楊照明

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000）

唐 虎

（新疆阿拉山口供水工程建管局 博樂 833400）

1 工程概況

新疆阿拉山口供水與生態(tài)建設(shè)工程是為解決我國西北邊陲最大的鐵路、公路并舉的一類口岸——阿拉山口口岸水資源嚴重匱乏的引水工程，主要由取水樞紐、引水線路（包括管道和隧洞）、尾部調(diào)節(jié)水庫等組成，工程2006年7月正式開工，2009年10試運行通水。

引水隧洞是該工程的關(guān)鍵控制工程，全長14.346km，設(shè)計開挖斷面為2.5m×2.5m，城門洞形，為無壓引水洞，洞身大部分在較完整的花崗巖體中，不需襯砌，但對遇到斷面破碎、裂隙發(fā)育、有地下水的圍巖必須進行全斷面襯砌支護。隧洞1號豎井上游地質(zhì)情況最為不利，在施工中遭遇兩次塌方，建設(shè)者克服工作面狹小、地下水滲漏等困難，歷時半年的努力，最終使該段貫通。

2 塌方情況及原因分析

由于阿拉山口引水隧洞洞徑小，故施工中采用全斷面掘進法進行開挖。1號豎井上游段處于多條地質(zhì)斷層交匯處，根據(jù)總體布局的需要，設(shè)計洞軸線要不可避免地經(jīng)過這些不良區(qū)域，向西200m范圍內(nèi)為一與隧道軸線接近垂直的大沖溝，地表有一流量為40L/s的地表徑流，沖溝底部有一組斷層通過，單個斷層破碎帶寬0.3～1m，隧洞在該段通過時，上覆巖體厚38m左右，有地下水沿節(jié)理、斷層帶和斷層影響帶入滲洞中，總?cè)霛B水量為30m3/h，對施工造成影響，隧洞通過斷層時，由于地下水作用造成小規(guī)模巖體失穩(wěn)，由于巖石破碎并有裂隙水滲流，地質(zhì)結(jié)構(gòu)形成次生軟巖，自身穩(wěn)定性很差，屬Ⅳ類圍巖。2007年，在110m處由于施工方法不當首次出現(xiàn)塌方，在運渣時，掌子面不斷塌落，后來施工采用管棚法強行通過，由于沒有及時進行襯砌，被地下水浸泡。2007年由豎井向上游掘進至245.5m時又遭遇泥砂壯粉碎性巖石塌方，無法繼續(xù)掘進。

經(jīng)分析，原因主要有以下兩點：

a.地質(zhì)勘察對所在地段的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料掌握不全面，對可能出現(xiàn)的塌方，沒有可靠的預(yù)防處理技術(shù)措施。

b.施工方法不當。初始在該段開挖爆破時，采用強爆破或裝藥過多，破壞了巖石的整體性引起第一次塌方，由于沒有采取正確的方法，一味出渣，塌渣量不斷增大，形成洞頂空腔。處理完第一次塌方繼續(xù)往上游掘進時，由于支撐結(jié)構(gòu)不合理，支撐構(gòu)件強度低，或支撐位置和高程不當，拆除時擾動，加上沒有做好施工排水，使圍巖長期浸泡，處于飽和狀態(tài)，山巖壓力增大，引起第二次塌方。

3 塌方處理措施

3.1 第一次塌方的處理

首次在1號豎井上游110m塌方時，掌子面持續(xù)滑落的渣料充滿掌子面，且補給量很大，一時難以清除，塌穴形狀和大小無法查明，地下水的侵擾更是惡化了施工環(huán)境；施工采用了管棚法超前臨時支撐、開挖導(dǎo)坑的方法穿越塌方體，在導(dǎo)坑頂部用鋼管密集插入塌方體，形成棚頂，在棚頂?shù)谋Ｗo下，逐步開挖進占，并考慮邊開挖邊加固支撐。具體步驟如下：

a.采用工字型鋼軌預(yù)制鋼拱桁架。

b.逐段施工排水，保證掌子面不被浸泡。

c.采用廢料工字鋼和30mm直徑鋼管，按一定水平間距沿隧洞設(shè)計開挖線以外斜向打入塌方體內(nèi)形成頂棚。

d.在臨時支撐的保護下，邊挖邊撐，將隧洞設(shè)計開挖線內(nèi)的塌渣逐段清除。清除時將掌子面固牢，循序漸進，逐步推進。

3.2 第二次塌方的處理

由于首次塌方處理時沒有約束掌子面的變形，工字鋼支護嚴重侵線，工字鋼支護上是塌方堆集體，水量較大，造成該段后來需要拆除拱架，用格柵拱架支護，采用超前小導(dǎo)管加固圍巖止水等措施進行重新擴挖和支護。

掘進至1號豎井上游245.5m掌子面時再次發(fā)生大塌方，泥沙夾碎石將作業(yè)面封堵，部分拱架嚴重變形，圍巖裂隙水發(fā)育為股狀，滑落體為泥石流性質(zhì)，塌方長度無法判定，處理難度更大。為了保證整體的的施工進度，建設(shè)者在第一在塌方段上游220m處打一斜井，從上游向下游掘進，以保證未完的開挖段掘進施工，并接近塌方段背面進行處理。第二次塌方處理的步驟如下：

a.對1號豎井上游掌子面進行漿砌石封堵，控制頂部塌方繼續(xù)擴展。

b.將原采用I20工字鋼制作的支撐鋼拱用I25工字鋼制作的支撐鋼拱替換。自首榀支撐鋼拱外1m處采用風鎬剝離圍巖，徑向擴挖0.40m；沿原支撐鋼拱外緣造孔；重新布置超前錨桿和小導(dǎo)管（φ42無縫鋼管×2.5m）；在擴挖處支撐新的兩榀I25支撐鋼拱；依照拆除→擴挖→支撐→布置超前錨桿和小導(dǎo)管的順序逐步替換原支撐鋼拱。

c.及時跟進混凝土支護作為二次永久支護。

d.從1號斜井向下游采用超前導(dǎo)洞法開挖。

根據(jù)夾泥層情況提前探知掌子面巖石狀況，減少對欲保留圍巖的破壞，根據(jù)觀察夾泥層主要為鈣化土裹挾巖塊，在地下水的浸潤下48h發(fā)生塑性變形，形成泥石流狀塌方，所以在開挖過程中嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支撐、快襯砌”的原則，在巖石裂隙發(fā)育、圍巖性狀較好段打排水孔，降低地下水壓力，結(jié)合洞內(nèi)排水，減少洞內(nèi)積水對掌子面的影響。

爆破開挖分為兩段進行，先行爆破中心掏槽孔，清渣完畢后觀察是否出現(xiàn)夾泥層，發(fā)現(xiàn)夾泥層時，周邊孔不裝藥，作為減震孔使用，爆破完畢、風鎬剝離成型后立即跟進一次鋼制拱架超前支撐，在條件成熟情況下及時襯砌。

4 小洞徑塌方處理的經(jīng)驗與預(yù)防措施

對于小洞經(jīng)隧洞，由于全斷面掘進、工作面狹小、不良的工程地質(zhì)條件是發(fā)生塌方的客觀因素，如果所采用的施工方法和客觀的工程地質(zhì)條件不相適應(yīng)，對發(fā)生塌方的可能性估計不足，就會常因開挖爆破強烈震動或支撐構(gòu)件強度低、地小水浸泡圍巖等主觀原因引起塌方。一旦塌方，處理難度較大，不僅擾亂了正常的施工，也延緩了工期。

塌方發(fā)生后，應(yīng)首先加固未塌地段，以防塌方蔓延，讓搶險工作有一個安全的空間。同時組織相關(guān)人員到塌方現(xiàn)場調(diào)查研究，查明塌方范圍、性質(zhì)及塌方圍巖的構(gòu)造和地下水活動情況，認真分析塌方原因，及時制定出可行的塌方處理方案。

當塌方量不大時，可采用將塌方全部清除的處理方法。在清除塌方之前，應(yīng)將塌方頂部支撐牢固，或?qū)⒄谱用孀{凝固，避免繼續(xù)塌落。因為當隧洞發(fā)生第一次塌方后，自然拱范圍內(nèi)還有繼續(xù)坍塌的可能，塌方坑道的兩側(cè)邊坡常不穩(wěn)定，先清除塌渣可能會使側(cè)壁因失去平衡而松動塌落，塌方坑道進一步增寬，自然拱進一步增高而再次塌方，如此反復(fù)，極有可能引發(fā)大塌方。

如遇大的塌方，原則上應(yīng)在完善已開挖洞段的一、二次支護體系后再掘進，隧洞頂部已塌落的空腔一定要封閉，用砂袋或輕型材料回填，小導(dǎo)管注漿，以免留下隱患。該次塌方處理是首先封閉掌子面和塌方段，以約束掌子面變形，再支護，考慮在洞頂2～3m范圍內(nèi)形成固結(jié)凍結(jié)或沿拱部開挖線先打入管棚加固后再開挖的方式處理。

根據(jù)該工程隧洞塌方處理，我們總結(jié)出了以下預(yù)防措施：

a.設(shè)計時深入調(diào)查和勘探隧洞所在區(qū)的地質(zhì)和水文地質(zhì)，對不良地段要有充足的認識，盡可能全面掌握所有可能發(fā)生塌方的不良地質(zhì)情況。若洞線必須經(jīng)過斷層、地下水和軟弱破碎帶等不良地層，應(yīng)先考慮相應(yīng)的技術(shù)措施，選擇正確的施工方法，認真做好施工組織設(shè)計，以便指導(dǎo)工程施工。

b.施工中應(yīng)正確合理選擇施工方法和防塌方技術(shù)措施，準備必要的材料和工具。防塌方措施有：做好施工排水、采用弱爆破或不爆破開挖技術(shù)、合理掌握開挖進度、支撐緊跟掌子面并適當加強。

c.施工中應(yīng)經(jīng)常檢查，及時發(fā)現(xiàn)發(fā)生塌方的種種預(yù)兆，及時采取工程技術(shù)措施，防止塌方事故的發(fā)生。

d.對極破碎帶要按照軟巖隧洞的施工規(guī)范施工，穩(wěn)中求快，在塑形變形之前必須完成一次超前強支護，一次支護一般都要靠錨桿、噴混凝土等，最好二次支護及時跟進，必要時補充隨機錨桿，用短錨桿形成一個系統(tǒng)，還可固定鋼支撐、掛網(wǎng)等。網(wǎng)片可提前做好，現(xiàn)場拼接，接好后噴混凝土。

e.一次支護一定要緊貼掌子面，用管棚推進、小導(dǎo)管灌漿封堵以進行提前加固，保證前方的自穩(wěn)時間。

f.自穩(wěn)能力比較好的地段，也存在斷層、破碎等，可能造成局部軟巖現(xiàn)象，不能長時間暴露臨空面，一次支護要及時跟進。

g.隧洞開挖超前加固時可在洞內(nèi)排水，盡量降低地下水壓力，緩解地下水對施工產(chǎn)生的不利影響。水平排水要確保作業(yè)面無地下水影響，在洞側(cè)墻底部打排水孔，降低巖石裂隙水壓力，減少對不良地段的影響。

h.爆破要分段進行，一方面提高爆破效果，另一方面提前探知前方巖石狀況，以便及時調(diào)整爆破方法。

i.及時對襯砌外的空洞和圍巖進行加固，填實塌穴，進行回填灌漿，力求根治。

5 結(jié)語

小隧洞全斷面掘進中往往會碰到勘探工作難以探明的地質(zhì)情況，要隨時隨地進行設(shè)計資料和實際工程地質(zhì)的對比，從理論和具體地質(zhì)情況兩方面預(yù)見塌方的可能性，果斷準確地采取相應(yīng)的預(yù)防措施，達到防患與未然的目的。