引水隧洞坍塌冒顶原因分析与处理

王 伟，祁安岭

（1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术中心，河南 郑州 450008）

1 工程概况

小浪底北岸灌区工程位于黄河北岸，灌区涉及济源市和焦作市。灌区设计灌溉面积3.45 万hm2，补源区面积1.33 万hm2，设计引水流量30 m3/s，属于大（2）型灌区，工程等别为Ⅱ等。

某引水隧洞全长1.80 km，隧洞设计流量23 m3/s，设计纵坡1/650，城门洞型断面，开挖断面底宽3.90 m，直墙高3.35 m，圆拱半径2 m，开挖支护方式采用新奥法，采用铣挖机进行洞挖，钢拱架采用18 号工字钢，立柱反拱型式，间距1 m，底部浇筑C15混凝土垫层，边墙顶拱喷护C20混凝土。该隧洞场区地貌单元属黄土丘陵区，地面高程一般196.80～234.46 m，地形起伏较大，黄土沟壑发育；坡顶及缓坡处覆盖第四系黄土地层，沟谷间分布第四系软土，下伏古近系软岩地层。隧洞洞室围岩主要为古近系软岩（泥岩、砂岩互层），工程地质分类为V类。

2 隧洞坍塌冒顶过程及原因分析

2.1 隧洞坍塌冒顶过程

该隧洞进口采用铣挖机开挖至某桩号时，掌子面为泥岩，钢拱架立好后，拱顶出现较多滴水，在喷护过程中顶部渗水较多，喷护料不凝固被渗水冲下，喷护不成型，掌子面顶部出现掉块，泥土夹杂水不停塌落，塌落口靠近左上方，直径约1.20 m，同时也是渗水集中部位，塌落接近15 m3左右。经参建各方现场查看研判后，决定快速用导管把塌落孔封堵，进行喷护，预留排水孔及灌注混凝土管。施工人员用导管把塌落孔堵住，土不再滑下，然后进行喷护，喷护结束后清理塌落体。拱架距离掌子面剩余0.70 m间距，又立了一榀间距0.60 m的拱架。喷护完成，停止进尺，每日观测洞内渗水和地表情况，在地表掌子面部位插旗拉警戒线，防止人员及机械进入。

经过3天观察，洞内和洞外无异常情况发生，该部位地表无塌陷，渗水集中引致左侧边墙。参建各方人员察看该隧洞内部和地表情况后，现场讨论后达成一致意见，每循环进尺0.70 m，5 m长导管跟进，搭接不小于2 m。完成第一个0.70 m循环，一切正常。第二天下午，在开挖完成第二榀0.70 m洞挖后，掌子面顶部出现掉块现象，土块越掉越快，超前导管被砸掉或砸弯，失去作用。晚上，塌落基本稳定，洞内滑塌体长度约20 m，方量约160 m3。参建各方到洞内察看情况，强堵塌孔不能实现，在洞顶拉40×40 m警戒线，洞内观察塌落体是否稳定。第三天下午地表出现塌陷坑，经测量塌陷坑直径10.50 m，深度约4 m。为了尽快靠近掌子面封堵塌落孔，在观察地表无变化、渗水很小的情况下开始清理洞内泥水，清理塌落体长度约7 m（总长20 m），同时人员观察塌落变化情况。清理过程中出现再次塌落，塌落体长度在洞内距离掌子面仍是20 m，察看顶部塌落深度约9 m，洞内停止清理。继续观察洞内和洞外情况，渗水很小，塌落体无变化，为预防降雨，在地表塌方处搭了防雨棚，周边开挖了排水沟。坍塌冒顶部位示意图见图1。

图1 坍塌冒顶部位示意图

2.2 地质条件

该隧洞洞顶坍塌冒顶处位于黄土丘陵区，周边黄土岗地与黄土冲沟发育，黄土岗地地面高程一般212.02～233.46 m，西南高、东北底，东北部分布一冲沟，沟底最深处高程195 m 左右，沟深10～17 m。冒顶处地表为玉米地，洞顶地面高程213.10 m左右，洞顶覆盖层厚24 m左右。根据地质钻孔资料，该处地层上部为第四系中更新统风积成因的黄土（中、重粉质壤土），层厚17.40 m左右，竖向裂隙较发育，一般具湿陷性，为非自重湿陷性黄土，底部3 m左右含水量较大，呈软塑状；下部为古近系始新统卢氏组第四段泥岩，未揭穿，岩层倾向北东，倾角约27°，泥岩具遇水膨胀、失水干裂的特性，耐崩解性较低，软化系数较小，为软化岩石。洞顶泥岩层厚6 m 左右，地下水位于土岩结合面附近，高于隧洞洞顶，主要为第四系松散土类孔隙水及古近系碎屑岩类孔隙、裂隙水。根据地质编录资料，该段洞室围岩为泥岩，浅紫红色，泥质结构，层状构造，裂隙发育，局部竖向裂隙发育，强度较低，属极软岩，遇水易泥化脱落；该段地下水活动较活跃，拱顶有出水点，呈线状明流；组成洞室围岩的古近系泥岩整体强度较低，自稳能力差，局部围岩由于发育的裂隙交错，在开挖过程中洞顶或侧墙在卸荷作用下发生掉块现象。

2.3 冒顶原因分析

该段隧洞坍塌冒顶发生在2021年10月中上旬，工程涉及区域2021 年汛期持续时间长，降雨丰沛，工程地处黄土丘陵区，随着集中的强降雨结合地下水径流的滞后效应，在8～10月期间，陆续显现地下水位的明显抬升；隧洞冒顶前几天也有降雨，对地下水有补给作用。洞室上部的风积黄土竖向裂隙发育，易形成渗水通道，土层与软岩的渗透性差异，导致地表降雨入渗或地下水径流时在土岩结合面部位汇集。

该洞段洞室围岩主要为泥岩，具遇水膨胀、失水干裂的特性，对隧洞稳定不利，受地质构造影响，岩体裂隙发育程度较高，易形成渗水通道；洞顶岩层覆盖层较薄，洞室开挖时，受开挖及卸荷影响，泥岩裂隙扩张松动，顺裂隙洞室渗水量增大，泥岩具遇水膨胀的特性，耐崩解性较低，软化系数较小，遇水易软化，并且泥岩上部的黄土含水量较高，呈软塑状，自稳能力差，导致洞顶上部土体出现坍塌，洞顶土体坍塌后，上部黄土由于含水量较高，自稳能力差，出现冒顶现象。

3 隧洞坍塌冒顶处理措施

3.1 洞内坍塌体处理及地表塌坑处理

对地表进行变形观测，观测稳定后，进入洞内，抽排积水，清理淤泥，在坍塌体涌土前端堆设排水沙袋，进行挡土滤水。加强洞内排水措施，确保洞内无积水。

地表塌坑采用回填处理方案，回填前，抽排塌坑内积水，塌坑边坡坡比修至1∶1，塌坑底部至地表以下2 m处采用10%水泥土回填，地表以下2 m采用壤土回填后，如遇降水，塌坑顶部采用土工膜覆盖。回填过程中，对洞内塌落土体进行观测，若塌落土体大量向外涌出，立即停止回填。

3.2 塌方段高压旋喷灌浆处理

塌坑回填完成后，对洞内及洞顶塌方土体进行地表注浆加固，注浆范围：塌坑边缘向外2 m范围，形成14 m×14 m的矩形区域，注浆孔孔径0.60 m，孔距1.20 m，孔位按正三角形布置，孔深为洞室开挖底面高程以下2 m至现状地表（洞室开挖范围内钻孔深度至洞顶以上0.30 m）。高压喷射灌浆为已扰动岩、土体（包括洞内涌土土体）至现状地表高程以下10 m。灌浆材料采用水泥浆，水灰比采用1∶1，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，拌和用水达到混凝土拌和用水标准，灌浆控制压力为30 MPa；施工前做施工工艺性试验，注浆施工过程采用过程控制，上述参数根据施工工艺性试验及实际灌浆过程监测结果进行适时调整，注浆孔及注浆施工不得破坏隧洞现有一次支护。

3.3 管棚超前支护

地表注浆加固完成14 d后，进行洞内二次开挖，开挖前首先挖除洞内塌落的土体。洞室继续开挖时，采用管棚超前支护，范围为顶拱150°，间距40 cm，外插角3°，管棚采用直径108 mm的无缝钢管，每循环长15 m，循环间搭接长度7 m。钻孔采用管棚钻机进行，钻孔顺序为按高孔位向低孔位对称进行；钻进过程中根据孔口流出岩屑、钻探软硬程度及渗水情况，判断地质情况，作为洞身开挖时地质预报的参考资料，从而指导洞身开挖。管棚注浆控制压力为2 MPa，其余注浆参数与地表注浆相同，注浆施工过程采用过程控制，上述参数根据实际灌浆过程监测结果进行适时调整。

3.4 洞室开挖及支护

洞室开挖采用铣挖机，开挖时在拱部轮廓线处由上而下开挖，开挖循环进尺不超过1 m，有地下水的洞段缩短开挖进尺，每一循环开挖完成后将开挖土装入出渣车中拉出洞外。

洞室支护顺序：喷混凝土→安装系统锚杆→挂钢筋网→安设钢拱架→钢筋混凝土全断面衬砌，锚杆布置呈梅花型排列。冒顶处向前40 m范围钢拱架间距调整为0.50 m，钢拱架工字钢型号调整为20 a，拱架立柱为反拱型式，向外侧起拱高度15 cm，在二衬混凝土结构以下做成仰拱，形成钢拱架封闭环，在每榀钢拱架底脚处采用I14 工字钢进行纵向焊接，采用1 根直径42 mm，长1.20 m 的无缝钢管做为地锚，锁定纵向工字钢，管内注M30水泥砂浆。

3.5 处理效果

该段隧洞坍塌冒顶处洞室开挖支护后，经对隧洞洞身段围岩收敛变形及拱顶围岩沉降进行观测，围岩收敛变形及拱顶围岩沉降正常，满足规范要求。

4 结语

通过对小浪底北岸灌区工程某处软岩隧洞的坍塌冒顶原因进行分析，提出高压旋喷灌浆+管棚超前支护的处理方案，处理后，围岩收敛变形及拱顶围岩沉降正常，为类似隧洞工程建设中可能出现的坍塌冒顶原因分析及处理提供参考。