引洮济合工程3#隧洞掌子面塌方问题浅析

侯永恒（甘南州引洮济合工程建设管理局甘肃合作747000）

引洮济合工程3#隧洞掌子面塌方问题浅析

侯永恒
（甘南州引洮济合工程建设管理局甘肃合作747000）

引洮（博）济合供水工程3#隧洞在施工过程中出现了不良地质洞段，掌子面涌水失稳，出现涌水泥石流现象，本文对失稳的原因从地形地貌、地质因素、水文因素及人为因素等方面做了详细分析，提出了超前管棚及灌浆稳定围岩的处理方案，为其它类似工程问题提供参考。

隧洞；砂碎石土；加强支护；管棚灌浆

1　工程概况

引洮（博）济合供水工程是从洮河支流博拉河调水，解决合作城乡缺水问题，兼顾黄河水源区生态保护牧民定居用水，年调水量1910万m3。本工程主要包括水源工程及净水厂工程，其中水源工程由枢纽、输水工程和调蓄水池三部分组成。设计引水流量1.1m3/s，为自流输水。输水工程干线主要建筑物有压力管道、隧洞、倒虹吸、陡坡等建筑物组成，其中隧洞3条，总长19217m。

3#扎刹河隧洞桩号25+763～26+130段洞身围岩为三叠系下统上岩组长石石英砂岩夹砂质板岩，属Ⅲ类围岩，围岩局部稳定性差。桩号26+130～27+588段洞身围岩主要为三叠系下统上岩组砂质板岩夹长石石英砂岩，岩性较软弱，裂隙发育，岩体较破碎，属Ⅳ类围岩；其中桩号26+128～26+255段从冲沟底部穿过，洞身主要在洪积碎石土层中。

一次衬砌型式为：Ⅲ类围岩顶拱150°范围布置2根～3根Φ22全长粘结式砂浆或水泥基药随机锚杆L=2m，间排距2m，梅花形布置，顶拱180°范围内砼喷层中部设φ6.5@200mm×200mm钢筋网，顶拱、侧拱喷C20砼80mm厚。Ⅳ类围岩紧贴岩石架设I12，间距0.8m～1.2m全封闭随机钢拱架，顶拱150°范围布置2根～3根Φ22全长粘结式砂浆或水泥基药随机锚杆L=2m，间排距2m，梅花形布置，顶拱180°范围内砼喷层中部设φ6.5@200mm× 200mm钢筋网，顶拱、侧拱喷C20砼120mm厚。Ⅴ类围岩紧贴岩石架设I12，间距0.5m～1.0m全封闭随机钢拱架，顶拱150°范围布置2根～3根Φ22全长粘结式砂浆或水泥基药随机锚杆L=2m，间排距2m，梅花形布置，顶拱180°范围内砼喷层中部设φ6.5@200mm×200mm钢筋网，顶拱、侧拱喷C20砼120mm厚，必要时拱顶180°范围架设随机管棚φ42，L=3m。环向间距300mm。碎石土围岩岩紧贴岩石架设I12，间距0.5m～1.0m全封闭钢拱架，顶拱180°范围内砼喷层中部设φ6.5@200mm× 200mm钢筋网，顶拱、侧拱喷C20砼120mm厚，拱顶180°范围架设系统管棚φ42，L=3m，环向间距300mm。

2　坍塌现状

本工程于2014年7月开工建设，目前3#隧洞正在施工。3#隧洞（桩号25+763m 至27+588m）总长1825m，隧洞设计断面为城门洞形，断面尺寸B×H=1.8m×2.0m。隧洞进口紧靠公路山体一侧；出口位于海螺沟沟内。3#隧洞进口段于2015年4月29日在桩号26+146m处第一次塌方，5月3日凌晨一点发生第二次塌方。3#隧洞出口段在桩号26+826m处于2015年5月3日凌晨两点由于地质条件突变发生塌方。

（1）进口段塌方

进口段自桩号26+123m处，掘进长度达到360m时，已经出现围岩不稳，隧洞渗水量较大，按Ⅴ类围岩断面采取拱顶180°范围打超前锚杆（φ22，L=3m，间距30cm）、I12全封闭钢拱架间距0.5m～0.8m、挂φ6.5@200mm×200mm钢筋网、喷C20砼支护方式。在26+146m处，因局部塌方掉块严重，将超前锚杆改为管棚（φ42，L=3m，间距30cm），管棚自掌子面第一榀拱架上支护。4月29日发生第一次塌方，已施工管棚坍塌损毁，经现场方案调整，将管棚长度改为6m，单排间距30cm，在自掌子面第二榀和第三榀钢拱架同时打进，把管棚间距交叉成15cm，尽可能保证管棚穿越塌方体，伸入稳定层，实际管棚打入深度4.5m～4.8m。5月2日，在清除塌方体时，发生二次塌方。塌方体形态为较细的砂碎石颗粒并夹杂黄泥块，隧洞渗出水流量比较大。

（2）出口段最后一榀钢拱架为桩号26+826m，之前按照Ⅳ类围岩断面施工，期间围岩较为破碎松散，岩面有渗湿，未见明显渗水，采取I12全封闭钢拱架间距0.8m～1.0m、挂φ6.5@200mm×200mm钢筋网、喷C20砼支护方式。在完成26+826m处钢拱架安装并喷砼支护完成后，拱架距离掌子面剩余间距约0.6m，随后进行钻孔爆破开挖，钻孔深度2m，钻孔时孔内有少量渗水。5月2日，在隧洞出渣过程中，当出渣至掌子面露出约2/3时，掌子面桩号在26+823m处，沿掌子面开始有渗水渗出，掌子面有小块塌落现象，后掌子面渗水逐渐增大，塌落掉块加大变快。在及时撤离人员和设备后发生塌方，塌方体堆体涌至桩号26+829m处，塌方情况见图1掌子面塌方示意图。塌方体形态为较细的砂碎石颗粒，隧洞渗出水流量大，出水将已开挖隧洞底部漫淹，隧洞内积水深30cm左右。

图1　掌子面塌方示意图

3　塌方原因分析

（1）地形地貌

从地形上，3#扎刹河隧洞轴线穿越两条沟谷。线路穿越区，地面最高点为尖山，山顶植被茂密，多以灌木为主；山间沟谷内地势相对平坦，沟底冲沟没有明显地表径流。山间谷底及山坡平缓处为耕地。

据现场测绘，进口方向1号沟谷位于隧洞轴线桩号26+128m至26+255m之间，沟谷长度约127m，山脚处洞顶埋深在19m～21m，山谷沟底最深处桩号26+205m，洞顶埋深9m。

出口方向2号沟谷位于隧洞轴线桩号26+600m至26+864m之间，沟谷长度约264m，山脚处洞顶埋深在29m～33m，山谷沟底最深处桩号26+768m，洞顶埋深19m。

（2）地质因素

原设计进口段1号沟谷地质条件为：表层为坡洪积粉质壤土，厚1m～2.5m，下部洪积碎石土，厚6m～7m，底部为砂碎石层，厚5m～9m。洞身在洪积碎石土层中，围岩属Ⅴ类围岩。出口段2号沟谷由于当地藏区群众阻挠无法进入机械，没有相关钻孔资料，为推测地质情况，洞身围岩主要为三叠系下统上岩组砂质板岩夹长石石英砂岩，两种岩性比例约为7:3，岩性较软弱，裂隙发育，岩体较破碎，岩体完整性系数0.25～0.3，岩层走向与洞线夹角71°，岩层倾角53°。

隧道在设计时，通过勘探钻孔很难准确的掌握隧道断裂构造和节理裂隙发育情况，断层节理发育情况却是千差万别。在隧道施工中，在岩层分界处及过渡段易出现地质构造变化、断层破碎带、软弱夹层等工程地质条件，本工程施工至进口段桩号26+123m处时，正好处于岩层分界线，地质条件较差，为砂碎石土。出口段桩号26+826m处时，同样处于岩层分界线，由岩石变为砂碎石土，与推测的地质条件发生变化。

（3）水文因素

沟道地表未见明显地表径流；沟谷地下水含量丰富，赋存于河谷冲洪积砂砾石层和沟谷洪积碎石土中。地下水是一个体系，随时随地都在变化，受地形、地貌、地质、气候等条件影响。在隧道施工中，岩土中水的变化，水沿岩体软弱面流动，破坏岩体组织，造成岩体失稳而发生坍方事故；雨水渗入断裂带及裂隙后形成滑动面，岩石相互滑动，内力挤压变形也易造成坍塌。本次塌方，因围岩遇水泥化，砂碎石土在水作用下流失，导致管棚顶部形成空腔，空腔增大，围岩失稳，大块塌落，砸毁管棚，造成塌方。

（4）人为因素

施工过程中由于施工人员对地下工程地质情况不了解，忽视围岩细微变化，对围岩自稳能力过高估计，造成思想上的麻痹大意，对不良地质地段没有采取合理的开挖方法，支护不及时，在开挖时，爆破对围岩的扰动过大，因岩体失稳而产生坍方。

4　处理方案

进口洞段在穿越1号沟道时出现掌子面塌方，地质岩性与设计相符，地下水丰富造成泥化失稳；出口洞段在穿越2号沟道时，地质条件发生变化，加之地下水丰富造成泥化失稳。针对引洮（博）济合供水工程3#隧洞在施工过程中进出口掌子面出现了塌方问题，结合地质条件发生变化情况，对一次支护方案进行了调整。隧洞顶部及两侧超前管棚加注浆辅助施工，环向间距30cm，管棚搭接长度2m～2.5m，注浆管采用Φ42mm×5mm热轧钢管制作，每隔15cm梅花形布置钻8mm的对穿射浆孔，上部1.5m不开孔，为防止下管堵塞，底部做成10cm锥形封闭，长度L=5m，为加强管棚承载能力，采取在管棚钢管内穿插Φ22螺纹钢并灌注砂浆填充，提高管棚的抗弯能力，管棚纵剖面布置见图2管棚注浆纵剖面示意图。全断面封闭Ⅰ12钢拱架，间距0.3m～0.5m，相邻钢拱架之间，在拱顶和侧墙采用Φ22间距30cm的螺纹钢连接拱架。拱部系统锚杆φ22，长度1.5m，纵环间距1m× 1m，梅花型布置，喷150mm厚C20砼，挂φ6.5钢筋网，网格间距200mm×200mm。由于洞内渗水较大，颗粒较细的砂碎石容易在水流作用下流失，因此在钢筋网片上部，铺设φ3@30mm×30mm铅丝网格栅，以保护砂碎石不被水流带走。

图2　管棚注浆纵剖面示意图

并根据一次支护调整方案对施工单位提出以下几点要求：

（1）管棚超前支护及注浆加固围岩是下一步隧洞穿越河床覆盖层（砂砾碎石）施工的主要措施，施工单位必须加强设备及人员配备，提前做好应对各种突发问题的预案，备好各类设备、材料。施工过程中必须做到掘进及支护连续作业，不能停顿或进行间歇施工。

（2）超前管棚及隧洞侧壁注浆管是加固洞周围岩的关键，必须具备注浆加固条件，长度宜长不宜短，建议长度5m～10m，管径采用Ф42～Ф80；河床覆盖层（砂砾碎石）洞段施工中，主要是对开挖断面周圈进行注浆加固，必要时可对掌子面进行全断面注浆加固。注浆材料采用水泥浆（掺加适量速凝剂）。

（3）塌方体处理前要对掌子面先进行封堵后再注浆，在后续洞段正常循环施工时，须保留2m～3m加固岩体做为止浆盘。

（4）由于渗水量较大，需做好掌子面及洞内排水工作。

5　结语

在隧洞施工过程中，地质条件发生变化，并且遇到了最不利条件，砂碎石土及丰富地下水，掌子面出现失稳现象，通过从地形地貌、地质因素、水文因素及人为因素等方面详细分析失稳原因后，及时调整了一次衬砌支护方式，采用超前管棚及灌浆稳定围岩，管棚长度5m～10m，管径采用Ф42～Ф80，环向间距30cm，管棚搭接长度2m～2.5m。塌方体处理前要对掌子面先进行封堵后再注浆，在后续洞段正常循环施工时，保留2m～3m加固岩体做为止浆盘。陕西水利

（责任编辑：唐红云）

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