淺談馬欄隧洞坍塌種類及支護(hù)形式的選擇

秦鵬

（陜西省桃曲坡水庫灌溉管理局 陜西 銅川 727031）

1 馬欄河引水隧洞工程狀況

馬欄河引水工程是為解決銅川市城市用水嚴(yán)重不足而修建的跨流域調(diào)水工程。引水隧洞是該項目的關(guān)鍵控制工程，進(jìn)口位于涇河流域馬欄河上的旬邑縣馬欄鎮(zhèn)境內(nèi)，出口位于渭河流域沮河上的耀縣廟灣鎮(zhèn)境內(nèi)。該隧洞全長11.49 km，為無壓2m×2.1m城門洞型，設(shè)計流量33m3/s,比降1/400。隧洞穿越子午嶺山脈，埋深65m～397m間。巖石為泥質(zhì)砂巖，強(qiáng)度低、遇水軟化。隧洞工程于1993年5月正式開工，采用鉆爆法施工、全斷面開挖及電瓶車牽引有軌運(yùn)輸、城門洞型砼襯砌。1997年12月隧洞全線貫通。1998年10月竣工通水，年均引水2000萬m3。

2 隧洞地質(zhì)構(gòu)造和巖石成分

該隧洞穿越喬山山脈系的子午嶺山脈，地質(zhì)構(gòu)造以砂巖為主，有少量礫巖夾層或透鏡體游離穿越隧洞，長度范圍1200m，分布在（K3+050—K4+200）洞段。洞體開挖后洞壁滲水成線狀，經(jīng)多次多段實測平均滲水量在0.333m/m·d（砼襯砌成洞后，因每1.5m預(yù)留2處排水孔，故滲水在圍巖暴露和襯砌兩種狀態(tài)的影響暫不計）。

該隧洞所處的巖石處于飽水狀態(tài)，砂巖以褚紅色為主，屬中粒結(jié)構(gòu)（D=0.5mm～0.25mm），長石含量在33%，粘土礦物質(zhì)含量﹥39%，膨脹礦物質(zhì)含量﹥15%，膨脹力 P=18 kPa～25kPa,軟化系數(shù) Kd=0.19～0.25，摩擦系數(shù) f=0.7，凝聚力 C=4×105PA，為Ⅳ-Ⅴ類別泥質(zhì)長石砂巖。巖石層理發(fā)育，經(jīng)水浸泡后，極易分解，加之鈣泥質(zhì)膠結(jié)，與水崩解、軟化，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低。根據(jù)相關(guān)聲波技術(shù)現(xiàn)場測試推算，飽水狀態(tài)的巖石在爆破后圍巖由于產(chǎn)生裂隙，強(qiáng)度降為完整巖體的0.38～0.58倍，即強(qiáng)度已經(jīng)下降1倍多。隧洞埋深的增加使圍巖的坍塌隨時出現(xiàn)，支護(hù)方式需要不斷地更新。

3 坍塌的種類

馬欄隧洞的坍塌可分為斷層塌方（構(gòu)造塌方）和應(yīng)力塌方(非構(gòu)造塌方)。其中，應(yīng)力塌方具有長期性，因而在施工中經(jīng)常遇到，且愈來愈嚴(yán)重。

3.1 斷層塌方

隧洞在開挖時，先后出現(xiàn)71條斷層，包括4個斷層帶以及塌高14m的最大斷層。

3.2 應(yīng)力塌方

隨著隧洞的不斷延伸，塌方經(jīng)歷了三個階段：

（1）以拱部以上坍塌為主的三角冒落塌方，發(fā)生在埋深200m以下洞段。通常24小時內(nèi)塌方量為0.2～0.53,而且比較穩(wěn)定。據(jù)實測K0+500、K1+100兩處水倉和避車場特殊部位，在一般簡易支護(hù)下，可保持3年穩(wěn)定狀態(tài)（巖體風(fēng)化剝落除外）。

（2）以劈理發(fā)育為主要特征的過程塌方。此類塌方屬于剪切應(yīng)力控制型，即圍巖強(qiáng)度不足以抵抗重分布應(yīng)力。發(fā)生于埋深在200m～300m的中高埋深段。表現(xiàn)為此生卸荷劈理，呈直線或弧線形狀，短小而密集，間距3cm～5cm，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使墻拱交替剝落，規(guī)模乘倍數(shù)擴(kuò)大。特點為塌落巖體小，但小范圍塌方不斷交替進(jìn)行。

（3）以受剪切面控制的大塊體塌方。發(fā)生于300m以上高埋深段。坍塌時間也不確定，有的一次開挖后隨即塌落、也有幾次爆破或幾天后整體塌落的。巖體均以整塊塌落，經(jīng)實測一塊巖體尺寸為5m×3m×1m。墻部巖體的剝離隨著拱部的大塊體塌落也在乘級數(shù)增大。經(jīng)實測K8+030斷面，24h 坍塌量 2.03m3、73h坍塌量6.53m，是設(shè)計開挖量5.783m的一倍還要多。

表1 隧洞涌水量實測表

表2 K 8+030斷面塌落方量表

4 塌方原因分析

（1）地質(zhì)因素是造成塌方的重要原因。由于建設(shè)資金緊張，對必要的地質(zhì)勘探工作沒有做到位，缺乏隧洞所在地段的地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，情況不明，致使水工設(shè)計人員進(jìn)行隧洞設(shè)計時，將隧洞軸線選在了不良的地質(zhì)區(qū)域，沒有避開不良地層。如飽和粘土、流沙、堆積層、斷裂、褶皺帶、節(jié)理、裂隙發(fā)育帶以及含有各種不利的軟弱結(jié)構(gòu)的圍巖、溶洞、陷穴等地質(zhì)不良區(qū)域。當(dāng)隧洞穿越不穩(wěn)定地層時，很容易發(fā)生塌方。地下水發(fā)育的地區(qū)和地表水滲漏明顯的地段，隧洞圍巖的強(qiáng)度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞開挖過程中，極有可能發(fā)生坍塌冒頂，如不采取有效的工程措施，將會形成極大的塌方。

（2）設(shè)計時，為了節(jié)約工程投資，過分追求較短的洞線，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益，往往將洞軸線選在埡口最底處，趁溝進(jìn)洞和出洞，且晚進(jìn)洞、早出洞，加大了洞口處的開挖深度和洞臉仰坡的高度，卻對地質(zhì)和施工的不利因素不予去方位的考慮，在隧洞洞口和洞身施工中都可能發(fā)生塌方。對不良地質(zhì)地段的隧洞襯砌厚度不夠，不能滿足承載力要求，不能承受可能出現(xiàn)的山巖壓力，完工后結(jié)構(gòu)遭到破壞，進(jìn)而引起塌方。

（3）施工方法不當(dāng)。地質(zhì)勘察資料與工程實際不符，對可能出現(xiàn)的塌方，沒有可靠的預(yù)防處理技術(shù)措施。一旦遇到軟弱、破碎帶地層，往往措手不及造成塌方。對穩(wěn)定性差的圍巖，開挖后沒有及時支護(hù)襯砌，圍巖長期暴露，山巖壓力增長，引起塌方。開挖爆破時，采用強(qiáng)爆破或裝藥過多，因強(qiáng)烈震動引發(fā)塌方。支撐結(jié)構(gòu)不合理，支撐構(gòu)件強(qiáng)度低，或支撐的位置和高程不當(dāng)，在開挖、襯砌過程中必須拆除，引起塌方。不適當(dāng)?shù)耐Ｖ故┕?，沒有搞好施工排水，使圍巖長期浸泡，處于飽和狀態(tài)，山巖壓力增大。圍巖強(qiáng)度下降，一經(jīng)擾動，便會引起塌方。

5 支護(hù)形式的衍變升級

斷層塌方遵循“短掘、弱爆、強(qiáng)支、快襯”的施工方法，采用定型全鋼封閉支護(hù)加二層支護(hù)或超前挑梁橫支撐護(hù)墻等技術(shù)，較成熟的處理和通過了斷層地帶，特別在斷層處理上達(dá)到了理想的效果。

非斷層塌方，先后經(jīng)歷和試驗了木支護(hù)、錨桿支護(hù)、輕鋼加預(yù)制砼支護(hù)以及最后的全封閉支護(hù)。

（1）木支護(hù)使用。該方式在坍塌的第一階段，并隨著砼襯砌工序循環(huán)使用，主要是防護(hù)安全，對遏制坍塌效果不明顯。期間，為了盡量留足隧洞施工空間，對無腿鋼支護(hù)進(jìn)行了實驗。但由于圍巖遇水軟化不斷小范圍剝落，無腿拱架的支撐點難以固定，導(dǎo)致支護(hù)易松動而被暫停使用。

（2）錨桿支護(hù)的使用。該方式在坍塌的第二個階段進(jìn)行了實驗，目的在于進(jìn)一步遏制坍塌，實驗的結(jié)果不理想。原因有：一是巖層發(fā)育、劈理密集，即使配合錨桿在巖面使用了托件，也不能有效控制小塊體塌落，造成錨桿及相互間的孤立。二是涌水量大，錨桿孔雖有砂漿填充，還是充當(dāng)起超前排水孔的角色，相當(dāng)部分沒有起到錨固作用。三是基于此類巖石的摩擦系數(shù)和凝聚力值偏低，僅有錨桿支護(hù)是不夠的，但因施工條件限制，掛網(wǎng)或噴砼工序難以同步實現(xiàn)。

（3）輕鋼支護(hù)的使用。此方式作為永久性支護(hù)在第二階段的塌方得到廣泛應(yīng)用，此種支護(hù)避免了木支護(hù)需要拆除的工序繁雜、費(fèi)用大、危險性高的現(xiàn)狀，是繼錨桿支護(hù)后比較理想的形式，加以適當(dāng)擴(kuò)大斷面，采用拱以上部位木板搭棚，有效地遏制了坍塌和提高了安全性，期間也試驗過砼塊拱部搭棚。此階段工程進(jìn)展順利，安全性高，效果明顯。但隨后的第三階段坍塌，因拱部特別墻部大塊體剝落嚴(yán)重，造成此支護(hù)在本身剛度、遏制墻部坍塌、砼回填量、巖石松動圈向深部發(fā)展等因素影響下，已經(jīng)不能起到遏制塌落、節(jié)省費(fèi)用和加快進(jìn)度的效果。

（4）全封閉支護(hù)。該方式是在面臨第三階段坍塌地段，通過與第二階段支護(hù)費(fèi)用（節(jié)省20%）及進(jìn)度（由原40m每月提高到80m左右）等核算后，并匯總以前支護(hù)形式，采用的一種強(qiáng)度大、安全性高、進(jìn)尺快的永久性支護(hù)形式。首先是采用I14工字鋼骨架，榀距1.0m相連接成整體，周圈用砼預(yù)制板或木板封閉，頂背部砂漿或巖渣充填密實。其次根據(jù)地質(zhì)塌落地段適當(dāng)加大成洞砼襯砌厚度50%～80%，堅持短掘弱爆施工原則，要求在爆破后10小時內(nèi)完成支護(hù)，將塌方量縮減80%，控制在最低程度，實施開挖和砼澆筑工序的平行作業(yè)，縮短裸巖暴露時間和減輕支護(hù)承載及變形量，最后預(yù)留較深的灌漿孔，達(dá)到壓力回填灌漿充分，使之結(jié)合密實。

6 結(jié)語

引起馬欄河引水隧洞坍塌有巖性、層理、地下涌水、暴露時間、爆破強(qiáng)度、地應(yīng)力等因素，隧洞坍塌量的增大與埋深的關(guān)系呈現(xiàn)出很大的正比關(guān)系，但是大多因素在長達(dá)5年的時間內(nèi)均無大的變化，并且還出現(xiàn)暴露時間縮短、涌水慢慢減少等有利條件。馬欄隧洞因塌方及時觀察和支護(hù)方式選擇正確，10余年來運(yùn)行良好，累計引水約3.3億m3，最大程度的保障了銅川市區(qū)生活用水和工農(nóng)業(yè)用水，對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)揮了不可估量的貢獻(xiàn)。陜西水利