小洞径引水隧洞的塌方处理及预防措施

杨照明

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000）

唐 虎

（新疆阿拉山口供水工程建管局 博乐 833400）

1 工程概况

新疆阿拉山口供水与生态建设工程是为解决我国西北边陲最大的铁路、公路并举的一类口岸——阿拉山口口岸水资源严重匮乏的引水工程，主要由取水枢纽、引水线路（包括管道和隧洞）、尾部调节水库等组成，工程2006年7月正式开工，2009年10试运行通水。

引水隧洞是该工程的关键控制工程，全长14.346km，设计开挖断面为2.5m×2.5m，城门洞形，为无压引水洞，洞身大部分在较完整的花岗岩体中，不需衬砌，但对遇到断面破碎、裂隙发育、有地下水的围岩必须进行全断面衬砌支护。隧洞1号竖井上游地质情况最为不利，在施工中遭遇两次塌方，建设者克服工作面狭小、地下水渗漏等困难，历时半年的努力，最终使该段贯通。

2 塌方情况及原因分析

由于阿拉山口引水隧洞洞径小，故施工中采用全断面掘进法进行开挖。1号竖井上游段处于多条地质断层交汇处，根据总体布局的需要，设计洞轴线要不可避免地经过这些不良区域，向西200m范围内为一与隧道轴线接近垂直的大冲沟，地表有一流量为40L/s的地表径流，冲沟底部有一组断层通过，单个断层破碎带宽0.3～1m，隧洞在该段通过时，上覆岩体厚38m左右，有地下水沿节理、断层带和断层影响带入渗洞中，总入渗水量为30m3/h，对施工造成影响，隧洞通过断层时，由于地下水作用造成小规模岩体失稳，由于岩石破碎并有裂隙水渗流，地质结构形成次生软岩，自身稳定性很差，属Ⅳ类围岩。2007年，在110m处由于施工方法不当首次出现塌方，在运渣时，掌子面不断塌落，后来施工采用管棚法强行通过，由于没有及时进行衬砌，被地下水浸泡。2007年由竖井向上游掘进至245.5m时又遭遇泥砂壮粉碎性岩石塌方，无法继续掘进。

经分析，原因主要有以下两点：

a.地质勘察对所在地段的地质和水文地质资料掌握不全面，对可能出现的塌方，没有可靠的预防处理技术措施。

b.施工方法不当。初始在该段开挖爆破时，采用强爆破或装药过多，破坏了岩石的整体性引起第一次塌方，由于没有采取正确的方法，一味出渣，塌渣量不断增大，形成洞顶空腔。处理完第一次塌方继续往上游掘进时，由于支撑结构不合理，支撑构件强度低，或支撑位置和高程不当，拆除时扰动，加上没有做好施工排水，使围岩长期浸泡，处于饱和状态，山岩压力增大，引起第二次塌方。

3 塌方处理措施

3.1 第一次塌方的处理

首次在1号竖井上游110m塌方时，掌子面持续滑落的渣料充满掌子面，且补给量很大，一时难以清除，塌穴形状和大小无法查明，地下水的侵扰更是恶化了施工环境；施工采用了管棚法超前临时支撑、开挖导坑的方法穿越塌方体，在导坑顶部用钢管密集插入塌方体，形成棚顶，在棚顶的保护下，逐步开挖进占，并考虑边开挖边加固支撑。具体步骤如下：

a.采用工字型钢轨预制钢拱桁架。

b.逐段施工排水，保证掌子面不被浸泡。

c.采用废料工字钢和30mm直径钢管，按一定水平间距沿隧洞设计开挖线以外斜向打入塌方体内形成顶棚。

d.在临时支撑的保护下，边挖边撑，将隧洞设计开挖线内的塌渣逐段清除。清除时将掌子面固牢，循序渐进，逐步推进。

3.2 第二次塌方的处理

由于首次塌方处理时没有约束掌子面的变形，工字钢支护严重侵线，工字钢支护上是塌方堆集体，水量较大，造成该段后来需要拆除拱架，用格栅拱架支护，采用超前小导管加固围岩止水等措施进行重新扩挖和支护。

掘进至1号竖井上游245.5m掌子面时再次发生大塌方，泥沙夹碎石将作业面封堵，部分拱架严重变形，围岩裂隙水发育为股状，滑落体为泥石流性质，塌方长度无法判定，处理难度更大。为了保证整体的的施工进度，建设者在第一在塌方段上游220m处打一斜井，从上游向下游掘进，以保证未完的开挖段掘进施工，并接近塌方段背面进行处理。第二次塌方处理的步骤如下：

a.对1号竖井上游掌子面进行浆砌石封堵，控制顶部塌方继续扩展。

b.将原采用I20工字钢制作的支撑钢拱用I25工字钢制作的支撑钢拱替换。自首榀支撑钢拱外1m处采用风镐剥离围岩，径向扩挖0.40m；沿原支撑钢拱外缘造孔；重新布置超前锚杆和小导管（φ42无缝钢管×2.5m）；在扩挖处支撑新的两榀I25支撑钢拱；依照拆除→扩挖→支撑→布置超前锚杆和小导管的顺序逐步替换原支撑钢拱。

c.及时跟进混凝土支护作为二次永久支护。

d.从1号斜井向下游采用超前导洞法开挖。

根据夹泥层情况提前探知掌子面岩石状况，减少对欲保留围岩的破坏，根据观察夹泥层主要为钙化土裹挟岩块，在地下水的浸润下48h发生塑性变形，形成泥石流状塌方，所以在开挖过程中严格按照“短进尺、弱爆破、强支撑、快衬砌”的原则，在岩石裂隙发育、围岩性状较好段打排水孔，降低地下水压力，结合洞内排水，减少洞内积水对掌子面的影响。

爆破开挖分为两段进行，先行爆破中心掏槽孔，清渣完毕后观察是否出现夹泥层，发现夹泥层时，周边孔不装药，作为减震孔使用，爆破完毕、风镐剥离成型后立即跟进一次钢制拱架超前支撑，在条件成熟情况下及时衬砌。

4 小洞径塌方处理的经验与预防措施

对于小洞经隧洞，由于全断面掘进、工作面狭小、不良的工程地质条件是发生塌方的客观因素，如果所采用的施工方法和客观的工程地质条件不相适应，对发生塌方的可能性估计不足，就会常因开挖爆破强烈震动或支撑构件强度低、地小水浸泡围岩等主观原因引起塌方。一旦塌方，处理难度较大，不仅扰乱了正常的施工，也延缓了工期。

塌方发生后，应首先加固未塌地段，以防塌方蔓延，让抢险工作有一个安全的空间。同时组织相关人员到塌方现场调查研究，查明塌方范围、性质及塌方围岩的构造和地下水活动情况，认真分析塌方原因，及时制定出可行的塌方处理方案。

当塌方量不大时，可采用将塌方全部清除的处理方法。在清除塌方之前，应将塌方顶部支撑牢固，或将掌子面注浆凝固，避免继续塌落。因为当隧洞发生第一次塌方后，自然拱范围内还有继续坍塌的可能，塌方坑道的两侧边坡常不稳定，先清除塌渣可能会使侧壁因失去平衡而松动塌落，塌方坑道进一步增宽，自然拱进一步增高而再次塌方，如此反复，极有可能引发大塌方。

如遇大的塌方，原则上应在完善已开挖洞段的一、二次支护体系后再掘进，隧洞顶部已塌落的空腔一定要封闭，用砂袋或轻型材料回填，小导管注浆，以免留下隐患。该次塌方处理是首先封闭掌子面和塌方段，以约束掌子面变形，再支护，考虑在洞顶2～3m范围内形成固结冻结或沿拱部开挖线先打入管棚加固后再开挖的方式处理。

根据该工程隧洞塌方处理，我们总结出了以下预防措施：

a.设计时深入调查和勘探隧洞所在区的地质和水文地质，对不良地段要有充足的认识，尽可能全面掌握所有可能发生塌方的不良地质情况。若洞线必须经过断层、地下水和软弱破碎带等不良地层，应先考虑相应的技术措施，选择正确的施工方法，认真做好施工组织设计，以便指导工程施工。

b.施工中应正确合理选择施工方法和防塌方技术措施，准备必要的材料和工具。防塌方措施有：做好施工排水、采用弱爆破或不爆破开挖技术、合理掌握开挖进度、支撑紧跟掌子面并适当加强。

c.施工中应经常检查，及时发现发生塌方的种种预兆，及时采取工程技术措施，防止塌方事故的发生。

d.对极破碎带要按照软岩隧洞的施工规范施工，稳中求快，在塑形变形之前必须完成一次超前强支护，一次支护一般都要靠锚杆、喷混凝土等，最好二次支护及时跟进，必要时补充随机锚杆，用短锚杆形成一个系统，还可固定钢支撑、挂网等。网片可提前做好，现场拼接，接好后喷混凝土。

e.一次支护一定要紧贴掌子面，用管棚推进、小导管灌浆封堵以进行提前加固，保证前方的自稳时间。

f.自稳能力比较好的地段，也存在断层、破碎等，可能造成局部软岩现象，不能长时间暴露临空面，一次支护要及时跟进。

g.隧洞开挖超前加固时可在洞内排水，尽量降低地下水压力，缓解地下水对施工产生的不利影响。水平排水要确保作业面无地下水影响，在洞侧墙底部打排水孔，降低岩石裂隙水压力，减少对不良地段的影响。

h.爆破要分段进行，一方面提高爆破效果，另一方面提前探知前方岩石状况，以便及时调整爆破方法。

i.及时对衬砌外的空洞和围岩进行加固，填实塌穴，进行回填灌浆，力求根治。

5 结语

小隧洞全断面掘进中往往会碰到勘探工作难以探明的地质情况，要随时随地进行设计资料和实际工程地质的对比，从理论和具体地质情况两方面预见塌方的可能性，果断准确地采取相应的预防措施，达到防患与未然的目的。