浅谈马栏隧洞坍塌种类及支护形式的选择

秦鹏

（陕西省桃曲坡水库灌溉管理局 陕西 铜川 727031）

1 马栏河引水隧洞工程状况

马栏河引水工程是为解决铜川市城市用水严重不足而修建的跨流域调水工程。引水隧洞是该项目的关键控制工程，进口位于泾河流域马栏河上的旬邑县马栏镇境内，出口位于渭河流域沮河上的耀县庙湾镇境内。该隧洞全长11.49 km，为无压2m×2.1m城门洞型，设计流量33m3/s,比降1/400。隧洞穿越子午岭山脉，埋深65m～397m间。岩石为泥质砂岩，强度低、遇水软化。隧洞工程于1993年5月正式开工，采用钻爆法施工、全断面开挖及电瓶车牵引有轨运输、城门洞型砼衬砌。1997年12月隧洞全线贯通。1998年10月竣工通水，年均引水2000万m3。

2 隧洞地质构造和岩石成分

该隧洞穿越乔山山脉系的子午岭山脉，地质构造以砂岩为主，有少量砾岩夹层或透镜体游离穿越隧洞，长度范围1200m，分布在（K3+050—K4+200）洞段。洞体开挖后洞壁渗水成线状，经多次多段实测平均渗水量在0.333m/m·d（砼衬砌成洞后，因每1.5m预留2处排水孔，故渗水在围岩暴露和衬砌两种状态的影响暂不计）。

该隧洞所处的岩石处于饱水状态，砂岩以褚红色为主，属中粒结构（D=0.5mm～0.25mm），长石含量在33%，粘土矿物质含量﹥39%，膨胀矿物质含量﹥15%，膨胀力 P=18 kPa～25kPa,软化系数 Kd=0.19～0.25，摩擦系数 f=0.7，凝聚力 C=4×105PA，为Ⅳ-Ⅴ类别泥质长石砂岩。岩石层理发育，经水浸泡后，极易分解，加之钙泥质胶结，与水崩解、软化，导致岩石强度降低。根据相关声波技术现场测试推算，饱水状态的岩石在爆破后围岩由于产生裂隙，强度降为完整岩体的0.38～0.58倍，即强度已经下降1倍多。隧洞埋深的增加使围岩的坍塌随时出现，支护方式需要不断地更新。

3 坍塌的种类

马栏隧洞的坍塌可分为断层塌方（构造塌方）和应力塌方(非构造塌方)。其中，应力塌方具有长期性，因而在施工中经常遇到，且愈来愈严重。

3.1 断层塌方

隧洞在开挖时，先后出现71条断层，包括4个断层带以及塌高14m的最大断层。

3.2 应力塌方

随着隧洞的不断延伸，塌方经历了三个阶段：

（1）以拱部以上坍塌为主的三角冒落塌方，发生在埋深200m以下洞段。通常24小时内塌方量为0.2～0.53,而且比较稳定。据实测K0+500、K1+100两处水仓和避车场特殊部位，在一般简易支护下，可保持3年稳定状态（岩体风化剥落除外）。

（2）以劈理发育为主要特征的过程塌方。此类塌方属于剪切应力控制型，即围岩强度不足以抵抗重分布应力。发生于埋深在200m～300m的中高埋深段。表现为此生卸荷劈理，呈直线或弧线形状，短小而密集，间距3cm～5cm，网状结构使墙拱交替剥落，规模乘倍数扩大。特点为塌落岩体小，但小范围塌方不断交替进行。

（3）以受剪切面控制的大块体塌方。发生于300m以上高埋深段。坍塌时间也不确定，有的一次开挖后随即塌落、也有几次爆破或几天后整体塌落的。岩体均以整块塌落，经实测一块岩体尺寸为5m×3m×1m。墙部岩体的剥离随着拱部的大块体塌落也在乘级数增大。经实测K8+030断面，24h 坍塌量 2.03m3、73h坍塌量6.53m，是设计开挖量5.783m的一倍还要多。

表1 隧洞涌水量实测表

表2 K 8+030断面塌落方量表

4 塌方原因分析

（1）地质因素是造成塌方的重要原因。由于建设资金紧张，对必要的地质勘探工作没有做到位，缺乏隧洞所在地段的地质和水文地质资料，情况不明，致使水工设计人员进行隧洞设计时，将隧洞轴线选在了不良的地质区域，没有避开不良地层。如饱和粘土、流沙、堆积层、断裂、褶皱带、节理、裂隙发育带以及含有各种不利的软弱结构的围岩、溶洞、陷穴等地质不良区域。当隧洞穿越不稳定地层时，很容易发生塌方。地下水发育的地区和地表水渗漏明显的地段，隧洞围岩的强度大大降低，加之空隙水的作用，在隧洞开挖过程中，极有可能发生坍塌冒顶，如不采取有效的工程措施，将会形成极大的塌方。

（2）设计时，为了节约工程投资，过分追求较短的洞线，获得良好经济效益，往往将洞轴线选在垭口最底处，趁沟进洞和出洞，且晚进洞、早出洞，加大了洞口处的开挖深度和洞脸仰坡的高度，却对地质和施工的不利因素不予去方位的考虑，在隧洞洞口和洞身施工中都可能发生塌方。对不良地质地段的隧洞衬砌厚度不够，不能满足承载力要求，不能承受可能出现的山岩压力，完工后结构遭到破坏，进而引起塌方。

（3）施工方法不当。地质勘察资料与工程实际不符，对可能出现的塌方，没有可靠的预防处理技术措施。一旦遇到软弱、破碎带地层，往往措手不及造成塌方。对稳定性差的围岩，开挖后没有及时支护衬砌，围岩长期暴露，山岩压力增长，引起塌方。开挖爆破时，采用强爆破或装药过多，因强烈震动引发塌方。支撑结构不合理，支撑构件强度低，或支撑的位置和高程不当，在开挖、衬砌过程中必须拆除，引起塌方。不适当的停止施工，没有搞好施工排水，使围岩长期浸泡，处于饱和状态，山岩压力增大。围岩强度下降，一经扰动，便会引起塌方。

5 支护形式的衍变升级

断层塌方遵循“短掘、弱爆、强支、快衬”的施工方法，采用定型全钢封闭支护加二层支护或超前挑梁横支撑护墙等技术，较成熟的处理和通过了断层地带，特别在断层处理上达到了理想的效果。

非断层塌方，先后经历和试验了木支护、锚杆支护、轻钢加预制砼支护以及最后的全封闭支护。

（1）木支护使用。该方式在坍塌的第一阶段，并随着砼衬砌工序循环使用，主要是防护安全，对遏制坍塌效果不明显。期间，为了尽量留足隧洞施工空间，对无腿钢支护进行了实验。但由于围岩遇水软化不断小范围剥落，无腿拱架的支撑点难以固定，导致支护易松动而被暂停使用。

（2）锚杆支护的使用。该方式在坍塌的第二个阶段进行了实验，目的在于进一步遏制坍塌，实验的结果不理想。原因有：一是岩层发育、劈理密集，即使配合锚杆在岩面使用了托件，也不能有效控制小块体塌落，造成锚杆及相互间的孤立。二是涌水量大，锚杆孔虽有砂浆填充，还是充当起超前排水孔的角色，相当部分没有起到锚固作用。三是基于此类岩石的摩擦系数和凝聚力值偏低，仅有锚杆支护是不够的，但因施工条件限制，挂网或喷砼工序难以同步实现。

（3）轻钢支护的使用。此方式作为永久性支护在第二阶段的塌方得到广泛应用，此种支护避免了木支护需要拆除的工序繁杂、费用大、危险性高的现状，是继锚杆支护后比较理想的形式，加以适当扩大断面，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，期间也试验过砼块拱部搭棚。此阶段工程进展顺利，安全性高，效果明显。但随后的第三阶段坍塌，因拱部特别墙部大块体剥落严重，造成此支护在本身刚度、遏制墙部坍塌、砼回填量、岩石松动圈向深部发展等因素影响下，已经不能起到遏制塌落、节省费用和加快进度的效果。

（4）全封闭支护。该方式是在面临第三阶段坍塌地段，通过与第二阶段支护费用（节省20%）及进度（由原40m每月提高到80m左右）等核算后，并汇总以前支护形式，采用的一种强度大、安全性高、进尺快的永久性支护形式。首先是采用I14工字钢骨架，榀距1.0m相连接成整体，周圈用砼预制板或木板封闭，顶背部砂浆或岩渣充填密实。其次根据地质塌落地段适当加大成洞砼衬砌厚度50%～80%，坚持短掘弱爆施工原则，要求在爆破后10小时内完成支护，将塌方量缩减80%，控制在最低程度，实施开挖和砼浇筑工序的平行作业，缩短裸岩暴露时间和减轻支护承载及变形量，最后预留较深的灌浆孔，达到压力回填灌浆充分，使之结合密实。

6 结语

引起马栏河引水隧洞坍塌有岩性、层理、地下涌水、暴露时间、爆破强度、地应力等因素，隧洞坍塌量的增大与埋深的关系呈现出很大的正比关系，但是大多因素在长达5年的时间内均无大的变化，并且还出现暴露时间缩短、涌水慢慢减少等有利条件。马栏隧洞因塌方及时观察和支护方式选择正确，10余年来运行良好，累计引水约3.3亿m3，最大程度的保障了铜川市区生活用水和工农业用水，对促进地方经济发挥了不可估量的贡献。陕西水利