小浪底引黄工程土洞段塌方冒顶处理探析

张君

（山西小浪底引黄工程有限公司，山西 垣曲 043700）

小浪底引黄工程土洞段塌方冒顶处理探析

张君

（山西小浪底引黄工程有限公司，山西 垣曲 043700）

以小浪底引黄工程土洞段冒顶塌方为例，根据实际情况结合其他工程塌方处理经验，选用明挖塌体结合拱架、钢筋混凝土回填加固施工方案，成功解决了该工程土洞段冒顶塌方问题，可为类似隧洞工程施工提供参考。

塌方冒顶；混凝土浇筑；钢拱架支护；挂网喷护；小浪底引黄工程

1 工程概况

小浪底引黄工程是山西省“两纵十横”中的第九横，主要解决运城市中东部大部分地区的工农业用水难题。2号引水隧洞是小浪底引黄工程的主干线工程，全长53km，其中桩号47+430—59+590段为2号引水隧洞末端，是2号引水隧洞中唯一的土洞段，长12.16km，位于运城市闻喜县境内。桩号52+966—59+ 590段为小浪底引黄工程施工Ⅺ标，总长 6.6km，采用人工开挖，为无压引水隧洞，设计断面为城门洞型，尺寸3.8m×5.0m（宽×高），设计流量16.25m3/s，设计纵坡1/3000，洞内水深2.97m，隧洞全线采用钢筋混凝土衬砌。

2 冒顶区地质条件及塌方冒顶原因

2.1 冒顶区地质条件

该段隧洞位于涑水河河谷左岸的岸坡处，主要通过地层为第四系上更新统坡洪积低液限黏土夹低液限粉土，局部夹砂卵石，土层厚度较薄。此段隧洞洞身多位于湿陷土层中，隧洞周围土层遇水易产生湿陷变形，且该层多具中等压缩性，易产生压缩变形，成洞条件相对较差。经现场地质钻孔勘察，该段含砂层较多。砂层厚度0～4.5m，其中59+332—59+350段地表有建筑垃圾，建筑垃圾最高处约12m。

根据取样室内土工试验资料，其干密度为1.22～1.69g/cm3，平均值1.40g/cm3；天然压缩系数为0.06～0.85MPa-1，平均值0.23MPa-1，具中等压缩性；饱和压缩系数为0.06～1.30MPa-1，平均值0.33MPa-1，具中等压缩性；饱和压缩模量为2.4～11.9MPa，平均值7.6MPa；垂直渗透系数平均值为1.32×10-4cm/s，多具中等透水性；水平渗透系数平均值为1.16×10-4cm/s，多具中等透水性；黏聚力11.8～32.9kPa，平均值20.1kPa；内摩擦角17.0°～23.0°，平均值20.2°。钻孔标贯击数5～14击，一般在7～9击，基承载力80～100kPa。本段隧洞洞身位于湿陷性土层中，遇水易产生湿陷性变形，且该段含砂层较多，成洞条件相对较差。

2.2 冒顶原因

施工Ⅺ标出口段埋深较浅，桩号59+240—59+ 375段地势低洼，为地表雨水汇集处，且围岩厚度较薄，洞顶土层最薄处不足8m，从2014年10月施工到该段出现局部坍塌，随即采用直径108mm的大管棚施工，施工结束清理掌子面堆积体时出现二次冒顶坍塌（桩号59+332—59+337）。究其原因主要是该段顶部厚8m的土质覆盖层均为混凝土块、砖块等建筑垃圾，起不到顶部支撑保护作用。另外，在施作管棚过程中，跟管钻进施工工艺缺陷，接头套管连接不牢固，造成接头部位相对薄弱，管棚内未设置钢筋笼，导致已施工的部分管棚在接头处断裂，造成原地表二次坍塌。

3 塌方冒顶处理措施

3.1 方案比选

塌方发生后施工单位及时采取了撤离人员、设备等应急措施，并通知各参建方尽快到达施工现场，对本次坍塌冒顶进行现场查看。根据以往处理塌方经验提出了三种可选方案：超前小导管注浆施工方案，迈式锚杆注双液浆施工方案和明挖塌体结合拱架、钢筋混凝土回填加固施工方案。

超前小导管注浆施工方案具有施工速度快、成本低、操作简单等优点，但由于小导管直径较小，承受上部压力有限，并且要求小导管前部未开挖岩体具有一定的自稳支撑能力，不能满足现场情况。

迈式锚杆注双液浆施工方案施工速度较慢、成本高、操作难度大，需要专业钻具及专业施工队伍，但迈式锚杆管棚较长、刚度强、注浆加固长度范围较大，前部未开挖岩体支点经注浆后有一定的自稳能力，承受上部压力的能力较强。

明挖塌体结合拱架、钢筋混凝土回填加固施工方案具有施工速度较快、成本较低、操作简单且无需专业设备和专业队伍即可施工的优点。

综合比较，确定采取明挖塌体结合拱架、钢筋混凝土回填加固方案进行处理。

3.2 冒顶塌方处理

3.2.1 冒顶塌体处理

冒顶区生活垃圾处理：由于冒顶区地表有生活垃圾堆积，首先对其进行清理，清理范围为隧洞边线外围3～4m，清理完成后对坑底周围进行围挡防护，并设置警戒标志，安排专人看守，防止发生意外。

洞内塌体清理：地表清理完成后对洞内坍塌体进行清理，只清理自然滑落部分，清理到露天后对自然滑动出来的塌坑周边进行排险工作。

3.2.2 洞内外加固处理

塌体处理清理到露天后对自然滑动出来的塌坑采用钢结构铺设钢板，在塌坑上方形成防护体，或对塌坑周壁进行厚度不小于10cm的混凝土喷射，防止落石伤人。清理出1～2榀钢架范围后，及时施作工字型20a型钢拱架，钢拱架间距不大于30cm，可根据实际情况放至25～35cm，拱架间纵向连接筋为直径25mm的钢筋，环向间距1m，在钢拱架外侧布设双层直径8mm，间距150mm×150mm的钢筋网片，钢拱架要封闭成环，并临时布设I16横撑、竖撑型钢，喷射C20混凝土进行初支，本段处理完成后，继续按以上原则进行清理跟进，直至处理完整个塌坑范围（桩号59+338—59+333），露天段侧直墙喷射C20混凝土，厚度不小于50cm。由于侧墙为粉砂层，清理过程会出现坍塌，须将坍塌空腔用混凝土回填密实，严禁出现空洞。

塌方段开挖支护处理：塌坑处理完成后，在掌子面管棚间及后续在2次进洞掌子面（15m范围，桩号59+333—59+318）范围内插打直径42mm的超前小导管，再对未塌方部分进行开挖，超前小导管长度4.5m，环向间距30cm，纵向搭接长度不小于1.5m。人工开挖，每次开挖以50cm为宜，打设长2m，直径25mm，间距1m的系统锚杆，并及时支护I20a钢拱架，钢拱架间采用直径25mm的连接筋进行连接，布设直径8mm，间距150mm×150mm的钢筋网片；采用直径42mm的锁脚锚杆，每根长3m，待初期支护完成2～3榀钢拱架后对未成环初期支护底板进行横撑封闭成环，封闭过程中采用短进尺，一次仅开挖一榀钢拱架的距离。首先将横撑部位人工开挖成20cm宽的槽状，然后将横撑安装完成，横撑采用I16型钢，并与边墙工字钢连接牢固，然后再人工开挖两榀工字钢之间的底板土，开挖深度不小于25cm，开挖完成后人工夯实，纵向横撑之间采用直径25mm的钢筋连接，连接筋环向间距1m，之后用C25混凝土浇筑，混凝土厚度不小于25cm。

塌方段混凝土回填处理：为保证隧洞塌方段安全及后期承压稳定，需对塌坑腔进行井字形型钢支撑，并对塌坑腔进行混凝土回填处理。待塌坑腔段初支强度达到一定强度后，采用原施作的井字形型钢进行支护，井字形横梁距离初支拱架顶部50cm，中间浇筑C20混凝土，横梁上方浇筑50cm厚的C20混凝土。井字形型钢两腿坐落在初期支护侧墙上，横梁长6.5m，直腿长3.11m，纵横向各设2根，并焊接牢固，再分层回填C20混凝土，每层回填厚度不大于50cm，且两侧需同时进行回填处理。混凝土回填至洞顶以上1m范围，待达到设计强度的80%后再回填土，分层回填至原地面，每层土回填厚度不大于2m。回填土至地表后做4%的斜坡，将外水引至路侧，防止再次积水引起渗水。

3.3 处理效果

本次冒顶处理历时短，耗费人力物力较少，截至2014年10月底，发生冒顶塌方的 59+240—59+ 375段已开挖支护完毕，后期未再发生掉块或塌方现象，冒顶塌方处理效果显著。经后期定期跟踪监测与地质雷达检测，均未发生收敛变形，说明上述塌方冒顶段处理方案可行。

4 结语

在水利工程引水隧洞工程施工过程中，由地质原因引起的塌方在所难免，且塌方情况各有不同，土洞塌方情况难以处理。因此在隧洞开挖时应及时做好以下工作：一是加强地质预报工作。尤其是在土洞段遇有涌水情况时，要引起高度重视，并制定合理的开挖方式；二是遇到塌方时及时制定切实可行的处理方案；三是塌方处理时要注意安全，支护时遵循“宁强勿弱”的原则，不可盲目追求进度。

TV674 ［

］C ［

］1004-7042（2016）04-0046-02

张君（1977-），男，2005年毕业于河海大学工程管理专业，工程师。

2016-02-07；

2016-03-12