淺埋輸水隧洞不良地質洞段塌方處理措施分析

沈 晶，金學洋

（湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430070）

1 工程概況

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱鄂北工程）是從丹江口水庫清泉溝隧洞引水,向湖北省北部的襄陽市、隨州市和孝感市供水的大型調水工程,工程設計年引水量7.7 億m3,設計供水人口482 萬人,灌溉面積約363.5 萬畝,輸水線路總長269.67 km,沿線主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各類水閘等,其中輸水隧洞共有55 座,總長119.43 km。

快活嶺隧洞位于湖北廣水市快活嶺村東南方向約300 m,長1.16 km,布置于輸水線路樁號242+250～243+410 段,為無壓輸水隧洞,隧洞設計引水流量3.5 m3/s,設計縱坡為1/9600,底板高程101.38 m～101.26 m,橫斷面為馬蹄形,過水凈尺寸為2.9 m×2.9 m（寬×高）。隧洞沿線地面高程113.00 m～134.00 m,相對高差21 m左右,為崗坡狀地形,沿線山包植被發育。快活嶺隧洞在樁號242+590～242+690段下穿水塘,塘內水深約為0.5 m,洞頂基巖及覆蓋層厚度為9 m～15 m,埋深較小,約為3倍的開挖洞高,圍巖類別為Ⅳ～Ⅴ類,自穩能力較差,開挖狀態下易失穩[1]。

2 隧洞塌方過程及原因分析

2.1 洞內塌方過程

快活嶺隧洞采用鉆爆法開挖,施工至下穿水塘段前樁號242+600 時,已采用抽排的方式排干了洞頂水塘,塘底只剩局部含水的淤泥質土層,此段隧洞爆破施工每循環進尺控制為1.0 m。施工至樁號242+620 處,掌子面圍巖巖性為白云鈉長片麻巖,呈強風化狀,圍巖類別為Ⅳ類,在一循環出渣作業后立即進行鋼拱架支護,當完成鋼拱架支撐后正準備架設超前小導管時,發現掌子面滲水逐漸變大,拱頂部位有少許掉塊,施工單位立即組織人員與機械撤離,隨后掉塊迅速加快直至洞頂出現塌方,經查勘地表塘內已基本無水,塘底出現裂縫及小范圍的塌陷。從塌落下來的渣體看,圍巖較為破碎,夾雜黑褐色粘土,經抽排洞內積水,推測滲流量約2 L/s。由于圍巖自穩能力差,加之夏季陣雨頻繁,有繼續坍塌的趨勢。

2.2 基本地質情況

工程區屬秦嶺褶皺系一級構造單元,快活嶺隧洞位于桐柏-大別中間隆起帶（二級）漿溪店-大貴寺復背斜（三級）大山口倒轉復式向斜南西翼,兩翼出露地層為元古界紅安群七角山組（Pt1q）白云鈉長片麻巖（圖1）,核部地層為元古界紅安群大山口組（Pt1d）硅質泥質條帶微晶白云巖,寬約0.5 km～1.0 km,核部復式褶曲明顯。軸面向S倒轉,轉折端在鷹咀山,產狀為170°∠35°。北翼巖層傾角較陡,為70°～80°,南翼約50°。隧洞軸線方向角為S86°40'34"E,巖層片理產狀225°～250°∠27°～36°,片理走向與洞線交角42°～67°。其中樁號242+590～242+690段下穿水塘,洞頂埋深12 m左右,其中地表覆蓋層厚度約3 m,覆蓋層主要為第四系殘全新統坡積堆積粘土（Q4al）。洞頂基巖厚度僅為9 m,巖性為白云鈉長片麻巖（Pt1q）,呈強風化狀,巖體透水率q=13.22 Lv～60.15 Lv,為中等透水。

圖1 隧洞淺埋段地形地質平面及地表灌漿孔布置示意圖

2.3 塌方原因分析

隧洞塌方區地表處為水塘,雖然開挖前已抽水排干,但夏季陣雨較多,此處位置低洼,塘底極易匯水并向下滲入。洞頂覆蓋層厚度較大、結構較為松散,圍巖厚度小呈強風化狀態,片麻巖巖層產狀較緩、強度較差、遇水后易軟化,在自重和水壓力作用下,加之鉆爆施工時的擾動導致分層失穩進而產生塌方,洞內坍塌物呈泥夾石狀,主要來源于洞頂覆蓋層及強風化基巖[2]。

3 處理措施

3.1 排水及掌子面封閉

首先在地表水塘附近設置安全警示標牌和防護圍欄封閉現場,禁止非施工人員與車輛進入,然后在水塘四周布置臨時截水溝,防止地面徑流流入塘內。洞內先抽排積水并清理淤泥,然后在掌子面坍塌體處回填一定厚度的開挖石渣并壓實,坡度不陡于1∶1,對堆渣體表面進行噴射10 cm厚C25 混凝土封閉,堆積體坡腳采用反壓沙袋進行加固。

3.2 地表固結灌漿

待截排水完成且掌子面封閉砼強度達到70%左右后,在樁號242+615～242+700 段洞軸線兩側5 m范圍內采用地表固結灌漿加固[3],灌漿孔間排距2.0 m,梅花形布置,共布置11 行43 列237 個灌漿孔。灌漿孔底板高程為110.63 m（其中樁號242+615～242+620 為已開挖洞段,鉆孔底部位于洞頂105.94 m高程）,孔深13.7 m～19.5 m,總鉆孔深度約3930 m,其中覆蓋層鉆孔約110 m,基巖鉆孔約3820 m。為保證地表耕植土深度同時減少注漿量,高程111.14 m以上只鉆孔不注漿（圖2）。

圖2 隧洞淺埋塌方段地表固結灌漿及超前管棚支護示意

固結灌漿孔孔徑不小于56 mm,注漿材料為水泥漿,對回填部分采用靜壓或低壓注漿,注漿壓力0.2 MPa～0.3 MPa,注漿深度范圍為100.63 m～111.14 m。灌漿過程中發生冒漿、漏漿時,根據具體情況采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇、待凝等方法進行處理。漿液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四級,開灌漿液水灰比選用3∶1。當灌漿壓力保持不變、注入率持續減少時,或注入率不變而壓力持續升高時,不應改變水灰比,當某級漿液灌入量達到300 L或注漿時間已達30 min,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時,應改濃一級水灰比。當注入率大于30 L/min時,可根據具體情況越級變濃。灌漿段在最大設計壓力下,注入率不大于1 L/min后繼續灌漿30 min后,可結束灌漿[4]。

3.3 超前大管棚

布置超前大管棚前,需在242+610 處原鋼拱架頂部和底部分別安裝副拱和反拱,材料為I16 型工字鋼,副拱和反拱與原拱架牢固焊接,反拱處噴射20 cmC25 混凝土回填（反拱拱架及混凝土不侵占永久襯砌斷面）,確保封閉成環的鋼拱架穩定。按同樣的措施在242+611 處原拱架布置安裝副拱和反拱,兩榀閉環的鋼拱架作為管棚的支撐結構（圖3）。

圖3 管棚及鋼拱架支撐示意圖

超前大管棚單根長15 m,布設范圍為拱頂120°范圍,共布置7排,前后排搭接長度不小于3 m。管棚注漿鋼管采用管徑φ108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管,由3 m、6 m長兩種規格用15 cm長絲扣直接對口連接而成,縱向同一橫面內的接頭數不應大于50%,且相鄰鋼管接頭錯開。鋼管管壁加工注漿花孔,孔徑φ16 mm,排距10 cm設置,每排2 孔,呈梅花形排列,前段作成15 cm的尖錐形,尾端3 m不做鉆孔。管棚注漿鋼管每排環向間距均為40 cm,上傾角為5°,注漿鋼管與兩榀副拱牢固焊接,角度偏差應控制不超過1°。管棚注漿材料為水泥漿,水泥漿水灰比為1∶1,注漿壓力初壓為0.5 MPa～1.0 MPa,終壓為2.0 MPa,漿液擴散半徑≥0.5 m,當注漿量達到設計數量或注漿終壓達到2.0 MPa而漿液注不進時,再穩壓3 min～5 min即可結束注漿。同時,注漿的漿壓濃度及壓力根據現場的實際情況進行調整。注漿結束后立即清除管內漿液,并用M20 水泥砂漿充填封孔密實[5]。

3.4 開挖及支護

隧洞樁號242+620～242+700 淺埋段開挖遵循“短進尺、弱爆破、強支護”的原則,采用臺階法開挖,每循環進尺控制在0.5 m以內,在開挖過程中嚴格按照“邊掘進邊支護”的原則進行施工,開挖后及時進行支護。

初期支護按照“先噴、后錨、再噴”的順序施工,采用鋼拱架支撐,材料為I16 型工字鋼,縱向間距為50 cm,鋼架之間設縱向連接,鋼拱架應在初噴混凝土后及時加設,拱腳應與鎖腳錨桿焊接牢固。隧洞全斷面布置M20 水泥砂漿錨桿,桿體材料為直徑22 mm HRB400 級鋼筋,錨桿長3 m、間排距1.0 m,梅花形布置,錨桿安裝一般應采用“先注漿后插桿”的施工工藝,砂漿密實度應達70%以上,桿頭與鋼拱架牢固焊接。噴護采用掛φ8@15 cm×15 cm鋼筋網噴砼支護,采用20 cm厚C25 砼噴護,與圍巖的粘結強度不低于0.8 MPa,鋼筋網宜在初噴混凝土后鋪設,鋼筋網應與錨桿及鋼拱架牢固聯結（圖4）。隧洞永久支護采用50 cm厚C25 鋼筋混凝土襯砌,襯砌拱頂120°范圍應進行回填灌漿,宜在混凝土襯砌強度達到設計強度的70%時盡早進行,灌漿均采用硅酸鹽水泥漿,漿液水灰比按1∶1、0.8∶1、0.5∶1三級分序加壓,灌漿壓力采用0.3 MPa～0.5 MPa。

圖4 開挖及初期支護示意圖

為能及時觀察隧洞淺埋段圍巖的變形及穩定、支護結構的應力及外水壓力等情況,在242+620、242+650 及242+700處布置3 個監測斷面,分別埋設收斂計、多點位移計、錨桿應力計、鋼筋計、應變計等對隧洞斷面收斂變形、圍巖內部變形、錨桿應力、襯砌鋼筋應力、襯砌混凝土應力應變、外水壓力等進行監測。根據監測的結果反饋,淺埋段3 個監測斷面收斂變形為-4.6 mm～3.4 mm,圍巖深部位移為3.5 mm～5.3 mm,并且在1 個月左右后逐漸趨于穩定,錨桿、鋼拱架、襯砌鋼筋應力應變均在允許范圍內,地表也基本無沉降變形。

4 結語

本文基于鄂北工程快活嶺隧洞下穿水塘淺埋段的塌方事件,采取洞內掌子面回填封閉后在地表覆蓋層及強風化基巖層進行固結灌漿,并在洞內采用超前大管棚支護和臺階法開挖施工的處理措施,開挖時安全順利通過此段。開挖揭露的洞頂圍巖呈硬殼狀,片麻巖層間膠結良好,隧洞形成了整體的固結拱圈,自穩性明顯增強,表明固結灌漿和管棚支護對淺埋不良地質洞段開挖提供了有力的安全保障。

鄂北工程輸水線路上游歪寨隧洞下穿水塘淺埋段開挖前參照此法進行超前處理,施工時未發生塌方或冒頂事件,安全完成貫通。目前鄂北工程已完成全線試通水,經現場查勘并結合相關監測資料分析,兩處淺埋不良地質洞段均處于安全運行狀態。因此,淺埋隧洞不良地質洞段施工前應及時查清地表情況,采取排水措施減小外水內滲,洞內施工應提前做好地質預報,對有可能發生垮塌的洞段及時采用超前支護,一旦發生塌方事件,及時采取上述處理措施,能確保人員安全和施工質量。