新疆某干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌成因分析及处理措施

(新疆伊河建管局， 乌鲁木齐 830000)

新疆某干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌成因分析及处理措施

刘林涛

(新疆伊河建管局， 乌鲁木齐 830000)

本文通过介绍新疆某干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌的实例，对隧洞塌方的成因和处理过程进行分析和研究。该研究成果可为其他类似水工隧洞施工提供借鉴。

砂砾石极软岩隧洞； 洞顶坍塌； 施工方案

1 工程概况

新疆某干渠1号隧洞属浅埋深极软岩输水隧洞，工程由进口明渠及渐变段、洞身段、出口暗涵段、出口矩形槽段及施工支洞五部分组成，其中洞身段全长为4668m，为无压明流隧洞，设计断面为正马蹄形，衬完断面尺寸6.2m×6.2m，最大开挖尺寸8.1m×8.1m，Q设计=55.5m3/s，Q加大=62m3/s。

该隧洞通过地貌单元为河谷冲洪积倾斜平原区，地形平坦开阔，无大冲沟发育，围岩上部为风积黄土，厚度1.5～2.5m，其下为冲积卵石混合土层，厚度大于30m。洞身段顶覆土层及卵石混合土层厚5～14m，围岩类别为Ⅴ类，岩体抗力系数K0=100～200N/cm3，饱和抗剪强度：37°～40°，坚固系数fk=0.8，地下水埋深16.5～21.5m，位于洞底以下。根据探坑试验资料，颗粒级配连续，未发现砂层透镜体，砂砾石天然湿密度1.97～2.18g/cm3，干密度1.91～2.22g/cm3，含水率2.8%～4.2%，最紧密度1.98～2.26g/cm3，相对密度Dr=0.7，渗透系数k=1.3×10-2～2.2×10-2cm/s，属强透水层。

2 基本施工工法

1号隧洞在距进口2711m处设置一条施工支洞，主洞开挖工作面为4个，单个工作面控制最大施工长度约1605m，自进口到支洞至出口围岩埋深由18m～10m～4m递减。鉴于该隧洞属浅埋深砂砾石极软岩隧洞，且地面附着物复杂，有公路、渠道、民宅、耕地等，具有施工难度大和高风险性的特点，结合新疆已建的类似工程，如：二道湾隧洞、博塔玛依隧洞、顶山隧洞的成功经验，隧洞施工方案遵循“短进尺、强支护、快衬砌”的原则，掌子面开挖及一次支护采用短进尺(循环进尺0.4～1m)多循环分部超短台阶法(台阶长3.2m左右)进行施工，人工风镐与小型挖掘机相配合开挖，型钢拱架或格栅拱架连接喷锚网干喷混凝土一次支护，二衬混凝土采用钢模台车跟进支护(距掌子面间距不超过80m)，最大限度地减少围岩裸露时间及围岩形变空间，尽量减轻或消除施工因素对围岩的扰动。

3 洞顶坍塌成因分析

1号隧洞在支洞段前25m及出口洞段前60m施工过程中顶部±45°范围连续出现掉拱和坍塌，40cm间距单榀循环开挖最大塌方面积近1.5m2，塌腔高度0.5～1.2m，经对围岩变化情况分析及现场施工工法改良实践，总结得出以下几点导致洞顶坍塌原因。

3.1 不良地质条件影响

由于该隧洞属浅埋深砂砾石软岩隧洞，冲积卵石混合土层围岩自身的一些特点是形成洞顶坍塌的主要原因之一。如：冲积卵石混合土自然形成的过程中形成的弱胶结粉砂透镜体及断级配卵石夹层，再如：砂砾石自然沉积过程中岩体相对密度及抗力系数、坚固系数等性能指标垂直增强趋势明显。上述规律从隧洞四个掌子面2013年度开挖施工过程中洞顶坍塌发生频率即可判定，出口300m洞段埋深4～5m，洞顶坍塌从进洞伊始就未曾中断，而埋深达10m左右的支洞段仅在洞顶范围集中出现砂透镜体或断级配卵石夹层时方会出现少量坍塌，在埋深超过15m的隧洞进口掌子面由于砂砾石自然堆积密度高、围岩胶结良好几乎未遇坍塌掉拱，隧洞超挖控制非常理想。

3.2 地表降雨及农田灌溉渗水影响

由于隧洞浅埋深及砂砾石地层极透水性的特点，当施工区地表发生降雨或经农田灌溉水渗透后直接导致围岩含水率变大，砂砾石自重随之增加，当自重大于围岩胶结承载力后极易在洞顶部位发生剥落掉拱，经现场取样，当掌子面砂砾石岩体含水量超过4.5%(正常含水率2.8%～4.2%)后发生洞顶坍塌的频率及规模均有所增加。

3.3 开挖机械扰动影响

软岩隧洞开挖施工主要采用人工配合机械进行，开挖上断面时，挖掘机立于下断面进行粗破碎，后风镐进行人工修整，再由挖掘机翻碴至下台阶中槽内装车出渣。在施工初期，由于施工技术人员对软岩特性认识不到位或机械手操作不熟练，上断面机械开挖往往导致保护层预留不够或直接形成超挖，而料斗对上半拱围岩的扰动范围可深入开挖基线30cm，在后续风镐修整施工中直接引发局部剥落掉拱。

3.4 超前支护方式不当影响

使用锚杆、管棚等超前支护是加固岩体减少坍塌的有效工法，本隧洞在出口及支洞段施工前期也使用了φ32、L=3m自进式中空锚杆进行超前支护，但由于锚杆较长且材质偏软在实际钻进过程中飘管情况严重，不规则的钻进面反而对岩体产生较大扰动致使坍塌情况更为严重。

4 处理及预防措施

鉴于1号隧洞的特殊地质情况，如对洞顶塌腔不及时进行处理必将影响到围岩整体稳定引起更为严重的坍塌，且处理方式不当必将导致一次支护不密实或存在空腔，在后期可能引发岩体二次剥落遗留重大安全隐患，就上述问题在工程实施过程中本着“预防与处理并重”的原则采取了以下几点具体措施予以解决。

4.1 对不良地质条件进行预判提前调整施工方案

在隧洞施工过程中，对不良地质条件的预判及提前处理是做好坍塌控制的先决条件。如：在掌子面开挖过程中发现弱胶结粉砂透镜体及断级配卵石夹层，或遇地表降水及农田灌溉掌子面岩体含水量明显增加，则立即调整施工方案减小开挖间距，加大人工开挖保护层厚度并设置超前锚杆加强支护，只有通过及时的预判、预加固才能做到有效控制。

4.2 两次喷护及时封闭确保喷护质量

本工程一次支护采用15cm厚喷混凝土型钢拱架或18cm厚喷混凝土钢格栅拱架支护两类，考虑到洞顶坍塌易发洞段围岩弱胶结及水分散失后更易引起砂砾石分层剥落，故在覆盖层厚度小于半倍洞径(4m)的洞段采用“短进尺、快封闭”工法施工，将上半拱开挖进尺控制在40cm即架设拱架进行一次支护初喷，初喷厚度不超过5cm,待半断面封闭后再进行二次喷护至设计厚度，两次喷护成型的施工方法在大幅减少开挖面封闭时间的同时，有效防止了喷护过程中混凝土“堆叠”成型，确保了喷护混凝土密实度和强度。

4.3 遇塌腔及时调整挂网形式，适时适量进行回填灌浆处理

为保证塌腔在此支护工程充填密实，减少喷护混凝土回弹量，在现场施工中当塌腔高度大于50cm时挂网钢筋不再延拱架规则布置，而改为尽量贴服坍塌岩面架设，必要时加设大孔径(≥2cm)钢丝网，再分多次喷护密实。考虑到混凝土干缩过程或施工缺陷引起空隙或空腔，在塌腔高度大于80cm时通常预埋灌浆花管及排气管，待坍塌段全部通过且一次支护强度达到设计要求时进行回填灌浆，为防止压力过大对一次支护产生破坏，灌浆压力不超过0.1MPa。

4.4 改良超前支护形式降低施工扰动

就自进式中空锚杆飘管扰动岩体引发坍塌的情况，经过现场多次试验调整，后期将超前支护改为材质更硬的φ25，L=2.5m的螺纹钢代替，并在锚杆击入前在近掌子面格栅内环加装φ50，L=50cm的导向管，导向管与掌子面夹角小于15°，经过改良，有效控制了锚杆钻进角度，锚杆紧密排列钻进面齐整有序，从根本上杜绝了飘管现象，超前支护体系整体支撑效果显著，洞顶坍塌得到了有效控制。

4.5 减少外水渗漏，控制地表动荷载，最大限度减少外界因素对围岩的影响

在工程实施过程中对与洞线交叉的所有渠系采用防渗护砌处理，对施工作业面地表划定禁行区，对交叉公路进行交通管制，上述措施最大限度地减轻了农田渠系灌溉渗水或车辆行走等外界因素对围岩的扰动，有效保证了工程的安全施工。

5 结 语

施工实践证明，在浅埋深砂砾石极软岩隧洞施工中，提前预判围岩变化，及时调整施工方案，采用合适的超前支护形式及开挖衬砌工法，可以有效地控制洞顶坍塌，保证一次支护回填密实，杜绝形成空腔引发二次剥落，确保了工程的安全顺利施工。

Cause Analysis of Extreme Soft Rock Tunnel Top Collapse in One Xinjiang Main Channel with Shallow Depth and Treatment Measures

LIU Lin-tao

(Xinjiang Yi River Construction Authority, Urumqi 830000, China)

In the paper, example of trunk extreme soft rock tunnel top collapse in one Xinjiang main channel with shallow depth is introduced, causes and treatment processes of tunnel collapse are analyzed and researched. The research results can provide reference for other similar hydraulic tunnel construction.

sand and gravel extreme soft rock tunnel; tunnel top collapse; construction plan

TV554

B

1005-4774(2014)12-0010-03