侯永恒（甘南州引洮濟(jì)合工程建設(shè)管理局甘肅合作747000）

引洮濟(jì)合工程3#隧洞掌子面塌方問題淺析

侯永恒
（甘南州引洮濟(jì)合工程建設(shè)管理局甘肅合作747000）

引洮（博）濟(jì)合供水工程3#隧洞在施工過程中出現(xiàn)了不良地質(zhì)洞段，掌子面涌水失穩(wěn)，出現(xiàn)涌水泥石流現(xiàn)象，本文對(duì)失穩(wěn)的原因從地形地貌、地質(zhì)因素、水文因素及人為因素等方面做了詳細(xì)分析，提出了超前管棚及灌漿穩(wěn)定圍巖的處理方案，為其它類似工程問題提供參考。

隧洞；砂碎石土；加強(qiáng)支護(hù)；管棚灌漿

1　工程概況

引洮（博）濟(jì)合供水工程是從洮河支流博拉河調(diào)水，解決合作城鄉(xiāng)缺水問題，兼顧黃河水源區(qū)生態(tài)保護(hù)牧民定居用水，年調(diào)水量1910萬m3。本工程主要包括水源工程及凈水廠工程，其中水源工程由樞紐、輸水工程和調(diào)蓄水池三部分組成。設(shè)計(jì)引水流量1.1m3/s，為自流輸水。輸水工程干線主要建筑物有壓力管道、隧洞、倒虹吸、陡坡等建筑物組成，其中隧洞3條，總長(zhǎng)19217m。

3#扎剎河隧洞樁號(hào)25+763～26+130段洞身圍巖為三疊系下統(tǒng)上巖組長(zhǎng)石石英砂巖夾砂質(zhì)板巖，屬Ⅲ類圍巖，圍巖局部穩(wěn)定性差。樁號(hào)26+130～27+588段洞身圍巖主要為三疊系下統(tǒng)上巖組砂質(zhì)板巖夾長(zhǎng)石石英砂巖，巖性較軟弱，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，屬Ⅳ類圍巖；其中樁號(hào)26+128～26+255段從沖溝底部穿過，洞身主要在洪積碎石土層中。

一次襯砌型式為：Ⅲ類圍巖頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長(zhǎng)粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱、側(cè)拱噴C20砼80mm厚。Ⅳ類圍巖緊貼巖石架設(shè)I12，間距0.8m～1.2m全封閉隨機(jī)鋼拱架，頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長(zhǎng)粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚。Ⅴ類圍巖緊貼巖石架設(shè)I12，間距0.5m～1.0m全封閉隨機(jī)鋼拱架，頂拱150°范圍布置2根～3根Φ22全長(zhǎng)粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m，間排距2m，梅花形布置，頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚，必要時(shí)拱頂180°范圍架設(shè)隨機(jī)管棚φ42，L=3m。環(huán)向間距300mm。碎石土圍巖巖緊貼巖石架設(shè)I12，間距0.5m～1.0m全封閉鋼拱架，頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網(wǎng)，頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚，拱頂180°范圍架設(shè)系統(tǒng)管棚φ42，L=3m，環(huán)向間距300mm。

2　坍塌現(xiàn)狀

本工程于2014年7月開工建設(shè)，目前3#隧洞正在施工。3#隧洞（樁號(hào)25+763m 至27+588m）總長(zhǎng)1825m，隧洞設(shè)計(jì)斷面為城門洞形，斷面尺寸B×H=1.8m×2.0m。隧洞進(jìn)口緊靠公路山體一側(cè)；出口位于海螺溝溝內(nèi)。3#隧洞進(jìn)口段于2015年4月29日在樁號(hào)26+146m處第一次塌方，5月3日凌晨一點(diǎn)發(fā)生第二次塌方。3#隧洞出口段在樁號(hào)26+826m處于2015年5月3日凌晨?jī)牲c(diǎn)由于地質(zhì)條件突變發(fā)生塌方。

（1）進(jìn)口段塌方

進(jìn)口段自樁號(hào)26+123m處，掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到360m時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)圍巖不穩(wěn)，隧洞滲水量較大，按Ⅴ類圍巖斷面采取拱頂180°范圍打超前錨桿（φ22，L=3m，間距30cm）、I12全封閉鋼拱架間距0.5m～0.8m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)、噴C20砼支護(hù)方式。在26+146m處，因局部塌方掉塊嚴(yán)重，將超前錨桿改為管棚（φ42，L=3m，間距30cm），管棚自掌子面第一榀拱架上支護(hù)。4月29日發(fā)生第一次塌方，已施工管棚坍塌損毀，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)方案調(diào)整，將管棚長(zhǎng)度改為6m，單排間距30cm，在自掌子面第二榀和第三榀鋼拱架同時(shí)打進(jìn)，把管棚間距交叉成15cm，盡可能保證管棚穿越塌方體，伸入穩(wěn)定層，實(shí)際管棚打入深度4.5m～4.8m。5月2日，在清除塌方體時(shí)，發(fā)生二次塌方。塌方體形態(tài)為較細(xì)的砂碎石顆粒并夾雜黃泥塊，隧洞滲出水流量比較大。

（2）出口段最后一榀鋼拱架為樁號(hào)26+826m，之前按照Ⅳ類圍巖斷面施工，期間圍巖較為破碎松散，巖面有滲濕，未見明顯滲水，采取I12全封閉鋼拱架間距0.8m～1.0m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)、噴C20砼支護(hù)方式。在完成26+826m處鋼拱架安裝并噴砼支護(hù)完成后，拱架距離掌子面剩余間距約0.6m，隨后進(jìn)行鉆孔爆破開挖，鉆孔深度2m，鉆孔時(shí)孔內(nèi)有少量滲水。5月2日，在隧洞出渣過程中，當(dāng)出渣至掌子面露出約2/3時(shí)，掌子面樁號(hào)在26+823m處，沿掌子面開始有滲水滲出，掌子面有小塊塌落現(xiàn)象，后掌子面滲水逐漸增大，塌落掉塊加大變快。在及時(shí)撤離人員和設(shè)備后發(fā)生塌方，塌方體堆體涌至樁號(hào)26+829m處，塌方情況見圖1掌子面塌方示意圖。塌方體形態(tài)為較細(xì)的砂碎石顆粒，隧洞滲出水流量大，出水將已開挖隧洞底部漫淹，隧洞內(nèi)積水深30cm左右。

圖1　掌子面塌方示意圖

3　塌方原因分析

（1）地形地貌

從地形上，3#扎剎河隧洞軸線穿越兩條溝谷。線路穿越區(qū)，地面最高點(diǎn)為尖山，山頂植被茂密，多以灌木為主；山間溝谷內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦，溝底沖溝沒有明顯地表徑流。山間谷底及山坡平緩處為耕地。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，進(jìn)口方向1號(hào)溝谷位于隧洞軸線樁號(hào)26+128m至26+255m之間，溝谷長(zhǎng)度約127m，山腳處洞頂埋深在19m～21m，山谷溝底最深處樁號(hào)26+205m，洞頂埋深9m。

出口方向2號(hào)溝谷位于隧洞軸線樁號(hào)26+600m至26+864m之間，溝谷長(zhǎng)度約264m，山腳處洞頂埋深在29m～33m，山谷溝底最深處樁號(hào)26+768m，洞頂埋深19m。

（2）地質(zhì)因素

原設(shè)計(jì)進(jìn)口段1號(hào)溝谷地質(zhì)條件為：表層為坡洪積粉質(zhì)壤土，厚1m～2.5m，下部洪積碎石土，厚6m～7m，底部為砂碎石層，厚5m～9m。洞身在洪積碎石土層中，圍巖屬Ⅴ類圍巖。出口段2號(hào)溝谷由于當(dāng)?shù)夭貐^(qū)群眾阻撓無法進(jìn)入機(jī)械，沒有相關(guān)鉆孔資料，為推測(cè)地質(zhì)情況，洞身圍巖主要為三疊系下統(tǒng)上巖組砂質(zhì)板巖夾長(zhǎng)石石英砂巖，兩種巖性比例約為7:3，巖性較軟弱，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖體完整性系數(shù)0.25～0.3，巖層走向與洞線夾角71°，巖層傾角53°。

隧道在設(shè)計(jì)時(shí)，通過勘探鉆孔很難準(zhǔn)確的掌握隧道斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況，斷層節(jié)理發(fā)育情況卻是千差萬別。在隧道施工中，在巖層分界處及過渡段易出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造變化、斷層破碎帶、軟弱夾層等工程地質(zhì)條件，本工程施工至進(jìn)口段樁號(hào)26+123m處時(shí)，正好處于巖層分界線，地質(zhì)條件較差，為砂碎石土。出口段樁號(hào)26+826m處時(shí)，同樣處于巖層分界線，由巖石變?yōu)樯八槭?，與推測(cè)的地質(zhì)條件發(fā)生變化。

（3）水文因素

溝道地表未見明顯地表徑流；溝谷地下水含量豐富，賦存于河谷沖洪積砂礫石層和溝谷洪積碎石土中。地下水是一個(gè)體系，隨時(shí)隨地都在變化，受地形、地貌、地質(zhì)、氣候等條件影響。在隧道施工中，巖土中水的變化，水沿巖體軟弱面流動(dòng)，破壞巖體組織，造成巖體失穩(wěn)而發(fā)生坍方事故；雨水滲入斷裂帶及裂隙后形成滑動(dòng)面，巖石相互滑動(dòng)，內(nèi)力擠壓變形也易造成坍塌。本次塌方，因圍巖遇水泥化，砂碎石土在水作用下流失，導(dǎo)致管棚頂部形成空腔，空腔增大，圍巖失穩(wěn)，大塊塌落，砸毀管棚，造成塌方。

（4）人為因素

施工過程中由于施工人員對(duì)地下工程地質(zhì)情況不了解，忽視圍巖細(xì)微變化，對(duì)圍巖自穩(wěn)能力過高估計(jì)，造成思想上的麻痹大意，對(duì)不良地質(zhì)地段沒有采取合理的開挖方法，支護(hù)不及時(shí)，在開挖時(shí)，爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)過大，因巖體失穩(wěn)而產(chǎn)生坍方。

4　處理方案

進(jìn)口洞段在穿越1號(hào)溝道時(shí)出現(xiàn)掌子面塌方，地質(zhì)巖性與設(shè)計(jì)相符，地下水豐富造成泥化失穩(wěn)；出口洞段在穿越2號(hào)溝道時(shí)，地質(zhì)條件發(fā)生變化，加之地下水豐富造成泥化失穩(wěn)。針對(duì)引洮（博）濟(jì)合供水工程3#隧洞在施工過程中進(jìn)出口掌子面出現(xiàn)了塌方問題，結(jié)合地質(zhì)條件發(fā)生變化情況，對(duì)一次支護(hù)方案進(jìn)行了調(diào)整。隧洞頂部及兩側(cè)超前管棚加注漿輔助施工，環(huán)向間距30cm，管棚搭接長(zhǎng)度2m～2.5m，注漿管采用Φ42mm×5mm熱軋鋼管制作，每隔15cm梅花形布置鉆8mm的對(duì)穿射漿孔，上部1.5m不開孔，為防止下管堵塞，底部做成10cm錐形封閉，長(zhǎng)度L=5m，為加強(qiáng)管棚承載能力，采取在管棚鋼管內(nèi)穿插Φ22螺紋鋼并灌注砂漿填充，提高管棚的抗彎能力，管棚縱剖面布置見圖2管棚注漿縱剖面示意圖。全斷面封閉Ⅰ12鋼拱架，間距0.3m～0.5m，相鄰鋼拱架之間，在拱頂和側(cè)墻采用Φ22間距30cm的螺紋鋼連接拱架。拱部系統(tǒng)錨桿φ22，長(zhǎng)度1.5m，縱環(huán)間距1m× 1m，梅花型布置，噴150mm厚C20砼，掛φ6.5鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距200mm×200mm。由于洞內(nèi)滲水較大，顆粒較細(xì)的砂碎石容易在水流作用下流失，因此在鋼筋網(wǎng)片上部，鋪設(shè)φ3@30mm×30mm鉛絲網(wǎng)格柵，以保護(hù)砂碎石不被水流帶走。

圖2　管棚注漿縱剖面示意圖

并根據(jù)一次支護(hù)調(diào)整方案對(duì)施工單位提出以下幾點(diǎn)要求：

（1）管棚超前支護(hù)及注漿加固圍巖是下一步隧洞穿越河床覆蓋層（砂礫碎石）施工的主要措施，施工單位必須加強(qiáng)設(shè)備及人員配備，提前做好應(yīng)對(duì)各種突發(fā)問題的預(yù)案，備好各類設(shè)備、材料。施工過程中必須做到掘進(jìn)及支護(hù)連續(xù)作業(yè)，不能停頓或進(jìn)行間歇施工。

（2）超前管棚及隧洞側(cè)壁注漿管是加固洞周圍巖的關(guān)鍵，必須具備注漿加固條件，長(zhǎng)度宜長(zhǎng)不宜短，建議長(zhǎng)度5m～10m，管徑采用Ф42～Ф80；河床覆蓋層（砂礫碎石）洞段施工中，主要是對(duì)開挖斷面周圈進(jìn)行注漿加固，必要時(shí)可對(duì)掌子面進(jìn)行全斷面注漿加固。注漿材料采用水泥漿（摻加適量速凝劑）。

（3）塌方體處理前要對(duì)掌子面先進(jìn)行封堵后再注漿，在后續(xù)洞段正常循環(huán)施工時(shí)，須保留2m～3m加固巖體做為止?jié){盤。

（4）由于滲水量較大，需做好掌子面及洞內(nèi)排水工作。

5　結(jié)語

在隧洞施工過程中，地質(zhì)條件發(fā)生變化，并且遇到了最不利條件，砂碎石土及豐富地下水，掌子面出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，通過從地形地貌、地質(zhì)因素、水文因素及人為因素等方面詳細(xì)分析失穩(wěn)原因后，及時(shí)調(diào)整了一次襯砌支護(hù)方式，采用超前管棚及灌漿穩(wěn)定圍巖，管棚長(zhǎng)度5m～10m，管徑采用Ф42～Ф80，環(huán)向間距30cm，管棚搭接長(zhǎng)度2m～2.5m。塌方體處理前要對(duì)掌子面先進(jìn)行封堵后再注漿，在后續(xù)洞段正常循環(huán)施工時(shí)，保留2m～3m加固巖體做為止?jié){盤。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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