山西东山供水某隧洞浅埋段塌方冒顶处理方案

李 智

（山西省东山供水工程建设管理局 山西太原 030000）

1 工程概况

山西东山供水工程某引水隧洞全长5.36 km，设计断面为城门洞型（3.5 m×4 m）、设计纵坡1/3 000，采用钻孔爆破法施工，隧洞二次衬砌采用钢筋混凝土进行全断面衬砌。其中约有500 m 为穿越古河道浅埋洞段，洞顶覆盖层厚15～20 m，其中强风化泥岩层厚度1～2 m。

2 塌方情况及原因分析

隧洞施工至桩号SBE4+356 处时掌子面发生突水突泥继而引起塌方，塌方在洞内形成约50 m 的塌方堆积物；同时在地表形成直径约9～10 m、深度7 m左右的椭圆形塌坑。

为尽快精确掌握塌方段地质情况、查明塌方原因，制定合理的处理方案，塌方发生后在塌方洞段附近上下游进行了地质钻孔发现：该洞段地层岩性为第四系全新统洪冲积物，表层为淡黄色低液限粉土，其下为卵石混合土，下伏强风化泥岩、破碎砂岩层，地下水位埋深约1～2 m[1]；开挖掌子面揭示强风化泥岩层位于隧洞拱顶部位，洞身在砂岩层中穿过，节理发育破碎，为V 类围岩且洞内渗水严重。洞内爆破施工对拱顶强风化泥岩层结构造成振动破坏，上部低液限粉土层及砂卵石混合土层失去有效支撑，在自重及地下水影响下，超前支护无法有效阻止地下水携带细小泥沙颗粒从泥岩破碎层裂隙流失，继而突泥涌水，从而导致塌方的发生。

3 处理方案

3.1 地表塌坑处理

为避免塌坑存在安全隐患及对后续处理提供操作平台，对地表塌坑采取回填处理。1）为防止由于地表回填压重引起洞内已扰动的不稳定区域形成二次涌泥，回填处理前先用沙土袋对洞内塌方堆积物进行反压加固稳定，沙土袋采用一丁一顺砌筑，直至将掌子面封闭，为保障沙袋的整体稳定，每施工4 层沙袋，在沙袋顶面铺一层钢管网，纵横间距为1 m×1 m，在钢管网的角部施工钢管固定桩，梅花形布设，长度为1 m，外露端长度为15 cm，根据现场情况进行适当的调整；2）洞内加固完成后，地表塌坑采用2 m 厚C20 素混凝土铺底，再用10%水泥土回填恢复原地表，并高出原地表15cm 作为预留沉降高度。塌坑处理坡脚压重处理见图1。

图1 塌坑处理坡脚压重处理图

3.2 地表注浆方案

根据现场地质情况，采用套阀管注浆法对洞身及顶拱以上强风化岩层、卵石混合土层进行注浆加固，增强围岩稳定性，确保在隧洞上部形成稳固的“保护壳”，同时起到隔水、堵水效果，以保证隧洞安全施工。

3.2.1 注浆孔位布置

为使隧洞拱顶及两侧形成有效、稳固的“安全壳”，对隧洞轴线两侧各5 m、起拱线以上7 m 及起拱线以下3 m 范围内的卵石混合土层及洞身部位的强风化泥岩进行深孔注浆加固、注浆孔梅花形布设，排间距1.5 m。沿洞轴线方向共18 排，垂直洞轴线方向共15 排。注浆范围及注浆孔具体布置见图2、图3。

图2 塌方段地表注浆处理范围图

图3 地表注浆孔位布置图

3.2.2 施工方法

1）施工准备

对注浆段地表进行清理、平整，为后续注浆提供施工操作面，利用全站仪测放出需注浆加固处理的区域及注浆孔的位置，在注浆孔位打设木桩并编号定位，钻机就位时通过垂球定点，确保定位准确，钻孔按照由左向右、由小里程向大里程依次编号。

2）成孔

采用100 型工程地质钻孔施工，按照孔位编号依次进行钻孔。为避免上部松散覆盖层中出现钻孔坍塌及卡钻现象，在该段地层中低转速钻进并采用防护套筒；待进入下部泥岩及砂岩层后正常钻进。成孔深度比设计深度深20～30 cm。

3）套壳料

为防止在注浆过程中袖阀管损坏、变形，在钻孔到达设计标高以后，利用钻杆向孔内注入套壳料对袖阀管进行保护，高度控制在需注浆加固段以上30 cm。

4）清孔

采用加压清水对钻孔进行冲洗，将孔内的泥浆和沉渣冲出孔外，待孔口返出清水时清孔结束。

5）袖阀管

清孔结束后方可下袖阀管，袖阀管下部为带射浆孔的注浆段花管，注浆范围以上为无注浆孔的实管，花管每隔33 cm 有一组6～8 个射浆孔。袖阀管口高出地面约40 cm。

6）封口

采用配制好的填充料封堵袖阀管与孔壁之间的空隙，填充封堵深度不小于1.5 m。

7）下注浆管

将带有双层阻塞口的注浆管沿袖阀管下到注浆位置，由于注浆范围较深，该段注浆采用自下而上分段进行。

8）浆液制备

注浆采用水泥净浆，水泥采用42.5R，由于洞内渗水量较大，为避免浆液顺水流失，水灰比初步定为0.9～1，具体水灰比根据灌浆过程中压力、反浆等灌注情况及时调整。水泥浆必须按比例拌合，不间断搅拌时间不小于5 min，并注意在注浆过程中不停缓慢搅拌。

9）注浆

为保证各分段之间在注浆过程中不串浆，注浆前需进行有效封孔。套壳料达到可注浆强度后，开始注浆，注浆自下而上分段进行，分段长度为2.0 m，注浆扩散半径为1.0～1.5 m。初始注浆压力为0.5～1.0 MPa，具体压力根据隧洞处地下水压力及注浆范围地质情况及时调整。注浆速度控制在20～70 L/min 之间，在注浆过程中做好施工记录，包括孔位、浆液配合比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆等情况及其说明，发现问题及时处理。注浆施工顺序为：从小里程桩号向大里程、从边孔逐步向里依次进行，确保注浆范围内浆液密实。

10）注浆完成条件

单孔注浆完成条件由注浆压力和完成时注浆量控制。单孔注浆结束标准为：注浆压力逐步升高，当注浆压力达到设计终压（1.0 MPa）并保持注浆10 min 以上，浆液注入量小于5 L/min[2]，即可停止注浆。全段结束条件为：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，且无漏注。周边孔在1.0 MPa 压力下，持续3～4 次；中间孔按0.5～1.0 MPa 控制，持续3 次。

4 注浆效果

注浆完成后在注浆范围内进行了钻孔取样，通过塌方段地表注浆加固，有效地提高了隧洞顶部的覆盖层的整体性、在隧洞顶部形成了具有一定承载力、相对稳固的“保护壳”，同时起到一定的隔水、堵水效果，减小了洞内涌水量，为顺利通过塌方段提供了有力的支撑。

5 后续施工防范、控制措施建议

地表注浆加固完成后，为减小后续洞内爆破开挖对地表加固层的扰动破坏，后续洞内施工应遵照“减小爆破扰动、缩短开挖进尺、加强洞内外监测、及时跟进支护”的原则进行施工控制：1）调整爆破参数，在爆破边线附近预留一部分周边空炮孔，不装药，起到爆破缓冲作用；减小炮孔装药量，每次爆破进尺控制在0.5 m 左右；2）超前小导管的外插角度可适当扩大，以便扩大小导管的超前支护范围，根据现场涌水情况，适时增加小导管注浆；3）做好地表沉降及洞内已支护断面的变形观测，洞内监测点设置在钢拱架的顶部及侧边墙；4）清渣完成后及时进行钢拱架支护、钢筋网挂设及喷射混凝土封闭拱顶及侧墙裸露开挖面，对开挖面进行防护支撑，防止围岩变形。