二甲沟水库引水隧洞冒顶处理方案

黄 勇

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 工程概况

本工程河流流域地处中温带大陆性季风气候区，大陆性气候特点十分明显，冬季严寒漫长，春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季降温急剧，常有冻害发生。

该流域降水主要受季风影响，降水多集中在夏季，年内分配不均，6-9月份降水量占年降水量的75%，其中7、8两月降水量占年降水总量的54%左右；降水的年际变化较大，多年平均降水量为650mm，最大年降水量1114mm。年内气温变化较大，多年平均气温在4.5℃左右，7月份最热，绝对最高气温在39℃以上；1月份最冷，极端最低气温-40.4℃。流域内水面蒸发一般在700-750mm，根据流域水文站实测冰情资料统计，多年平均封冻天数为141d左右。

引水隧洞大部分位于低山丘陵区；进、出口位于低山与台地接触部位，山体由华力西晚期花岗岩组成，洞轴线地表大至呈波状起伏，第1波峰垂足距离进口约150m，山顶距离洞顶最大高度49m左右，第2波峰垂足距离进口约1500m，山顶距离洞顶最大高度79m左右，两个波峰之间为山间台地宽度约300m左右。

隧洞沿线部分洞段穿过山间台地处洞顶埋深一般为15-20m；上部岩性为有机质低液限黏土，厚度为9m左右，下部为全、强、弱风化岩体，总厚度6-11m(局部<5.0m)；冒顶处地表为水田，受多年浸泡，土体及基岩处于饱水状态，洞轴线沿线岩性以强、弱粗粒花岗岩为主，存在施工安全隐患；据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)P124规定，当Rb≤30MPa时，属于软质岩；结合规范表N.0.2规定，本隧洞以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主；冒顶处围岩为褐色、0.2-0.4m块状结构，弃渣呈风化砂状、个别残余的岩块可捏碎，掌子面多处滴水[1]。

通河县二甲沟水库为中型工程，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物拦河坝、溢洪道、取水塔为3级，按100a一遇洪水设计、2000a一遇洪水校核。引水隧洞为4级，引水隧洞最大引水流量为17.0m3/s。

二甲沟水库引水工程全长9912m，水流从位于岔林河右岸万发屯对岸的凹岸处的岔林河万发屯渠首进水闸引入，通过上游渠道、无压引水隧洞以及下游渠道进入水库库区内。引水隧洞长度2410m，进口设计水位152.18m，出口设计水位150.84m，进口底板高程149.78m，出口底板高程148.44m。隧洞型式为城门洞形，设计水深2.4m，底宽4.0m，洞高4.0m，坡降1/1800，隧洞永久支护衬砌采用钢筋混凝土衬砌。

2 冒顶情况

引水隧洞开挖至桩号0+628处，晚10时爆破后，发现弃渣为砂状，顶拱右侧渗水严重，在清除弃渣后，立即进行钢拱架支护。

第二日凌晨，现场人员发现掌子面右上方顶拱有小部分散体岩石掉落，随后施工人员撤离至安全地段观察围岩情况，约10分钟后，隧洞顶拱出现较大面积岩体塌落，随后该部位持续有岩体塌落，施工方立即停止施工并向监理、业主汇报。

当日上午岩体停止塌落，经过测量隧洞桩号0+627-0+632范围顶拱岩体塌落，距支护顶拱最大高度为5.0m，底宽4.5m；施工人员无法靠近。塌方持续至晚上，塌落散体将整个断面封堵，塌方体堆至上游0+600处。隧洞内塌落散体，塌落散体呈泥沙状、流动大、塌落散体及顶拱以上土体含水量均处于饱和状态。

第三日清晨，施工人员巡查时发现引水隧洞桩号0+629顶部地表塌陷，塌陷地面坑直径11m，深5m，隧洞冒顶处覆盖层厚度为15m。

3 原因分析

1)降水影响：受近期降雨影响，隧洞顶部冒顶处为山体鞍部，地面处为稻田地，东侧为稻田及沼泽地段，南侧、西侧50m处为林地，北侧30m为山区林地，地面右侧30m处塘坝，右后方40m处塘坝，左侧50m处塘坝蓄水量较大，水深2-4m不等，其中两处塘坝水深超过4m，塘坝积水已出槽，冒顶处位置北部25m处排水沟流量8.0m3/min，均为林业部门管理林地。

2)地质影响：地质专业人员鉴定冒顶处位置为Ⅴ类围岩。从冒顶处揭露出地面以下第一层为腐殖土，含水丰富，呈泥状，厚度0.5m；第二层为砂层呈黄色，厚度1.1m，该层含水量较少无明显水流痕迹，但局部夹层有水流涌出，无法截断；第三层为褐色泥砂层平均含砂量5%，厚度7m，该层含水量较大，整体透水性较差，局部夹层有水流涌出，无法截断；第四层为强风化岩石层，开挖后为粗粒花岗岩，呈砂状，该层稳定性较差，石裂隙有水流，流量约10L/min，距地表总厚度15.0m(隧洞沿线覆盖层最薄处，同时物探成果显示有破碎带穿过)；一至三层开挖坡比1∶1.5，强风化岩石层开挖坡比1∶0.75；隧洞内整体处于弱富水区，地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水总体并不发育，但隧洞开挖后引起地下水渗流场的改变，由于地下水对结构面的软化、泥化，降低了结构面的抗剪强度，使岩体沿结构面产生变形破坏。

4 冒顶处理方案

1)在施工中采取相应措施排除地表及洞内积水；冒顶顶部设置防雨棚(防止降水直接进入冒顶处，造成塌方体进一步扩大)；冒顶四周设置临时排水沟；加固冒顶处隧洞上游10m段已有钢拱架。

2)加固塌方体、加固冒顶边坡(从上到下进行修坡，使冒顶处形成漏斗状，保证塌方处不再扩大)。

3)对塌方体开挖成型后，立即进行钢拱架支护和钢筋混凝土衬砌(边墙和顶拱)工作，洞内采用20a工字钢制成的钢拱架每榀间距50cm进行支护，每榀钢拱架设置4根φ25螺纹钢锁脚，拱架间设置φ25螺纹钢焊接，防止边坡土体突然滑落影响洞内钢筋绑扎和混凝土浇筑施工；对冒顶处顶拱及边墙采用有效厚度1m钢筋混凝土衬砌，布设双层钢筋网，顶拱和边墙内部预留空间尺寸可保证洞内后续衬砌时台车施工要求。

4)待冒顶处洞内混凝土衬砌完成强度满足设计要求后对顶拱回填2m厚黄黏土，分层夯实，再将地表沉陷的砂土回填至地表以上30cm。

5)洞内清除塌方体至掌子面后，对掌子面采用超前导管注浆、超前小导管采用Φ42mm无缝钢管制作，管深钻Φ8mm注浆孔，每排4个，间距10cm梅花形布置，小导管外倾15°深入岩石3m，外露0.4m,每排23根顶拱180°内布置，每排重叠1m；钢拱架采用20a工字钢，每榀间距≤1m,每榀钢拱架间用Φ20mm钢筋焊接相连，每排30根，单根长1.2m平均布置，每榀钢拱架4根锁脚锚杆，锚杆深入岩石3m。导管内插入φ25螺纹钢加固的方式为下一步开挖工作进行超前支护。

6)后续的不良地质段施工要求预支护、短开挖、弱爆破、强支护、快衬砌、勤检查勤观测[2]。

在工程后续施工中需强调几点要求：做好隧洞掌子面超前支护，增加超前地质预报，隧洞开挖过程中施工技术人员要更好的掌握隧洞上部地表地形情况、结合天气预报做好施工准备工作；隧洞施工爆破人员提高未开挖隧洞围岩类别的预判能力，与地质专业人员密切配合。冒顶现状图及冒顶处理断面图见图1和图2。

图1 冒顶部位示意图

图2 冒顶处支护处理断面图

5 施工开挖方案研究

结合冒顶情况对后续施工还有几处类似浅埋隧洞不良地质段需进一步研究施工开挖方案，因此施工开挖方案需进行比选确定。目前国内类似浅埋隧洞开挖方式主要有：盾构法、顶管法、明挖法、人工钻爆法[3]。因隧洞较短、施工工期、投资等因素盾构法不适合在本工程中作为备选方案，不作为比选方案论述，详见表1。

表1 开挖方案比选

综合3种开挖方案，浅埋隧洞不良地质段开挖采用人工钻爆法预支护、短开挖、弱爆破、强支护、快衬砌方案最优，在隧洞进一步开挖前做好预加固措施，确保后续洞段施工开挖安全进行。后续浅埋隧洞不良地质段处理详见图3、图4。

图3 超前支护断面图

6 结 语

经过20余天施工处理，克服了地质条件、交通条件等不利条件限制，频繁降雨等不可抗力因素影响，施工现场精细化管理、保证施工工序严格执行，在无人员伤亡、保证安全的前提下顺利完成了冒顶处理，目前引水隧洞已贯通，没有再发生冒顶，参照其他工程项目类似情况，抢险时间是靠前的，处理过程是顺利的、安全的、成功的，对北方低山丘陵区类似工程设计及施工提供了宝贵经验，具有一定的借鉴意义。