淺埋隧洞穿越不良地質段技術方案優化研究

馮 璐

（山西省東山供水工程建設管理局，山西 太原 030002）

1 工程概況

山西省東山供水工程是“十二五規劃”山西大水網建設中的一項重要骨干工程，具有隧洞數量多、地質條件復雜、地下水豐富、部分洞段埋深淺等諸多特點，尤其是施工V標在施工過程中先后遭遇五次突水涌泥涌沙事件，施工難度極大。

施工V標為9號隧洞主洞段（樁號YD7+205～YD9+478）的施工，分別設9-1號、9-2號兩條施工支洞。根據勘察地質描述，YD7+615～YD9+275段為土洞段，地面高程1052.4～1129.7m，地下水位標高1043.5～1084.0m，隧洞埋深30～108m，該段巖性為第四系下更新統（Q1）含砂低液限黏土（濕-飽和），地下水位線位于洞頂以上，存在滴水或滲水現象［1］。

2015年8月3日，9-1號支洞控制主洞下游施工至樁號YD8+396時發生突發性涌水涌泥塌方，洞內塌方體延伸約135m，并在地表附近（埋深78m）形成冒頂塌穴，直徑約15m，地表沉降30～200cm。由于塌方體處理難度大，施工風險高，經研究決定從9-2號支洞控制主洞上游掌子面施工，對剩余336m土洞進行單作業面掘進。2017年3月19日，9-2號支洞控制主洞上游掘進至樁號YD8+434時，距離冒頂塌方處僅38m，由于距上游塌方體較近且地質條件相似，暫停了該掌子面施工并研究貫通方案，但在5月5日巡查時發現該作業面發生涌泥塌方，并在后期塌方體清運過程中又連續發生涌水涌泥現象，且規模呈增大趨勢，在9號隧洞YD8+396～YD8+434區間形成了長38m的涌水涌泥塌方冒頂區。

2 塌方成因分析

YD8+396～YD8+434涌水涌泥塌方冒頂區地表位于渣場沖溝下方，地面高程1015～1130m，周邊地勢較起伏，沖溝發育，屬構造剝蝕低山丘陵地貌。根據開挖過程中揭露的地質情況和施工期補勘孔柱狀圖，該洞段從含砂低液限黏土層中穿過，洞頂存在一定厚度的卵石混合土層和級配不良砂層，為主要含水層，地下水位線位于高程1055m左右。

其中，卵石混合土層的特性為:礫卵石為砂巖，礫徑在6～15cm的，約占25%；礫石直徑0.5～5cm的，約占20%；粉細砂，約占30%；土，約占25%。

含砂低液限黏土層特性為:砂為粉細砂，含砂量約為20%。

級配不良砂特性為:結構松散，以粉細砂為主，含砂為60%～80%，土為20%～40%，局部夾低液限黏土層。

塌方冒頂后《地質勘察專題報告》結果顯示:該段隧洞覆蓋層厚度約為80m，YD8+389～YD8+401段洞頂以上及掌子面至地面之間的土層在重力作用下均產生滑動破壞，YD8+427～YD8+435段洞頂以上40m為塌方松散體，其上方12m左右為空腔，空腔深度7.9～11.2m，上部為15～20m地表覆蓋層。

根據以上地質情況分析，該洞段發生涌水涌泥塌方冒頂的主要原因為隧洞開挖后，隧洞頂部的含砂低液限黏土或粉土層厚度變薄，承載力下降，位于隧洞上部的卵石混合土層和級配不良砂層（即含水層）沖破土層形成突發性涌水涌泥塌方，由于該段滲水量較大，土體在滲水水流的浸泡下，由硬塑狀態轉變為流動態，進一步加劇了塌方規模。

3 技術方案比選與工藝性試驗

由于該洞段上下游均發生了較大規模的涌水涌泥塌方，雖然塌方體經過了2～4年的沉淀，但是在洞頂周邊仍然存在塌方擾動的松散體和堆積體，且位于地下水位線以下，因此，在貫通施工中若處置不當極易再次形成塌方乃至冒頂等地質災害。

3.1 技術方案比選

技術方案比選如下:

a.冷凍法［2］:從地表對未開挖洞段采用豎向鹽水冷凍，結合地質鉆孔探明的塌腔及現場開挖情況，初步確定處理范圍為沿洞軸線方向45m，垂直洞軸線方向10m（垂直洞軸線方向開挖邊線兩側各延伸3m），豎直方向63m（凍結至底板以下3m），間排距為1.0m×1.0m，凍結管總長約28600m，鉆孔工期約50天，鉆孔同時安裝制冷設施，鉆孔完成后布設冷卻管路進行冷卻系統設備調試約10天，積極凍結時間約45天（凍結時間根據測溫管溫度確定），為確保后期施工安全，開挖后需進行防水襯砌預計工期7天，綜上，凍結處理總工期約112天。土體凍結完成后，由施工單位進行洞內清淤及開挖襯砌等后續工作，該項工作工期約為80天。

b.化學灌漿法:采用新型雙組分化學材料在洞內進行全斷面注漿，注漿孔主要布置在隧洞起拱上部，注漿范圍為拱頂以上2m。由于洞內清淤工作風險大，如采用該方案，需將洞內135m塌方體進行固結，固結后開挖至掌子面，再對洞頂覆蓋層進行化學灌漿。經測算，每立方米塌方體需0.7t化灌材料，洞內塌方體約1600m3；清淤至掌子面后，每延米隧洞拱頂以上2m范圍內注漿大約需要14m中空鉆桿、每米鉆孔0.5t化灌材料，預計僅化學灌漿材料需3500萬元。

洞內清淤工期大約需50天，化學灌漿每循環可處理7m，化學灌漿作業時間為6天，開挖、支護作業需20天，在不考慮灌漿與開挖作業相互干擾的情況下，135m洞內清淤與38m開挖支護共需要195天。

c.洞內頂管法:需在原開挖洞段擴挖兩個工作井，再將頂管管材逐節頂進，但由于目前對洞頂以上80m高覆蓋松散體條件下的管材結構計算尚無先例，需對頂管結構形式及尺寸進行專項設計［3］。

d.地表灌漿法:由于主洞塌方段兩側均出現塌腔，上下游兩側洞內淤泥呈流動形態，洞內清淤安全風險極大，難以在洞內采取處理措施，因此，首先在剩余土洞段兩側注漿形成止漿墻，然后對塌方冒頂段土體進行高壓旋噴灌漿，待圍巖加固完成后再在洞內采用大管棚結合超前小導管注漿進行超前支護開挖［4］。

綜上所述，冷凍法方案技術基本可行，但受溫度影響較大，工期與凍結效果可控性較差，且處理費用高昂；化學灌漿法投資較大，且從化學灌漿應用實例來看，該松散圍巖條件下化學灌漿的可靠性較差；洞內頂管法擴挖工作井安全風險極高，且需對頂管結構進行專項設計，存在較大的風險；而地表灌漿法技術可行且經濟性較好，但需通過地表高壓旋噴灌漿工藝性試驗對注漿參數及注漿效果進行檢查，因此初步確定采用地表灌漿法方案。

3.2 地表灌漿工藝性試驗

根據前期塌方及地質勘探成果，結合塌方土體擾動情況，分別對擾動區和未擾動區原狀土體進行高壓旋噴灌漿試驗，灌漿試驗豎向范圍為:隧洞輪廓線范圍內為洞頂至其以上20.0m，隧洞輪廓線范圍外為洞頂以上20m至洞底以下2.0m。擾動區選擇在樁號YD8+434附近，未擾動區選擇在樁號YD8+396和YD8+434之間原狀土體區域，每個試驗區內布置兩排試驗孔，第一排試驗孔孔間距為0.8m，第二排試驗孔孔間距為1.0m，兩排試驗孔排距為0.8m，試驗孔之間設檢查孔，具體孔位布置見圖1。

圖1 地表灌漿工藝性試驗孔位布置

高壓旋噴試驗完成后，對試驗1區和試驗2區進行檢查孔取芯質量檢查，取芯成果分別見圖2、圖3。

圖2 試驗1區取芯成果

圖3 試驗2區取芯成果

可以看出，高壓旋噴施工效果與預期效果相差較大，主要表現為鉆孔取芯率低，巖芯中存在無擾動土體，且幾乎看不到水泥結體，這主要是由于高壓旋噴施工段埋深較深（41～61m），旋噴管路較長，導致壓力損失較大，且塌方段地質條件復雜，存在砂層、砂卵石層、粉土層和含砂低液限黏土層，土體均一性較差，施工段土體不易被切割，導致水泥漿液無法擴散至周邊土體中，形成連續密實的樁體。

鑒于第一次試驗段取芯效果不佳，繼續在上游止漿墻位置（YD8+396.00～YD8+398.00）進行高壓旋噴灌漿試驗，墻體厚度為2.0m（沿洞軸線放線），寬度10m（垂直洞軸線方向），垂直旋噴施工范圍為洞頂以上15m至洞底以下2m，并將孔間距加密至40～50cm，試驗過程中繼續對灌漿范圍、提升速度、漿液濃度等參數進行調整，并以是否返漿作為灌漿結束標準，從而力求確保隧洞兩側掌子面形成連續封閉的止漿墻。在實際施工過程中發現Ⅰ、Ⅱ序孔的旋噴注漿量變化不大，推斷Ⅱ序孔可能存在跑漿現象，于是在部分Ⅱ序孔漿液中增加了水玻璃，但吃漿量嚴重超出預期且灌漿效果不可控，遂停止試驗。

4 技術方案優化

由于高壓旋噴地表注漿法不能夠對隧洞上部土體起到良好的加固作用，因此為了保證施工安全，首先需要將塌方松散體與已支護安全洞段區分開來，在開挖支護完好洞段與塌方涌泥交界處設置混凝土灌注樁止推墻，阻斷塌方松散體向洞內進一步滑塌的通道，然后再進行洞內塌方涌泥堆積體的清運工作［5］。塌方段洞內超前支護仍然采用大管棚注漿方案，但須從上下游兩側同時施作1環，并對大管棚進行結構優化加強，采用φ108二級管棚，內置材料為φ76和φ25鋼筋束，從而在塌方段頂部形成一個相互搭接的“頂棚”。待上述工作完成后，采用“分臺階、預留核心土”方案進行開挖掘進，并輔以φ42超前小導管支護措施，直至隧洞順利貫通。

4.1 混凝土灌注樁止推墻

混凝土灌注樁止推墻垂直于洞軸線方向長度10m，采用單排灌注樁施工形成。灌注樁直徑80mm，孔中心線間距1.0cm，單根長度65m。鋼筋采用φ20和φ25，鋼筋間距20cm，鋼筋主要布置在灌注樁底部20m內，頂部45m采用卵石土回填。

考慮到止推墻位于塌方區附近，土體松散，施工成孔難度大，因此采用泥漿護壁方案，并根據不同土質條件變換泥漿制備方法，即當在黏土或粉質黏土中成孔時，可注入清水，以原土制漿，排渣泥漿密度控制在1.1～1.3g/cm3，在其他土層中成孔，可選用黏土或膨潤土制漿，但在穿過砂卵石層或容易塌孔的土層時，需將泥漿密度控制在1.3～1.5g/cm3。

4.2 大管棚注漿超前支護

大管棚直徑為108mm，壁厚5mm，長度30m，間距0.3m，傾角5°。在φ108鋼管內安裝3根φ25鋼筋束和φ76鋼管，以增強管棚的剛度。為保證3根φ25鋼筋束受力，應采用間隔焊接的方式固定在一起，使鋼筋接頭相互錯開連接，并與鋼管接頭不處于同一平面上。

管棚注漿前采用噴射混凝土對掌子面進行封閉，形成止漿墻，防止漿液外溢影響注漿效果，注漿順序遵循“先兩側后中間，兩側對稱向中間靠近，先灌無水孔，后灌有水孔”的原則，灌漿壓力0.3～0.5MPa，采用0.5∶1、0.8∶1和1∶1三種水灰比漿液由稀到濃逐級進行。

管棚施工完成后，在管棚外側布置一排φ108排水花管，排水花管采用焊管制作，制作和安裝方法與管棚施工方法一致，但需在安裝前用土工布將排水花管包裹固定平整，從而起到“濾土排水”的作用。

4.3 掘進開挖

剩余土洞段開挖按照“分臺階、預留核心土”的方案分上臺階、下臺階、底板三部分進行。在上臺階開挖時采用機械開挖，預留掌子面中部核心土和30cm保護層，核心土大小以方便鋼拱架拼裝為宜，每循環開挖進尺0.5m；待上臺階開挖完成后進入下臺階開挖，開挖方法同下臺階，上下臺階之間的距離控制在3m左右。當隧洞掘進5m后，由里向外進行底板土體開挖，并根據現場底板基礎承載力進行底板C20混凝土回填。

5 結 語

a.對于淺埋土洞段，尤其是當隧洞位于地下水位以下時，極易發生不良地質災害，需要提前采取相應的超前預報措施或工程措施進行預判與處理，以保證施工安全。

b.在該塌方冒頂區技術方案比選中，討論了冷凍法、化學灌漿法、洞內頂管法及地表注漿法，經綜合比選確定對地表注漿法進行工藝性試驗研究，但是發現對于地質條件復雜，存在砂層、砂卵石層、粉土層和含砂低液限黏土層的不均一地層，土體不易被切割，難以形成連續密實的樁體，施工效果與預期效果相差很大。

c.針對不同地層條件下的塌方處理措施，由于存在問題的多樣性與復雜性，可以采取“邊試驗、邊施工、邊論證”的方式予以推進。在通過該塌方冒頂區過程中，提出了“鋼筋混凝土灌注樁止推墻+大管棚超前支護”的施工技術方案，目前已在實施過程中，效果良好，可為同類工程提供借鑒。