泉州市引調水工程黃塘隧洞塌方原因與處理措施分析

秦志國

(泉州水務工程建設集團有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概況

泉州引調水工程系惠女至菱溪、黃塘引調水工程，從水源較豐富的惠女水庫引水入供水壓力較大的菱溪水庫和黃塘鎮，優化區域水資源配置格局，工程輸水線路總長40.121km，總投資7.68億人民幣。其中黃塘段隧洞長1.850km(樁號范圍為ZH10+360.216-ZH12+210.671),設計輸水流量為2.89m3/s，隧洞開挖斷面采用馬蹄形，為平底圓形，開挖洞徑2.8m，襯后洞徑2.0m。開挖底寬2.4m，隧洞采用不襯砌(I、II類圍巖)、噴混凝土襯砌(III類圍巖)和鋼筋混凝土襯砌(IV、V類圍巖)三種型式。

2019年4月初，黃塘隧洞開挖至樁號ZH11+478后，洞內發生塌方和冒頂，在地表形成一個直徑約18m，深度約6m的近方形坍坑，位于隧洞塌方段上方的山圍塘庫水沿坍坑下泄而干涸，見圖1。

2 隧洞塌方段工程地質條件

2.1 區域地質背景

泉州市位于閩東南地區，西北部大地構造單元屬于閩東火山斷拗帶，主要分布上侏羅統-白堊系中性、酸性火山巖，地勢較高，多為中低山、丘陵地貌，地質構造以斷裂為主，北東向的福安-南靖斷裂帶經過本區；東南部屬閩東南濱海斷隆帶，地層巖性主要為燕山期花崗巖、動力變質巖，地勢較低，地形起伏高差不大，地貌由丘陵地貌向沿海過渡為殘坡積臺地、沖淤積平原，北東向的長樂-詔安斷裂帶和北西向的永安-晉江斷裂帶經過本區。

圖1 坍坑地表全貌

2.2 隧洞工程地質特征

泉州市引調水工程處于閩東火山斷拗帶和閩東南濱海斷隆帶交接地帶，引水隧洞塌方段位于惠安縣黃塘鎮壩嶺村東部，屬于剝蝕殘丘地貌，地面起伏不大，地表高程50-65m，隧洞塌方段上方發育一淺緩沖溝，沖溝流水方向為北東至南西，其下游為一山圍塘，蓄水約2.0萬m3，隧洞開挖方向為NE36.31°，大角度交沖溝從山圍塘庫尾穿過，埋深約25m，隧洞上方處的山圍塘水深2.0m左右

根據鉆孔揭示，隧洞上覆巖土層為：①砂質黏土：灰褐色，以黏性土為主，含砂量較高，揭露厚度2.3m；②礫砂：褐黃色，稍密，以中粗砂為主，含約35%的礫粒，揭露厚度2.6m；③全風化二長花崗巖：灰褐色、褐黃色，巖芯呈散體狀、砂土狀，原巖結構大部分被破壞，主要成分為石英砂、高嶺土、及未完全風化的長石等，厚度5.9m；④強風化二長花崗巖：灰褐色、灰黑色，巖芯呈碎塊狀，鐵錳質侵染，常夾風化輝綠巖脈；⑤弱風化-微風化二長花崗巖：灰白色，巖石呈短柱狀、長柱狀，花崗結構，節理裂隙局部較發育，部分被鐵錳質浸染。

根據注(壓)水試驗：砂質黏土滲透系數K=1.25.00×10-4-9.75×10-5cm/s，屬弱透水性-中等；礫砂滲透系數K=7.50×10-3-5.26×10-2cm/s，屬于中等-強透水性；全風化花崗巖滲透系數K=8.50×10-5-9.78×10-5cm/s，屬于弱透水性；強風化巖透水率q=54.0Lu，呈中等透水性；弱風化二長花崗巖-微風化二長花崗巖透水率q=2.20-8.75Lu，為弱透水性。

二長花崗巖屬于燕山早期侵入巖，呈肉紅色、灰白色，粗粒結構，塊狀構造。全風化巖下限埋深10.8-14.1m，強風化巖下限埋深13.9-25.3m，洞身圍巖為弱風化-微風化二長花崗巖和強風化二長花崗巖，塌方段圍巖以強風化二長花崗巖為主，巖體破碎，圍巖分類屬于V類。

根據工程地質平面測繪，隧洞塌方段地表除山塘外，大部分為叢林，為沖坡積砂質黏土、殘積土夾風化孤石等覆蓋，未見基巖出露，未發現斷裂構造行跡。受區域構造影響，隧洞內北東向、北西向的節理裂、隙比較發育。根據洞內ZH11+480(塌方時掌子面為ZH11+478)-ZH11+530的地質編錄成果，該段共量測節理裂隙35條，結構面多平直粗糙或平直光滑，閉合-微張，多無充填物和鐵錳質侵染，走向以北東向、北西向和北西西向為主，以高傾角為主，少數為中緩傾角(節理統計玫瑰花圖見圖2、圖3)。其中，ZH11+485-ZH11+530總體上巖體節理、裂隙不發育，但局部夾風化裂隙，至掌子面節理增多，頂拱變為無序狀。

掌子面前方發育一斷裂帶(F)，呈北西-南東向，與洞軸線大角度相交，沿山圍塘下游延伸，產狀為60°∠57°，斷裂帶內充填斷層泥、糜棱巖、碎裂巖和風化輝綠巖巖脈，總寬3.0m左右。

圖2 走向玫瑰花圖

圖3 傾向玫瑰花圖

2.3 水文地質情況

根據1:20萬區域水文地質普查報告(泉州幅)水文資料，該段地下水類型主要為塊狀裂隙水和塊狀加層狀裂隙水，地下水徑流模數為0.34-6.56L/s·km2，屬于貧水區段。隧洞上覆沖、坡殘積層和全風化巖中主要為孔隙水，由大氣降水和地表徑流補給；圍巖中的斷裂破碎帶(F)屬壓扭性斷裂，斷裂旁側的裂隙閉合-微張，賦水性差，也未形成滲漏通道，樁號ZH11+485-ZH11+530未見洞內滲水。

3 塌方原因分析

3.1 塌方過程

隧洞施工至樁號ZH11+485時，洞內地質編錄顯示圍巖為微風化，節理裂隙不發育，巖體完整，施工方按照III類圍巖光面爆破繼續施工，隨后圍巖開始逐漸出現風化裂隙增多、風化程度加大、滴水等現象，施工方為了保證工程進度，繼續施工至塌方掌子面ZH11+478，頂拱出現線狀滴水，掌子面右側拱部出露灰褐色破碎巖塊，并伴有涌水和流砂現象，施工方即停止施工，開始噴射混凝土封堵掌子面，但未能有效封堵。經過長時間的涌水和流砂，洞內掌子面突然出現了塌方和冒頂，在掌子面上方地表形成了一個如圖1所示的坍坑。

3.2 塌方原因分析

1)斷裂作用是塌方的基本條件：

引水隧洞塌方段巖性為粗粒肉紅色、灰白色二長花崗巖，隧洞洞軸線開挖方向為NE36.31°，塌方前掌子面右拱頂出露斷裂帶(F)，產狀為60°∠57°，斷裂帶內充填斷層泥、糜棱巖和碎裂巖，并有輝綠巖脈沿斷裂貫入。該斷裂帶走向通往山圍塘庫區，總寬約3m，呈全風化-強風化，穩定性極差，是發生塌方事故的主要地質體(塌方段工程地質剖面圖見圖4)。

圖4 塌方段工程地質剖面圖

受斷裂影響，臨近掌子面約5m處節理裂隙開始增多，風化程度增強漸變為強風化，巖體呈黃褐色，頂拱發育緩傾角和近水平風化裂隙帶。隧洞洞軸線開挖方向為NE36.29°，掌子面附近結構面主要為: ①190°∠8°，傾向掌子面外，成組發育在頂拱；次為②272°∠51°，成組發育在左側墻和頂拱。這兩組結構面均位于斷裂帶F的下盤，屬于F斷裂帶旁側伴生裂隙，指示F斷裂帶為右旋斷裂，該斷裂帶經歷多次活動，后期上盤向下、向右錯動。

2)滲透破壞和圍巖變形是塌方的根本原因：

引水隧洞塌方段由于存在斷裂帶(F)，圍巖屬于極不穩定的V類圍巖，在臨近斷裂帶約5m范圍內裂隙、節理開始增多，逐漸密集，巖石的風化程度也由弱風化-微風化轉變為強風化，施工方仍未按地質預報的要求提前采取超前支護、封堵滲流等措施，為了趕進度，繼續采用爆破掘進至塌方前的掌子面，將斷裂帶下盤的巖石部分挖除，使斷裂帶的破碎巖石懸空，失去支撐，增加了圍巖的不穩定程度；爆破震動促使原來閉合的節理、裂隙張開和斷裂帶構造巖松動而打通了滲水通道，隧洞上方的山圍塘庫水“乘隙而入”，導致塌方。

3)地下水及地表水共同作用是塌方重要因素：

斷裂帶F為壓扭性斷裂，碎裂巖等構造巖多由斷層泥膠結，斷裂帶旁側的裂隙、節理呈閉合狀態為主，滲透性差；山圍塘下臥全風化二長花崗巖為弱透水性，其滲透系數10-6-10-5cm/s，厚度約6m，起相對隔水層的作用，故隧洞塌方前庫水未與斷裂帶F聯通發生滲漏而保持穩定的庫水位。由于隧洞施工采用爆破方式，斷裂帶及其旁側的裂隙受震動開裂，形成滲水通道，庫水下滲發生土的滲透變形，全風化巖的滲透變形為流土型，斷裂破碎帶則以管涌型為主，最終導致隧洞塌方、冒頂，形成坍坑，山圍塘庫水流淌殆盡，見圖1[1-3]。

4 塌方處理措施分析

4.1 處理方案

根據塌方形成的原因，處理方案體現在控制滲流和加固圍巖上，采取的措施為鉆孔灌漿和開挖時強支護。

1)塌方體采用鉆孔灌漿法加固：

塌方處理具體為：首先在山圍塘塌陷的位置回填黏土后(不壓實)采用水泥漿進行鉆孔灌漿，灌漿范圍為樁號ZH11+465-ZH11+485，沿洞軸線兩側各布設3排灌漿孔，排距為2m，孔距為3m，采用梅花型布置，分2序施工，鉆孔灌漿深度為25m，至隧洞洞頂。造孔采用XJ-100A型鉆機，開孔直徑110mm，終孔直徑75mm，采用干法造孔，成孔后投入塑料花管，自上而下分段灌漿，段長4-6m，灌漿壓力在孔口控制為0.05MPa,瞬時灌漿控制壓力為0.1MPa，讓水泥漿充填裂隙、孔洞，在松散土體中起充填灌漿作用，在裂隙發育的巖體和斷裂破碎帶中起固結灌漿作用；在灌漿的同時，對隧洞塌方體滲、流水進行不間斷地抽排塌方體流水，以降低塌方體含水量，并對洞內因塌方而產生的流泥、流砂進行人工清理，清淤方量按山圍塘的塌陷量估算，約為 1500m3。

通過灌漿措施，一方面將裂隙和孔洞中地下水擠出，降低了塌方體的含水率；一方面水泥漿形成的固結體穿插于塌方體中，提高了巖土體的整體性和力學強度。

2)在塌方段采取強支護施工方案：

塌方段灌漿完工15d并經分析、評價達到預計的加固效果后，再從樁號ZH11+478位置往上游長約20m范圍內隧洞采取強支護方案。為了便于及時支護作業，塌方段的開挖斷面由馬蹄形調整為城門洞型。初期支護采用超前小導管，小導管為φ63(d=5mm)無縫鋼管，長度6m，布置于隧洞開挖輪廓線的拱頂，拱頂小導管上傾(外傾)15度布孔，小導管環向凈間距為10cm。并沿著隧洞輪廓線布置工18型鋼拱架，間距為40cm/榀。在超前注漿小導管和工18型鋼拱架施工完后，進行隧洞開挖，隧洞開挖進尺深度控制在2.0m以內，并及時進行C25鋼筋混凝土襯砌，厚40cm。

4.2 灌漿加固和強支護效果評價

4.2.1 灌漿加固效果

1)塌方段灌漿結束15d后水泥漿已基本凝固，在塌方體共布置工程地質鉆孔3個進行注(壓)水試驗，沿洞軸線布置，間距6m，共進行注(壓)水試驗9段次。其中，在全風化巖和土狀斷裂帶注水5段，滲透系數K=7.45×10-6-4.42×10-5cm/s；碎塊狀強風化巖和斷裂破碎帶壓水試驗4段，透水率q=4.0-9.5(Lu)，均呈弱透水性，灌漿有效地封堵了滲漏通道，提高了塌方體的防滲性能。

2)經觀察，塌方體底部的滲流、流土消失，灌漿有效地降低了塌方體的含水率。

3)在新的掌子面見有水泥固結體呈囊狀、不規則網狀、樹枝狀分布，提高了塌方體的整體性和強度。

4.2.2 強支護效果

經過60d的奮戰，施工方順利打通塌方體，按設計要求完成了圍巖襯砌。

5 結 語

1)泉州市惠女至菱溪、黃塘引調水工程C3標段后寮至黃塘隧洞ZH11+478處塌方事故是由于存在斷裂破碎帶、施工未提前采取防護措施并造成斷裂帶連通地表水體造成的。

2)采用鉆孔灌漿加固塌方體，采取強支護方案進行塌方段施工獲得成功，表明塌方處理措施的有效性和合理性。

3)斷裂帶旁側往往節理、裂隙比較發育，風化程度增強，有利于地質危險性的預測，隧洞施工可根據預判結果采取超前措施，做好支護和地下水封堵工作，避免塌方事故發生。

4)隧洞施工過程中應加倍重視地下水和地表水的不良影響，采取有效措施防患于未然。