小洞徑引水隧洞的塌方處理及預(yù)防措施

楊照明

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(lè) 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(guó)西北邊陲最大的鐵路、公路并舉的一類(lèi)口岸——阿拉山口口岸水資源嚴(yán)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(kù)等組成，工程2006年7月正式開(kāi)工，2009年10試運(yùn)行通水。

引水隧洞是該工程的關(guān)鍵控制工程，全長(zhǎng)14.346km，設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面為2.5m×2.5m，城門(mén)洞形，為無(wú)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(duì)遇到斷面破碎、裂隙發(fā)育、有地下水的圍巖必須進(jìn)行全斷面襯砌支護(hù)。隧洞1號(hào)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(shí)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(jìn)法進(jìn)行開(kāi)挖。1號(hào)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(jì)洞軸線要不可避免地經(jīng)過(guò)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(guò)，單個(gè)斷層破碎帶寬0.3～1m，隧洞在該段通過(guò)時(shí)，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(duì)施工造成影響，隧洞通過(guò)斷層時(shí)，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(lèi)圍巖。2007年，在110m處由于施工方法不當(dāng)首次出現(xiàn)塌方，在運(yùn)渣時(shí)，掌子面不斷塌落，后來(lái)施工采用管棚法強(qiáng)行通過(guò)，由于沒(méi)有及時(shí)進(jìn)行襯砌，被地下水浸泡。2007年由豎井向上游掘進(jìn)至245.5m時(shí)又遭遇泥砂壯粉碎性巖石塌方，無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。

經(jīng)分析，原因主要有以下兩點(diǎn)：

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

b.施工方法不當(dāng)。初始在該段開(kāi)挖爆破時(shí)，采用強(qiáng)爆破或裝藥過(guò)多，破壞了巖石的整體性引起第一次塌方，由于沒(méi)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(jìn)時(shí)，由于支撐結(jié)構(gòu)不合理，支撐構(gòu)件強(qiáng)度低，或支撐位置和高程不當(dāng)，拆除時(shí)擾動(dòng)，加上沒(méi)有做好施工排水，使圍巖長(zhǎng)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(hào)豎井上游110m塌方時(shí)，掌子面持續(xù)滑落的渣料充滿(mǎn)掌子面，且補(bǔ)給量很大，一時(shí)難以清除，塌穴形狀和大小無(wú)法查明，地下水的侵?jǐn)_更是惡化了施工環(huán)境；施工采用了管棚法超前臨時(shí)支撐、開(kāi)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(hù)下，逐步開(kāi)挖進(jìn)占，并考慮邊開(kāi)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(jì)開(kāi)挖線以外斜向打入塌方體內(nèi)形成頂棚。

d.在臨時(shí)支撐的保護(hù)下，邊挖邊撐，將隧洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖線內(nèi)的塌渣逐段清除。清除時(shí)將掌子面固牢，循序漸進(jìn)，逐步推進(jìn)。

3.2 第二次塌方的處理

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

掘進(jìn)至1號(hào)豎井上游245.5m掌子面時(shí)再次發(fā)生大塌方，泥沙夾碎石將作業(yè)面封堵，部分拱架?chē)?yán)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(zhǎng)度無(wú)法判定，處理難度更大。為了保證整體的的施工進(jìn)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(jìn)，以保證未完的開(kāi)挖段掘進(jìn)施工，并接近塌方段背面進(jìn)行處理。第二次塌方處理的步驟如下：

a.對(duì)1號(hào)豎井上游掌子面進(jìn)行漿砌石封堵，控制頂部塌方繼續(xù)擴(kuò)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(fēng)鎬剝離圍巖，徑向擴(kuò)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(wú)縫鋼管×2.5m）；在擴(kuò)挖處支撐新的兩榀I25支撐鋼拱；依照拆除→擴(kuò)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(shí)跟進(jìn)混凝土支護(hù)作為二次永久支護(hù)。

d.從1號(hào)斜井向下游采用超前導(dǎo)洞法開(kāi)挖。

根據(jù)夾泥層情況提前探知掌子面巖石狀況，減少對(duì)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(rùn)下48h發(fā)生塑性變形，形成泥石流狀塌方，所以在開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)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(duì)掌子面的影響。

爆破開(kāi)挖分為兩段進(jìn)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(shí)，周邊孔不裝藥，作為減震孔使用，爆破完畢、風(fēng)鎬剝離成型后立即跟進(jìn)一次鋼制拱架超前支撐，在條件成熟情況下及時(shí)襯砌。

4 小洞徑塌方處理的經(jīng)驗(yàn)與預(yù)防措施

對(duì)于小洞經(jīng)隧洞，由于全斷面掘進(jìn)、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(duì)發(fā)生塌方的可能性估計(jì)不足，就會(huì)常因開(kāi)挖爆破強(qiáng)烈震動(dòng)或支撐構(gòu)件強(qiáng)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(xiǎn)工作有一個(gè)安全的空間。同時(shí)組織相關(guān)人員到塌方現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)情況，認(rèn)真分析塌方原因，及時(shí)制定出可行的塌方處理方案。

當(dāng)塌方量不大時(shí)，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?yàn)楫?dāng)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(huì)使側(cè)壁因失去平衡而松動(dòng)塌落，塌方坑道進(jìn)一步增寬，自然拱進(jìn)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(kāi)挖洞段的一、二次支護(hù)體系后再掘進(jìn)，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(hù)，考慮在洞頂2～3m范圍內(nèi)形成固結(jié)凍結(jié)或沿拱部開(kāi)挖線先打入管棚加固后再開(kāi)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(jì)時(shí)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(duì)不良地段要有充足的認(rèn)識(shí)，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(guò)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(rèn)真做好施工組織設(shè)計(jì)，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(zhǔn)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(kāi)挖技術(shù)、合理掌握開(kāi)挖進(jìn)度、支撐緊跟掌子面并適當(dāng)加強(qiáng)。

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

d.對(duì)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(qiáng)支護(hù)，一次支護(hù)一般都要靠錨桿、噴混凝土等，最好二次支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)，必要時(shí)補(bǔ)充隨機(jī)錨桿，用短錨桿形成一個(gè)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(chǎng)拼接，接好后噴混凝土。

e.一次支護(hù)一定要緊貼掌子面，用管棚推進(jìn)、小導(dǎo)管灌漿封堵以進(jìn)行提前加固，保證前方的自穩(wěn)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間暴露臨空面，一次支護(hù)要及時(shí)跟進(jìn)。

g.隧洞開(kāi)挖超前加固時(shí)可在洞內(nèi)排水，盡量降低地下水壓力，緩解地下水對(duì)施工產(chǎn)生的不利影響。水平排水要確保作業(yè)面無(wú)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(duì)不良地段的影響。

h.爆破要分段進(jìn)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(shí)調(diào)整爆破方法。

i.及時(shí)對(duì)襯砌外的空洞和圍巖進(jìn)行加固，填實(shí)塌穴，進(jìn)行回填灌漿，力求根治。

5 結(jié)語(yǔ)

小隧洞全斷面掘進(jìn)中往往會(huì)碰到勘探工作難以探明的地質(zhì)情況，要隨時(shí)隨地進(jìn)行設(shè)計(jì)資料和實(shí)際工程地質(zhì)的對(duì)比，從理論和具體地質(zhì)情況兩方面預(yù)見(jiàn)塌方的可能性，果斷準(zhǔn)確地采取相應(yīng)的預(yù)防措施，達(dá)到防患與未然的目的。