泉州市引调水工程黄塘隧洞塌方原因与处理措施分析

秦志国

(泉州水务工程建设集团有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概况

泉州引调水工程系惠女至菱溪、黄塘引调水工程，从水源较丰富的惠女水库引水入供水压力较大的菱溪水库和黄塘镇，优化区域水资源配置格局，工程输水线路总长40.121km，总投资7.68亿人民币。其中黄塘段隧洞长1.850km(桩号范围为ZH10+360.216-ZH12+210.671),设计输水流量为2.89m3/s，隧洞开挖断面采用马蹄形，为平底圆形，开挖洞径2.8m，衬后洞径2.0m。开挖底宽2.4m，隧洞采用不衬砌(I、II类围岩)、喷混凝土衬砌(III类围岩)和钢筋混凝土衬砌(IV、V类围岩)三种型式。

2019年4月初，黄塘隧洞开挖至桩号ZH11+478后，洞内发生塌方和冒顶，在地表形成一个直径约18m，深度约6m的近方形坍坑，位于隧洞塌方段上方的山围塘库水沿坍坑下泄而干涸，见图1。

2 隧洞塌方段工程地质条件

2.1 区域地质背景

泉州市位于闽东南地区，西北部大地构造单元属于闽东火山断拗带，主要分布上侏罗统-白垩系中性、酸性火山岩，地势较高，多为中低山、丘陵地貌，地质构造以断裂为主，北东向的福安-南靖断裂带经过本区；东南部属闽东南滨海断隆带，地层岩性主要为燕山期花岗岩、动力变质岩，地势较低，地形起伏高差不大，地貌由丘陵地貌向沿海过渡为残坡积台地、冲淤积平原，北东向的长乐-诏安断裂带和北西向的永安-晋江断裂带经过本区。

图1 坍坑地表全貌

2.2 隧洞工程地质特征

泉州市引调水工程处于闽东火山断拗带和闽东南滨海断隆带交接地带，引水隧洞塌方段位于惠安县黄塘镇坝岭村东部，属于剥蚀残丘地貌，地面起伏不大，地表高程50-65m，隧洞塌方段上方发育一浅缓冲沟，冲沟流水方向为北东至南西，其下游为一山围塘，蓄水约2.0万m3，隧洞开挖方向为NE36.31°，大角度交冲沟从山围塘库尾穿过，埋深约25m，隧洞上方处的山围塘水深2.0m左右

根据钻孔揭示，隧洞上覆岩土层为：①砂质黏土：灰褐色，以黏性土为主，含砂量较高，揭露厚度2.3m；②砾砂：褐黄色，稍密，以中粗砂为主，含约35%的砾粒，揭露厚度2.6m；③全风化二长花岗岩：灰褐色、褐黄色，岩芯呈散体状、砂土状，原岩结构大部分被破坏，主要成分为石英砂、高岭土、及未完全风化的长石等，厚度5.9m；④强风化二长花岗岩：灰褐色、灰黑色，岩芯呈碎块状，铁锰质侵染，常夹风化辉绿岩脉；⑤弱风化-微风化二长花岗岩：灰白色，岩石呈短柱状、长柱状，花岗结构，节理裂隙局部较发育，部分被铁锰质浸染。

根据注(压)水试验：砂质黏土渗透系数K=1.25.00×10-4-9.75×10-5cm/s，属弱透水性-中等；砾砂渗透系数K=7.50×10-3-5.26×10-2cm/s，属于中等-强透水性；全风化花岗岩渗透系数K=8.50×10-5-9.78×10-5cm/s，属于弱透水性；强风化岩透水率q=54.0Lu，呈中等透水性；弱风化二长花岗岩-微风化二长花岗岩透水率q=2.20-8.75Lu，为弱透水性。

二长花岗岩属于燕山早期侵入岩，呈肉红色、灰白色，粗粒结构，块状构造。全风化岩下限埋深10.8-14.1m，强风化岩下限埋深13.9-25.3m，洞身围岩为弱风化-微风化二长花岗岩和强风化二长花岗岩，塌方段围岩以强风化二长花岗岩为主，岩体破碎，围岩分类属于V类。

根据工程地质平面测绘，隧洞塌方段地表除山塘外，大部分为丛林，为冲坡积砂质黏土、残积土夹风化孤石等覆盖，未见基岩出露，未发现断裂构造行迹。受区域构造影响，隧洞内北东向、北西向的节理裂、隙比较发育。根据洞内ZH11+480(塌方时掌子面为ZH11+478)-ZH11+530的地质编录成果，该段共量测节理裂隙35条，结构面多平直粗糙或平直光滑，闭合-微张，多无充填物和铁锰质侵染，走向以北东向、北西向和北西西向为主，以高倾角为主，少数为中缓倾角(节理统计玫瑰花图见图2、图3)。其中，ZH11+485-ZH11+530总体上岩体节理、裂隙不发育，但局部夹风化裂隙，至掌子面节理增多，顶拱变为无序状。

掌子面前方发育一断裂带(F)，呈北西-南东向，与洞轴线大角度相交，沿山围塘下游延伸，产状为60°∠57°，断裂带内充填断层泥、糜棱岩、碎裂岩和风化辉绿岩岩脉，总宽3.0m左右。

图2 走向玫瑰花图

图3 倾向玫瑰花图

2.3 水文地质情况

根据1:20万区域水文地质普查报告(泉州幅)水文资料，该段地下水类型主要为块状裂隙水和块状加层状裂隙水，地下水径流模数为0.34-6.56L/s·km2，属于贫水区段。隧洞上覆冲、坡残积层和全风化岩中主要为孔隙水，由大气降水和地表径流补给；围岩中的断裂破碎带(F)属压扭性断裂，断裂旁侧的裂隙闭合-微张，赋水性差，也未形成渗漏通道，桩号ZH11+485-ZH11+530未见洞内渗水。

3 塌方原因分析

3.1 塌方过程

隧洞施工至桩号ZH11+485时，洞内地质编录显示围岩为微风化，节理裂隙不发育，岩体完整，施工方按照III类围岩光面爆破继续施工，随后围岩开始逐渐出现风化裂隙增多、风化程度加大、滴水等现象，施工方为了保证工程进度，继续施工至塌方掌子面ZH11+478，顶拱出现线状滴水，掌子面右侧拱部出露灰褐色破碎岩块，并伴有涌水和流砂现象，施工方即停止施工，开始喷射混凝土封堵掌子面，但未能有效封堵。经过长时间的涌水和流砂，洞内掌子面突然出现了塌方和冒顶，在掌子面上方地表形成了一个如图1所示的坍坑。

3.2 塌方原因分析

1)断裂作用是塌方的基本条件：

引水隧洞塌方段岩性为粗粒肉红色、灰白色二长花岗岩，隧洞洞轴线开挖方向为NE36.31°，塌方前掌子面右拱顶出露断裂带(F)，产状为60°∠57°，断裂带内充填断层泥、糜棱岩和碎裂岩，并有辉绿岩脉沿断裂贯入。该断裂带走向通往山围塘库区，总宽约3m，呈全风化-强风化，稳定性极差，是发生塌方事故的主要地质体(塌方段工程地质剖面图见图4)。

图4 塌方段工程地质剖面图

受断裂影响，临近掌子面约5m处节理裂隙开始增多，风化程度增强渐变为强风化，岩体呈黄褐色，顶拱发育缓倾角和近水平风化裂隙带。隧洞洞轴线开挖方向为NE36.29°，掌子面附近结构面主要为: ①190°∠8°，倾向掌子面外，成组发育在顶拱；次为②272°∠51°，成组发育在左侧墙和顶拱。这两组结构面均位于断裂带F的下盘，属于F断裂带旁侧伴生裂隙，指示F断裂带为右旋断裂，该断裂带经历多次活动，后期上盘向下、向右错动。

2)渗透破坏和围岩变形是塌方的根本原因：

引水隧洞塌方段由于存在断裂带(F)，围岩属于极不稳定的V类围岩，在临近断裂带约5m范围内裂隙、节理开始增多，逐渐密集，岩石的风化程度也由弱风化-微风化转变为强风化，施工方仍未按地质预报的要求提前采取超前支护、封堵渗流等措施，为了赶进度，继续采用爆破掘进至塌方前的掌子面，将断裂带下盘的岩石部分挖除，使断裂带的破碎岩石悬空，失去支撑，增加了围岩的不稳定程度；爆破震动促使原来闭合的节理、裂隙张开和断裂带构造岩松动而打通了渗水通道，隧洞上方的山围塘库水“乘隙而入”，导致塌方。

3)地下水及地表水共同作用是塌方重要因素：

断裂带F为压扭性断裂，碎裂岩等构造岩多由断层泥胶结，断裂带旁侧的裂隙、节理呈闭合状态为主，渗透性差；山围塘下卧全风化二长花岗岩为弱透水性，其渗透系数10-6-10-5cm/s，厚度约6m，起相对隔水层的作用，故隧洞塌方前库水未与断裂带F联通发生渗漏而保持稳定的库水位。由于隧洞施工采用爆破方式，断裂带及其旁侧的裂隙受震动开裂，形成渗水通道，库水下渗发生土的渗透变形，全风化岩的渗透变形为流土型，断裂破碎带则以管涌型为主，最终导致隧洞塌方、冒顶，形成坍坑，山围塘库水流淌殆尽，见图1[1-3]。

4 塌方处理措施分析

4.1 处理方案

根据塌方形成的原因，处理方案体现在控制渗流和加固围岩上，采取的措施为钻孔灌浆和开挖时强支护。

1)塌方体采用钻孔灌浆法加固：

塌方处理具体为：首先在山围塘塌陷的位置回填黏土后(不压实)采用水泥浆进行钻孔灌浆，灌浆范围为桩号ZH11+465-ZH11+485，沿洞轴线两侧各布设3排灌浆孔，排距为2m，孔距为3m，采用梅花型布置，分2序施工，钻孔灌浆深度为25m，至隧洞洞顶。造孔采用XJ-100A型钻机，开孔直径110mm，终孔直径75mm，采用干法造孔，成孔后投入塑料花管，自上而下分段灌浆，段长4-6m，灌浆压力在孔口控制为0.05MPa,瞬时灌浆控制压力为0.1MPa，让水泥浆充填裂隙、孔洞，在松散土体中起充填灌浆作用，在裂隙发育的岩体和断裂破碎带中起固结灌浆作用；在灌浆的同时，对隧洞塌方体渗、流水进行不间断地抽排塌方体流水，以降低塌方体含水量，并对洞内因塌方而产生的流泥、流砂进行人工清理，清淤方量按山围塘的塌陷量估算，约为 1500m3。

通过灌浆措施，一方面将裂隙和孔洞中地下水挤出，降低了塌方体的含水率；一方面水泥浆形成的固结体穿插于塌方体中，提高了岩土体的整体性和力学强度。

2)在塌方段采取强支护施工方案：

塌方段灌浆完工15d并经分析、评价达到预计的加固效果后，再从桩号ZH11+478位置往上游长约20m范围内隧洞采取强支护方案。为了便于及时支护作业，塌方段的开挖断面由马蹄形调整为城门洞型。初期支护采用超前小导管，小导管为φ63(d=5mm)无缝钢管，长度6m，布置于隧洞开挖轮廓线的拱顶，拱顶小导管上倾(外倾)15度布孔，小导管环向净间距为10cm。并沿着隧洞轮廓线布置工18型钢拱架，间距为40cm/榀。在超前注浆小导管和工18型钢拱架施工完后，进行隧洞开挖，隧洞开挖进尺深度控制在2.0m以内，并及时进行C25钢筋混凝土衬砌，厚40cm。

4.2 灌浆加固和强支护效果评价

4.2.1 灌浆加固效果

1)塌方段灌浆结束15d后水泥浆已基本凝固，在塌方体共布置工程地质钻孔3个进行注(压)水试验，沿洞轴线布置，间距6m，共进行注(压)水试验9段次。其中，在全风化岩和土状断裂带注水5段，渗透系数K=7.45×10-6-4.42×10-5cm/s；碎块状强风化岩和断裂破碎带压水试验4段，透水率q=4.0-9.5(Lu)，均呈弱透水性，灌浆有效地封堵了渗漏通道，提高了塌方体的防渗性能。

2)经观察，塌方体底部的渗流、流土消失，灌浆有效地降低了塌方体的含水率。

3)在新的掌子面见有水泥固结体呈囊状、不规则网状、树枝状分布，提高了塌方体的整体性和强度。

4.2.2 强支护效果

经过60d的奋战，施工方顺利打通塌方体，按设计要求完成了围岩衬砌。

5 结 语

1)泉州市惠女至菱溪、黄塘引调水工程C3标段后寮至黄塘隧洞ZH11+478处塌方事故是由于存在断裂破碎带、施工未提前采取防护措施并造成断裂带连通地表水体造成的。

2)采用钻孔灌浆加固塌方体，采取强支护方案进行塌方段施工获得成功，表明塌方处理措施的有效性和合理性。

3)断裂带旁侧往往节理、裂隙比较发育，风化程度增强，有利于地质危险性的预测，隧洞施工可根据预判结果采取超前措施，做好支护和地下水封堵工作，避免塌方事故发生。

4)隧洞施工过程中应加倍重视地下水和地表水的不良影响，采取有效措施防患于未然。