淺談引水隧洞冒頂塌方處理方案

單柏翔

1 概述

某重點供水工程在176+382～193+498樁號范圍內(nèi)為馬蹄形無壓隧洞，毛洞開挖洞徑7.3 m×6.7 m（寬×高）。本次冒頂塌方位置位于1#支洞～2#支洞洞段之間，該樁號位置洞段洞室為Ⅴ類圍巖，埋深約為48 m，在勘查報告中的不良地質段樁號范圍內(nèi)。

上述隧洞不良地質段在施工開挖過程中發(fā)生塌方現(xiàn)象，塌方范圍自樁號D180+878至D180+885.2，塌方方量約為157 m3。

洞內(nèi)塌方發(fā)生后不久，隧洞樁號D180+885處洞頂以上34～48 m地表面發(fā)現(xiàn)塌陷。經(jīng)現(xiàn)場量測，地表坍塌范圍為8.7 m×9.9 m（南北長×東西長），塌陷深度約為13.8 m，坍塌坑近似圓形，坑洞周圍約1.0 m范圍內(nèi)地表出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度1 cm～8 cm不等，具體塌方型式見圖1。

圖1 隧洞冒頂塌方示意圖

2 工程地質條件

本段洞室?guī)r性為白堊系義縣組泥質粉砂巖，灰色～灰綠色，弱風化，泥質結構、層狀構造，層理產(chǎn)狀 187°∠13°，層厚2 cm～20 cm；巖石點荷載換算成單軸飽和抗壓強度為11 MPa，屬軟巖；巖體層理發(fā)育，短小節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理多為陡傾角，與層理面近垂直，節(jié)理面多呈微張狀，無充填，平直光滑～起伏粗糙；巖體完整性差，局部拱頂部位較破碎；地下水呈干燥～滲水狀。本段圍巖類別均為Ⅴ類。

3 冒頂塌方原因分析

隧洞開挖過程中，該段隧洞發(fā)生方量較大的塌方，該處圍巖蝕變、風化、軟化較重，節(jié)理裂隙發(fā)育以正南向，中～陡傾角為主，洞內(nèi)塌方處理過程中未將洞室上部坍塌的空腔完全填實，受大氣降水下滲和巖體風化的綜合影響，空腔上部巖體沿層理面方向逐步坍塌，塌腔頂部逐步向上延伸，直至接近地表。

4 洞內(nèi)塌方處理方案

4.1 加強洞內(nèi)初期支護

洞內(nèi)塌方發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場塌方情況，利用塌方渣體作為平臺對塌腔部位噴射混凝土封閉，以防止其繼續(xù)擴大，并采取鋼拱架進行二次加固措施，鋼拱架間距0.8 m，連接筋采用F25螺紋鋼，間距30 cm布設于拱架全周，鋼拱架內(nèi)側中間采用網(wǎng)格為10 cm×10 cm的雙層F8 mm鋼筋網(wǎng)焊接。在拱頂塌腔中心部位及兩側間隔部位分別安裝長度為3 m的φ80 mm無縫鋼管和φ42 mm無縫鋼管，作為塌腔回填時的注漿管和排水管，當噴射混凝土強度達到設計強度80%以上后，利用預留注漿管分層回填C30混凝土至2.5 m厚，剩余空腔預留注漿管于洞段開挖完成后固結灌漿密實。

4.2 洞內(nèi)注漿加固

對樁號D180+870～D180+904范圍內(nèi)洞段全斷面進行固結灌漿。灌漿孔采用梅花形布置，排距2.0 m、灌漿孔長度為6.0 m、孔徑為38 mm～40 mm。灌漿孔分三序布置。固結灌漿孔內(nèi)設置止?jié){塞，止?jié){塞距孔口0.5 m，在巖石破碎帶段止?jié){塞封閉漿液困難時，在孔口設置孔口管，孔口管采用Φ56 mm的無縫鋼管。固結灌漿壓力最大不宜超過1.0 MPa，灌漿壓力和漿液水灰比應依據(jù)灌漿試驗確定。全斷面固結灌漿應按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》SL62-94執(zhí)行。

4.3 洞內(nèi)設置排水孔

對樁號D180+870～D180+904范圍內(nèi)洞段周設Ⅲ型排水孔。排水孔采用梅花型布置，排距3 m、深入巖石2 m、孔徑為38 mm～40 mm。排水孔鉆孔完畢后，應仔細沖洗干凈，加以保護。

5 洞外地表塌陷坑處理措施

5.1 地表塌陷坑處理

首先應在塌陷坑附近設置安全警示牌，設置圍欄并封閉現(xiàn)場，并安排專人看守現(xiàn)場，保證周圍村民安全。然后在地表塌陷坑四周布置臨時截水溝，同時為防止地面徑流流入塌陷坑內(nèi)，避免更大范圍的坍塌，還需要在較低位置處設置截水溝出口進行排水[1]。

5.2 填實塌陷坑

對塌陷坑內(nèi)采用洞渣回填，回填料最大粒徑為150 mm，地表以下3 m范圍石渣回填要求分層夯實，相對密度不小于0.65，石渣回填至地表以下0.5 m。

塌陷坑地表以下0.5 m至地表范圍內(nèi)采用耕植土回填，耕植土需滿足當?shù)馗饕蟆?/p>

5.3 地表充填灌漿

對塌陷坑地表外邊線2 m范圍內(nèi)，高度為地面以下0.5 m至隧洞頂部上方3 m范圍內(nèi)采用鉆孔充填灌漿，灌漿孔采用梅花形布置，間距為2.0 m×2.0 m，孔徑為42 mm，隧洞邊線3 m范圍內(nèi)灌漿孔鉆至隧洞頂部以上3 m（鉆孔深約42 m），其余灌漿孔鉆至隧洞底部高程處（鉆孔深約52 m）。灌漿壓力宜控制在0.2 MPa～0.5 MPa范圍內(nèi)，下部采用高壓力灌漿，上部采用低壓力灌漿，進行最上部灌漿時，當?shù)孛骈_始出現(xiàn)返漿現(xiàn)象發(fā)生時，即可停止灌漿[2][3]。灌漿漿液采用水泥砂漿。相關要求如下：

（1）采用水:水泥:砂為0.6∶1∶2配合比的水泥砂漿。（2）水泥材料采用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。（3）砂的質量應符合SL62-2014第3.1條規(guī)定。

（4）由于灌漿初期達不到規(guī)定壓力，采用小壓力（0.1 MPa）長時間灌漿為主（30 L/min），在壓力穩(wěn)定后（0.2～0.5 MPa之間），判斷灌漿段吸漿量≤0.4 L/min后，再持續(xù)灌注10 min左右，可灌漿結束。

（5）地表充填灌漿結束后，需清除鉆孔內(nèi)的積水、污物，并采用配合比為1∶2的水泥砂漿進行全孔封堵，最后抹平。

（6）地表充填灌漿結束后，承包人應在3～7天內(nèi)對灌漿孔進行檢查。并將灌漿檢查記錄和有關資料提交監(jiān)理人，以便擬定檢查孔的孔位。對灌漿孔進行檢查時，數(shù)量不少于2個，且不應相鄰[4]～[5]。鉆孔取芯要求芯樣連續(xù)完整，石渣間填充密實。否則，應按監(jiān)理人指示或批準的措施進行處理。

（7）檢查孔封孔：應排除鉆孔內(nèi)積水和污物，采用1∶2水泥砂漿將全孔封堵密實和抹平，地表灌漿具體形式見圖2。

圖2 地表固結灌漿孔平面布置圖

6 結論及建議

施工處理完成后，在隧洞冒頂塌方處增設監(jiān)控量測斷面，實施地表下沉、拱頂下沉、洞內(nèi)及地面斷面收斂監(jiān)測，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，除地表受雨水及施工震動因素影響，初期有局部地表下沉變形外，冒頂塌方區(qū)拱頂總下沉量和收斂量均在規(guī)范要求范圍內(nèi)且結構趨于安全穩(wěn)定狀態(tài)，證明本次塌方冒頂處理方案時合理的，保證了隧洞結構的安全穩(wěn)定及工程的順利進行。

通過對地面塌陷坑回填石渣及沖填灌漿，加強洞內(nèi)初期支護、設置洞內(nèi)排水孔及固結灌漿等措施，順利地治理本次冒頂塌方事故[6]，可以為其他工程提供經(jīng)驗參考依據(jù)。通過本次冒頂塌方案例，對預防引水隧洞冒頂塌方事故的發(fā)生在設計與施工方面提出以下建議：

（1）長距離引水隧洞在選線、施工方案設計之前，應詳細勘測規(guī)劃范圍內(nèi)的地質情況，針對可能出現(xiàn)的不良地質條件，應重點研究初期支護體系設計、支護及時性和施工方法，從根源上避免出現(xiàn)冒頂塌方事故。

（2）隧洞開挖過程中，應根據(jù)實時掌握的圍巖變化情況，及時調(diào)整和優(yōu)化開挖、支護方案，對不良地質段應適當加強支護措施，并做好安全監(jiān)測，保證支護參數(shù)和施工質量滿足隧洞施工設計規(guī)范要求。

（3）隧洞開挖過程中，應做好施工區(qū)域的排水工作，及時監(jiān)測隧洞周圍地下水位變化，防止地表水下滲改變巖土層及圍巖構造面力學性質。

（4）在隧洞開挖過程中一旦發(fā)生塌方事故，應及時封閉掌子面，對塌方體采取加固措施和及時填實坍塌的空腔，防止塌方進一步擴大，避免地表塌陷事故的發(fā)生。

[1]劉臻.隧道坍塌冒頂事故的原因分析與施工預防措施[J].黑龍江交通科技，2013.07.

[2]沈林.關于隧道冒頂處理的施工方法[J].科技資訊，2014.11.

[3]劉亞濤.廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)獨山隧洞冒頂塌方處理技術[J].工程技術，2014.02.

[4]龐游洋.淺談淺埋隧道塌方冒頂處理技術[J].北方交通，2015.02.

[5]潘秀峰等.對團結水電站引水隧洞在施工中塌方導致冒頂?shù)姆治雠c研究[J].黑龍江水利科技，2002.3.

[6]張樹明.牛角沖隧洞塌方冒頂?shù)奶幚韀J].浙江水利科技，1996.01.