鄂北地區(qū)水資源配置工程淺埋隧洞冒頂塌方處理分析

沈晶 潘亞輝

摘要：淺埋隧洞開(kāi)挖受不良地質(zhì)條件、長(zhǎng)時(shí)間降雨及施工不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懀装l(fā)生地表塌陷，導(dǎo)致隧洞冒頂事件。介紹了鄂北地區(qū)水資源配置工程花兒山隧洞冒頂塌方處理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)情況綜合分析，采取洞內(nèi)掌子面處噴混凝土封閉后地表塌陷處回填壓實(shí)，然后以超前大管棚和新奧法施工處理。實(shí)際施工中，開(kāi)挖時(shí)能夠安全通過(guò)此段隧洞。研究成果可為此類(lèi)淺埋輸水隧洞冒頂塌方處理提供參考。

關(guān)鍵詞：淺埋隧洞;冒頂塌方;掌子面封閉;超前大管棚;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）08 - 0048 - 04

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鄂北工程”）是從丹江口水庫(kù)清泉溝隧洞引水，向湖北省北部襄陽(yáng)市、隨州市和孝感市供水的大型調(diào)水工程，工程設(shè)計(jì)年引水量7.7億m3，設(shè)計(jì)供水人口482萬(wàn)人，灌溉面積約24.23萬(wàn)hm2（363.5萬(wàn)畝），輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)269.67 km，沿線(xiàn)主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各類(lèi)水閘等，其中隧洞共55座，總長(zhǎng)119.43 km。

花兒山隧洞位于湖北省棗陽(yáng)市紅花村以北約500 m，長(zhǎng)0.27 km，布置于輸水線(xiàn)路樁號(hào)137+330～137+600段，為無(wú)壓輸水隧洞，隧洞設(shè)計(jì)引水流量26.7 m3/s，設(shè)計(jì)縱坡為1∶11 000，底板高程119.51～119.49 m，斷面為馬蹄形，過(guò)水凈尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高），開(kāi)挖尺寸為7.7 m×7.7 m（寬×高）。花兒山隧洞沿線(xiàn)地面高程136～148 m，相對(duì)高差10 m左右，為垅崗地形，地形較為平坦，洞頂平均埋深20.3 m，約為2.6倍的開(kāi)挖洞高，隧洞圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)，圍巖不穩(wěn)定，開(kāi)挖狀態(tài)下易失穩(wěn)[1]。

2 隧洞冒頂塌方過(guò)程及原因分析

2.1 隧洞冒頂塌方過(guò)程

花兒山隧洞采用鉆爆法開(kāi)挖至樁號(hào)137+366處，掌子面圍巖巖性為鈉長(zhǎng)片巖、透閃陽(yáng)起片巖，呈強(qiáng)風(fēng)化狀，圍巖類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。此段隧洞爆破施工每循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度為1.0 m。在完成該循環(huán)出渣作業(yè)后，發(fā)現(xiàn)掌子面及拱頂部位有少許掉塊，且有明顯滲水現(xiàn)象，施工單位立即組織人員與機(jī)械撤離，隨后掉塊迅速加快，洞頂出現(xiàn)坍塌后形成冒頂，地表有約4 m×5 m近似橢圓形的塌陷坑（圖1），深度約為3.5 m。洞內(nèi)樁號(hào)137+368處拱架被壓變形，從塌落下來(lái)的土石看，圍巖較為破碎，經(jīng)抽排洞內(nèi)積水，推測(cè)滲流量約3 L/s。由于圍巖自穩(wěn)能力差，加之雨水天氣，有繼續(xù)坍塌的趨勢(shì)[2]。

2.2 工程地質(zhì)條件

花兒山隧洞樁號(hào)137+360～137+370段地表為緩斜坡地貌（圖2），地形坡度為5°～10°，樁號(hào)137+366處地表為一低洼匯流溝地，此處隧洞埋深約16 m，地表覆蓋層厚度約3 m，覆蓋層主要為第四系黏土（Q2ydl）。洞頂圍巖厚度僅為13 m左右，巖性為震旦-青白口系耀嶺河群（（Qn-Z1）yl）灰綠色、灰白色鈉長(zhǎng)片巖、透閃陽(yáng)起片巖，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，其中強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為5 m。巖體透水率q=0.77～2.71 Lu，為微至弱透水。上覆巖體厚10～20 m。該段圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb=32.2 MPa（弱風(fēng)化），飽和吸水率0.52 %，巖石強(qiáng)度為中硬巖。巖體完整性系數(shù)Kv=（3065/4228）2≈0.53，巖體完整性差。結(jié)構(gòu)面狀態(tài)平直粗糙，裂隙寬度1～4 mm且為閉合，地下水活動(dòng)狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象，主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀：①片理產(chǎn)狀155°∠12°，隧洞走向120°，片理走向與洞線(xiàn)交角55°左右;②發(fā)育3組裂隙（鉆孔巖芯），傾角：0～20°，30°～40°，60°～90°。

2.3 冒頂原因分析

隧洞塌陷區(qū)地表處為低洼匯流溝地，長(zhǎng)時(shí)間雨水天氣導(dǎo)致積水較多，且覆蓋層厚度較大、結(jié)構(gòu)較為松散，洞頂圍巖厚度小，呈強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化狀態(tài)，強(qiáng)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(shí)擾動(dòng)導(dǎo)致失穩(wěn)進(jìn)而產(chǎn)生塌方冒頂，洞內(nèi)坍塌物呈泥夾石狀，主要來(lái)源于洞頂覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖。

3 處理措施

3.1 地表處理及掌子面封閉

首先，在地表塌坑處附近設(shè)置安全警示標(biāo)牌和防護(hù)圍欄封閉現(xiàn)場(chǎng)，并安排專(zhuān)人看守現(xiàn)場(chǎng)，禁止非施工人員與車(chē)輛進(jìn)入，確保周?chē)迕癜踩Ｈ缓螅诘乇硭铀闹懿贾门R時(shí)截水溝，同時(shí)為防止地面徑流流入塌陷坑內(nèi)，避免更大范圍的坍塌，還需在較低位置處設(shè)置截水溝出口進(jìn)行排水。

洞內(nèi)應(yīng)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(kāi)挖石渣并壓實(shí)，坡度不應(yīng)陡于1∶1，對(duì)堆渣體表面進(jìn)行噴射10 cm厚C25混凝土封閉，堆積體坡腳采用反壓沙袋進(jìn)行加固。

待洞內(nèi)堆渣體表面噴混凝土初凝后對(duì)地表塌陷坑內(nèi)進(jìn)行石渣回填，石渣可采用隧洞開(kāi)挖料，最大粒徑控制為150 mm，地表以下3.5 m 至地表以下1 m范圍石渣回填要求分層夯實(shí)， 相對(duì)密度不小于0.65。石渣層以上回填50 cm黏土碾壓密實(shí)防滲，壓實(shí)度不小于0.91。塌坑處地表以下50 cm 至地表范圍內(nèi)采用耕植土回填，耕植土應(yīng)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)馗饕螅▓D3）。

3.2超前大管棚

布置超前大管棚前，需在137+375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 cm厚的C25混凝土進(jìn)行回填（反拱拱架及混凝土不占二襯斷面），確保封閉成環(huán)的鋼拱架穩(wěn)定。按同樣的措施在137+374.2處原拱架布置安裝副拱和反拱，兩榀閉環(huán)的鋼拱架作為管棚的支撐結(jié)構(gòu)（圖4）。

超前大管棚長(zhǎng)30 m，布設(shè)范圍為副拱拱頂120°，管棚注漿鋼管采用管徑?108 mm、壁厚6 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，由3 m和6 m兩種規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)件，采用15 cm長(zhǎng)絲扣直接對(duì)口連接而成，縱向同一橫面內(nèi)的接頭數(shù)不應(yīng)大于50%，且相鄰鋼管接頭錯(cuò)開(kāi)。鋼管管壁加工注漿花孔，孔徑?16 mm，排距設(shè)置為10 cm，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。

管棚注漿鋼管環(huán)向間距為30 cm，上傾角為5°，注漿鋼管與兩榀副拱牢固焊接，角度偏差應(yīng)控制不超過(guò)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0.5～1.0 MPa，終壓為2.0 MPa，漿液擴(kuò)散半徑≥0.5 m，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)量或注漿終壓達(dá)到2.0 MPa而漿液注不進(jìn)時(shí)，再穩(wěn)壓3～5 min即可結(jié)束注漿。同時(shí)，注漿的漿壓濃度及壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。注漿結(jié)束后立即清除管內(nèi)漿液，并用M20水泥砂漿充填封孔密實(shí)[3]。

3.3 開(kāi)挖及支護(hù)

塌方冒頂段隧洞開(kāi)挖應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的原則，采用臺(tái)階法開(kāi)挖，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5 m以?xún)?nèi)，在開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格按照“邊掘進(jìn)邊支護(hù)”的原則進(jìn)行施工，開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)[4]。

初期支護(hù)按照“先噴、后錨、再?lài)姟钡捻樞蚴┕ぃ捎娩摴凹苤危牧蠟镮16型工字鋼，縱向間距為80 cm，鋼架之間設(shè)縱向連接，鋼拱架應(yīng)在初噴混凝土后及時(shí)架設(shè)，拱腳應(yīng)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(jí)鋼筋，錨桿長(zhǎng)4 m、間排距1.0 m，梅花形布置，錨桿安裝一般應(yīng)采用“先注漿后插桿”的施工工藝，砂漿密實(shí)度應(yīng)達(dá)70%以上，桿頭與鋼拱架牢固焊接。噴護(hù)采用掛?8@15×15cm鋼筋網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，采用25 cm厚C25混凝土噴護(hù)，與圍巖的黏結(jié)強(qiáng)度不低于0.8 MPa，鋼筋網(wǎng)宜在初噴混凝土后鋪設(shè)，鋼筋網(wǎng)應(yīng)與錨桿及鋼拱架牢固聯(lián)結(jié)（圖5）。隧洞永久支護(hù)采用70 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌拱頂120°范圍應(yīng)進(jìn)行回填灌漿，宜在混凝土襯砌強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí)盡早進(jìn)行。回填灌漿完成后，對(duì)隧洞全斷面進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔入巖4.5 m、間排距3.0 m，梅花形布置。回填灌漿和固結(jié)灌漿均采用硅酸鹽水泥漿，漿液水灰比按1.0∶1.0，0.8∶1.0，0.5∶1.0三級(jí)分序加壓，灌漿壓力采用0.3～0.5 MPa[5]。

3.4 安全監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)觀察隧洞冒頂段圍巖的變形、隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及外水壓力情況，在137+366及137+356處布置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別埋設(shè)收斂計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)等對(duì)隧洞斷面收斂變形、圍巖內(nèi)部變形、錨桿應(yīng)力、襯砌鋼筋應(yīng)力、襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變、外水壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果反饋，冒頂塌方洞段2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面收斂變形為2.6～6.7mm，圍巖深部位移為4.5～8.3 mm，并且在1個(gè)月左右逐漸趨于穩(wěn)定（圖6），錨桿、鋼拱架、襯砌鋼筋應(yīng)力應(yīng)變均在允許范圍內(nèi)，地表也基本無(wú)沉降變形。

4結(jié) 語(yǔ)

本文基于鄂北工程花兒山隧洞冒頂塌方事件，采取洞內(nèi)掌子面處噴混凝土封閉后地表塌陷處回填壓實(shí)，然后采用超前大管棚及新奧法施工的處理措施，開(kāi)挖時(shí)安全順利通過(guò)此段，輸水線(xiàn)路下游楊樓隧洞淺埋段發(fā)生冒頂塌方時(shí)，亦采用此處理措施安全完成施工。目前，鄂北工程已完成全線(xiàn)試通水，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘并結(jié)合相關(guān)監(jiān)測(cè)資料分析，兩處隧洞冒頂塌方段均處于安全運(yùn)行狀態(tài)。因此，淺埋隧洞施工前應(yīng)及時(shí)查清地表情況，采取措施減小外水內(nèi)滲，應(yīng)提前做好地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)有可能發(fā)生垮塌的洞段及時(shí)采用超前支護(hù)，一旦發(fā)生坍塌冒頂事件，應(yīng)及時(shí)采取合理處置措施，確保人員安全和施工質(zhì)量。

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（編輯：李 慧）