地下水。

3 地表地物情況

里程56+434附近地表高程585 m，地勢由西北向東南方向傾斜，略有起伏，附近存有一定數量的廠房、水池、民房、電線電桿等建筑物及電力設施，電力電線走向與洞軸線一致；隧道洞頂至地表深度為101 m，離里程56+434最近的地表建筑為一處混凝土結構蓄水池，距離約20 m，經沉降觀測未發生地表塌陷現象。

4 處理方案

通過對洞內塌方現場進行詳細踏勘，對塌落物進行分析，回看現場塌方發生的過程視頻，初步推測該段塌方部位地層結構，如圖1所示。

圖1塌腔地層推斷圖

該方案優先考慮洞內處理，具體施工步驟如下。

4.1 泥沙清理

待洞內泥沙堆積物趨于穩定后，對泥沙堆積物進行清理，最大限度地減少擾動，采用機械配合人工的方式，從下游方向逐步向上游方向進行清理。清理至距離掌子面30 m的位置時（里程56+464），為防止后續清理過程中掌子面松散體向下滑落可能導致的二次坍塌，距離掌子面15 m（里程56+449）處設置密排小導管柵欄（此步驟可在前方泥沙清理過程中多次使用）[1]。具體步驟如下：

為方便人員出入，首先鋪設竹膠板至里程56+449處，人工清理施工平臺，架設橫向支撐鋼架，支撐鋼架與初支鋼架搭接牢固，并依托橫向鋼支撐施作密排小導管，小導管單根長度4.0 m，向下斜角30°直達隧道底部，尾部與鋼架焊接牢固。小導管施作結束后，對柵欄前后附近拋填片石擠密松散體。

清理柵欄后方泥沙堆積物，及時進行土石反壓回填，回填高度2～3.5 m，逐步清理泥沙并回填片石砂袋反壓至距離掌子面15 m位置（里程56+449）。

自里程56+449開始，先清理上臺階泥沙，為防止在清理過程中發生二次滑塌，上臺階清理至距離掌子面10 m位置（里程56+444）時，設置C20噴射混凝土墻，厚度50 cm，拱部采用 108 mm管棚對前方松散體及塌腔口周邊進行水泥-水玻璃固結注漿。管棚具體施工部位及間距根據現場施工條件確定，為確保管棚能夠穿越前方塌方松散體并插入原狀土體，此次管棚施工長度為16 m。管棚注漿固結之后繼續清理上臺階塌方體至掌子面里程56+434，下臺階清理泥沙逐步跟進至距離掌子面5 m位置，臺階形成后采用C20噴射混凝土封閉掌子面，設置C20混凝土墻，厚度50 cm。

4.2 塌方及塌方影響段初支背后注漿固結加固

泥沙清理完成后對掌子面塌方及其影響段初支背后土體進行排水固結和注漿加固及止水，施工順序為先拱部后側墻；施作 42 mm徑向小導管，長度3.0 m，環向間距0.8 m，縱向間距1m，梅花形布置；小導管穿透初支混凝土，深入初支背后土體，入土深度不小于2.5 m，利用小導管對初支背后積水進行降排，待排水充分后，為進一步固結初支背后土體，對 42 mm徑向小導管進行固結注漿，并逐環向掌子面推進，采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力為 0.5～1 MPa。

在不改變地層組成的前提下，將土層顆粒間存在的水強制擠出，使顆粒間空隙充滿漿液并固結。其注漿特性是使該土層黏結力、內磨擦角值增大，使地層黏結強度及密實度增加，起到加固作用；顆粒間隙中充滿不流動而且固結的漿液后，可以使土層透水性降低，從而形成隔水層。

為確保隧道掌子面的穩定，灌漿前對該段初支進行加固，利用已有平臺，于起拱線附近架設鋼橫撐及斜撐，橫撐與平臺之間的間隙利用木板加固墊實。加固方式如圖2所示。

圖2 初支加固示意圖

4.3 塌腔回填

洞內初支及背后土體注漿固結加固后，對坍塌里程地表進行測量放樣，確定灌注孔及排氣孔的位置，采用地質鉆機對已測定好的孔位進行鉆孔，孔徑130 mm，鉆孔方向垂直于隧道洞身，鉆孔以鉆桿到達空腔頂部作為結束條件，詳細記錄鉆孔過程。

進行地表C25混凝土回填灌漿前，根據鉆孔取得的數據，估算空腔體積、形狀，確定理論灌注量；為減輕混凝土回填過程中隧道塌方段初支背后受力，整個地表回填灌漿分多次進行，首次灌注厚度不大于塌腔高度的1/3。為保證隧道后期運營及地上建筑物安全，需確保塌腔部位回填充分后方可結束灌注。

灌注過程中洞內應暫停施工，防止因灌漿過程中初支背后受力過大，導致隧道掌子面初支變形、塌方擴大等情況發生，且應保持洞內洞外聯絡暢通。

4.4 管棚超前加固施工

待回填混凝土達到設計強度70%后，首先拆除洞內臨時鋼支撐，搭建管棚施工平臺，施作超前大管棚。此次采用跟孔鉆進的施工方法進行管棚施工[2]。

自里程56+434開始在拱部180°范圍內設置管棚，管棚長度12 m，管棚密排布置，管棚外插角為 5°～8°。

4.4.1 管棚施工參數

（1）施作范圍：拱部180°，每環管棚長度為12 m，管棚搭接長度4 m。

（2）鋼管規格：熱軋無縫鋼管 108 mm，壁厚6 mm。

（3）傾角：仰角8°（不包括隧道縱坡）。方向：與路線中線平行。

（4）管棚鋼筋籠：鋼筋籠主筋采用 20 mm螺紋鋼，每根管棚內設3根，長度12 m，成等邊三角形布置，三角形邊長8 cm，箍筋采用 8 mm圓鋼，縱向間距30 cm。

4.4.2 施工準備

（1）利用隧道洞口的現有場地實現“三通一平”。

（2）鋪設鉆孔平臺。利用鋼管搭建活動式管棚施工平臺，寬度與隧道寬度相同，長度從掌子面向洞口方向鋪設10 m，根據鉆孔位置調整到合適高度，鉆機要求與已設定好的孔口方向平行，鉆機位置必須嚴格按照施工要求設置。

4.4.3 施工方法及順序

（1）鉆孔施工。拱部180°施作管棚，拱頂范圍鋼管以隧道中心線為基礎上仰8°，用全站儀測定中線，水準儀配合垂球吊線的方法測定仰角，準確定位。根據現場實際情況，若邊墻也需要施作則待拱部施工結束后再繼續下挖，進行兩側管棚施工，直至結束。

開鉆時先低速低壓，等成孔幾米后再加速加壓。鉆進過程中隨時檢查鉆孔方向的準確度。

（2）按設計位置施工布置，鉆機立軸方向必須準確控制，以保證孔口的孔向正確，鋼管隨著鉆頭的鉆進入孔，鉆進中應經常采用測斜儀量測鋼管鉆進的偏斜度，發現偏斜及時糾正。

（3）入管。為使鋼管接頭錯開，有必要對鋼管進行鋼節編號。

4.4.4 超前管棚注漿

采用一次全鉆孔注漿，管棚注漿達到漿液擴散半徑不小于0.5 m，根據土質情況選定注漿方式，水泥漿水灰比1∶1。配置水泥-水玻璃雙液漿。注漿壓力：初壓0.5～1 MPa，終壓2.5 MPa。

4.5 開挖及初支

管棚注漿施工結束后，采用三臺階法進行人工開挖，只清理自然滑下來部分，或對塌坑周壁進行噴射混凝土支護，厚度不小于10 cm。

初期支護采用I16型鋼鋼架，鋼架間距50 cm；上臺階鋼架設臨時橫撐，待下臺階鋼架落底成環后再進行拆除。每榀鋼架設置 25 mm鎖腳錨桿，錨管長3 m，每榀設置8根。 8 mm鋼筋網片，網格間距為15 cm×15 cm。采用 25mm縱向連接筋對鋼架進行連接，環向間距0.5 m，噴射C20混凝土，厚度為15 cm。

為控制圍巖收斂及沉降變形，初支完成后及時對底板進行封閉成環。底板擴挖20 cm，底板鋼支撐及時封閉成環，并澆筑C25混凝土。

5 結語

（1）富水粉細砂層顆粒松散，無黏聚力，遇水極易液化，開挖過程中極易發生突涌塌方，對隧道結構和施工人員設備造成極大的危害。

（2）土質地層條件下，圍巖變化快，為加強地質預見性，在進行地質勘察時應對勘探點進行加密，針對圍巖變化及時進行方案調整。

（3）針對在富水粉細砂層等極軟弱圍巖條件下的隧道突涌塌方處理，在塌落體清理前應對其進行加固，避免發生二次突涌塌方。

（4）處理過程中應極其重視臨時支撐的施作，避免隧道結構發生變形破壞，危及人員安全。