王 偉，祁安嶺

（1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術中心，河南 鄭州 450008）

1 工程概況

小浪底北岸灌區(qū)工程位于黃河北岸，灌區(qū)涉及濟源市和焦作市。灌區(qū)設計灌溉面積3.45 萬hm2，補源區(qū)面積1.33 萬hm2，設計引水流量30 m3/s，屬于大（2）型灌區(qū)，工程等別為Ⅱ等。

某引水隧洞全長1.80 km，隧洞設計流量23 m3/s，設計縱坡1/650，城門洞型斷面，開挖斷面底寬3.90 m，直墻高3.35 m，圓拱半徑2 m，開挖支護方式采用新奧法，采用銑挖機進行洞挖，鋼拱架采用18 號工字鋼，立柱反拱型式，間距1 m，底部澆筑C15混凝土墊層，邊墻頂拱噴護C20混凝土。該隧洞場區(qū)地貌單元屬黃土丘陵區(qū)，地面高程一般196.80～234.46 m，地形起伏較大，黃土溝壑發(fā)育；坡頂及緩坡處覆蓋第四系黃土地層，溝谷間分布第四系軟土，下伏古近系軟巖地層。隧洞洞室圍巖主要為古近系軟巖（泥巖、砂巖互層），工程地質分類為V類。

2 隧洞坍塌冒頂過程及原因分析

2.1 隧洞坍塌冒頂過程

該隧洞進口采用銑挖機開挖至某樁號時，掌子面為泥巖，鋼拱架立好后，拱頂出現較多滴水，在噴護過程中頂部滲水較多，噴護料不凝固被滲水沖下，噴護不成型，掌子面頂部出現掉塊，泥土夾雜水不停塌落，塌落口靠近左上方，直徑約1.20 m，同時也是滲水集中部位，塌落接近15 m3左右。經參建各方現場查看研判后，決定快速用導管把塌落孔封堵，進行噴護，預留排水孔及灌注混凝土管。施工人員用導管把塌落孔堵住，土不再滑下，然后進行噴護，噴護結束后清理塌落體。拱架距離掌子面剩余0.70 m間距，又立了一榀間距0.60 m的拱架。噴護完成，停止進尺，每日觀測洞內滲水和地表情況，在地表掌子面部位插旗拉警戒線，防止人員及機械進入。

經過3天觀察，洞內和洞外無異常情況發(fā)生，該部位地表無塌陷，滲水集中引致左側邊墻。參建各方人員察看該隧洞內部和地表情況后，現場討論后達成一致意見，每循環(huán)進尺0.70 m，5 m長導管跟進，搭接不小于2 m。完成第一個0.70 m循環(huán)，一切正常。第二天下午，在開挖完成第二榀0.70 m洞挖后，掌子面頂部出現掉塊現象，土塊越掉越快，超前導管被砸掉或砸彎，失去作用。晚上，塌落基本穩(wěn)定，洞內滑塌體長度約20 m，方量約160 m3。參建各方到洞內察看情況，強堵塌孔不能實現，在洞頂拉40×40 m警戒線，洞內觀察塌落體是否穩(wěn)定。第三天下午地表出現塌陷坑，經測量塌陷坑直徑10.50 m，深度約4 m。為了盡快靠近掌子面封堵塌落孔，在觀察地表無變化、滲水很小的情況下開始清理洞內泥水，清理塌落體長度約7 m（總長20 m），同時人員觀察塌落變化情況。清理過程中出現再次塌落，塌落體長度在洞內距離掌子面仍是20 m，察看頂部塌落深度約9 m，洞內停止清理。繼續(xù)觀察洞內和洞外情況，滲水很小，塌落體無變化，為預防降雨，在地表塌方處搭了防雨棚，周邊開挖了排水溝。坍塌冒頂部位示意圖見圖1。

圖1 坍塌冒頂部位示意圖

2.2 地質條件

該隧洞洞頂坍塌冒頂處位于黃土丘陵區(qū)，周邊黃土崗地與黃土沖溝發(fā)育，黃土崗地地面高程一般212.02～233.46 m，西南高、東北底，東北部分布一沖溝，溝底最深處高程195 m 左右，溝深10～17 m。冒頂處地表為玉米地，洞頂地面高程213.10 m左右，洞頂覆蓋層厚24 m左右。根據地質鉆孔資料，該處地層上部為第四系中更新統(tǒng)風積成因的黃土（中、重粉質壤土），層厚17.40 m左右，豎向裂隙較發(fā)育，一般具濕陷性，為非自重濕陷性黃土，底部3 m左右含水量較大，呈軟塑狀；下部為古近系始新統(tǒng)盧氏組第四段泥巖，未揭穿，巖層傾向北東，傾角約27°，泥巖具遇水膨脹、失水干裂的特性，耐崩解性較低，軟化系數較小，為軟化巖石。洞頂泥巖層厚6 m 左右，地下水位于土巖結合面附近，高于隧洞洞頂，主要為第四系松散土類孔隙水及古近系碎屑巖類孔隙、裂隙水。根據地質編錄資料，該段洞室圍巖為泥巖，淺紫紅色，泥質結構，層狀構造，裂隙發(fā)育，局部豎向裂隙發(fā)育，強度較低，屬極軟巖，遇水易泥化脫落；該段地下水活動較活躍，拱頂有出水點，呈線狀明流；組成洞室圍巖的古近系泥巖整體強度較低，自穩(wěn)能力差，局部圍巖由于發(fā)育的裂隙交錯，在開挖過程中洞頂或側墻在卸荷作用下發(fā)生掉塊現象。

2.3 冒頂原因分析

該段隧洞坍塌冒頂發(fā)生在2021年10月中上旬，工程涉及區(qū)域2021 年汛期持續(xù)時間長，降雨豐沛，工程地處黃土丘陵區(qū)，隨著集中的強降雨結合地下水徑流的滯后效應，在8～10月期間，陸續(xù)顯現地下水位的明顯抬升；隧洞冒頂前幾天也有降雨，對地下水有補給作用。洞室上部的風積黃土豎向裂隙發(fā)育，易形成滲水通道，土層與軟巖的滲透性差異，導致地表降雨入滲或地下水徑流時在土巖結合面部位匯集。

該洞段洞室圍巖主要為泥巖，具遇水膨脹、失水干裂的特性，對隧洞穩(wěn)定不利，受地質構造影響，巖體裂隙發(fā)育程度較高，易形成滲水通道；洞頂巖層覆蓋層較薄，洞室開挖時，受開挖及卸荷影響，泥巖裂隙擴張松動，順裂隙洞室滲水量增大，泥巖具遇水膨脹的特性，耐崩解性較低，軟化系數較小，遇水易軟化，并且泥巖上部的黃土含水量較高，呈軟塑狀，自穩(wěn)能力差，導致洞頂上部土體出現坍塌，洞頂土體坍塌后，上部黃土由于含水量較高，自穩(wěn)能力差，出現冒頂現象。

3 隧洞坍塌冒頂處理措施

3.1 洞內坍塌體處理及地表塌坑處理

對地表進行變形觀測，觀測穩(wěn)定后，進入洞內，抽排積水，清理淤泥，在坍塌體涌土前端堆設排水沙袋，進行擋土濾水。加強洞內排水措施，確保洞內無積水。

地表塌坑采用回填處理方案，回填前，抽排塌坑內積水，塌坑邊坡坡比修至1∶1，塌坑底部至地表以下2 m處采用10%水泥土回填，地表以下2 m采用壤土回填后，如遇降水，塌坑頂部采用土工膜覆蓋。回填過程中，對洞內塌落土體進行觀測，若塌落土體大量向外涌出，立即停止回填。

3.2 塌方段高壓旋噴灌漿處理

塌坑回填完成后，對洞內及洞頂塌方土體進行地表注漿加固，注漿范圍：塌坑邊緣向外2 m范圍，形成14 m×14 m的矩形區(qū)域，注漿孔孔徑0.60 m，孔距1.20 m，孔位按正三角形布置，孔深為洞室開挖底面高程以下2 m至現狀地表（洞室開挖范圍內鉆孔深度至洞頂以上0.30 m）。高壓噴射灌漿為已擾動巖、土體（包括洞內涌土土體）至現狀地表高程以下10 m。灌漿材料采用水泥漿，水灰比采用1∶1，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，拌和用水達到混凝土拌和用水標準，灌漿控制壓力為30 MPa；施工前做施工工藝性試驗，注漿施工過程采用過程控制，上述參數根據施工工藝性試驗及實際灌漿過程監(jiān)測結果進行適時調整，注漿孔及注漿施工不得破壞隧洞現有一次支護。

3.3 管棚超前支護

地表注漿加固完成14 d后，進行洞內二次開挖，開挖前首先挖除洞內塌落的土體。洞室繼續(xù)開挖時，采用管棚超前支護，范圍為頂拱150°，間距40 cm，外插角3°，管棚采用直徑108 mm的無縫鋼管，每循環(huán)長15 m，循環(huán)間搭接長度7 m。鉆孔采用管棚鉆機進行，鉆孔順序為按高孔位向低孔位對稱進行；鉆進過程中根據孔口流出巖屑、鉆探軟硬程度及滲水情況，判斷地質情況，作為洞身開挖時地質預報的參考資料，從而指導洞身開挖。管棚注漿控制壓力為2 MPa，其余注漿參數與地表注漿相同，注漿施工過程采用過程控制，上述參數根據實際灌漿過程監(jiān)測結果進行適時調整。

3.4 洞室開挖及支護

洞室開挖采用銑挖機，開挖時在拱部輪廓線處由上而下開挖，開挖循環(huán)進尺不超過1 m，有地下水的洞段縮短開挖進尺，每一循環(huán)開挖完成后將開挖土裝入出渣車中拉出洞外。

洞室支護順序：噴混凝土→安裝系統(tǒng)錨桿→掛鋼筋網→安設鋼拱架→鋼筋混凝土全斷面襯砌，錨桿布置呈梅花型排列。冒頂處向前40 m范圍鋼拱架間距調整為0.50 m，鋼拱架工字鋼型號調整為20 a，拱架立柱為反拱型式，向外側起拱高度15 cm，在二襯混凝土結構以下做成仰拱，形成鋼拱架封閉環(huán)，在每榀鋼拱架底腳處采用I14 工字鋼進行縱向焊接，采用1 根直徑42 mm，長1.20 m 的無縫鋼管做為地錨，鎖定縱向工字鋼，管內注M30水泥砂漿。

3.5 處理效果

該段隧洞坍塌冒頂處洞室開挖支護后，經對隧洞洞身段圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降進行觀測，圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降正常，滿足規(guī)范要求。

4 結語

通過對小浪底北岸灌區(qū)工程某處軟巖隧洞的坍塌冒頂原因進行分析，提出高壓旋噴灌漿+管棚超前支護的處理方案，處理后，圍巖收斂變形及拱頂圍巖沉降正常，為類似隧洞工程建設中可能出現的坍塌冒頂原因分析及處理提供參考。