不良地质洞段输水隧洞塌方处理及后续施工方案

邓跃东

（1.太原理工大学 山西太原 030024；2.山西东山供水工程有限公司 山西太原 030002）

对于自身稳定性很差的围岩隧洞开挖的过程中，塌方是最为常见的安全事故之一，一旦发生塌方等安全事故，不仅延误工期、大幅度地提高工程费用，而且也会造成对施工工人及技术人员的人身伤害。对这些事故如果处理不当，还会造成工程质量隐患[1]。工程实际中要求采用“短进尺、强支护”等措施来防止塌方事故。本文以山西省东山供水工程某输水隧洞发生的塌方冒顶事故为例，分析了隧道塌方的原因，介绍了隧道塌方冒顶的处理方法、施工要点[2]，并对不良地质条件下的隧洞掘进提出一些建议。

1 工程概况

山西省东山供水工程输水线路某隧洞进口为土洞段，设计底坡i=0.037%，断面形式为马蹄形，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度400 mm。地层岩性有第四系全新洪冲积卵石混合土，下更新统（Q1）紫红色、青灰色含砂低液限黏土，土质较不均，局部夹级配不良砾透镜体，厚度分布不均，沿线均有分布。突泥段位于两条冲沟的交汇处，洞顶埋深约32 m。

2 塌方过程

该隧洞在开挖过程中，右侧掌子面夹砂层发生滑动，且渗水加大，随后发生突泥现象，泥浆涌长约38 m。淤泥呈黑褐色，含有大量的砂，且淤泥中含有大量的浑圆状卵石，现场淤泥方量约为180 m3。突泥清理至距离掌子面5 m位置时，上游塌渣再次发生滑动，淤泥滑出掌子面20 m，方量约为100 m3，且距离掌子面的第七榀钢支撑右侧掌子面出现挤压变形破坏，顶拱右侧最大变形量约10 cm。随后再次发生突泥现象，淤泥涌出掌子面40 m，约200 m3。连续发生塌方突泥后，地表观察发现突泥区顶部发生冒顶，在地表形成直径约7 m的塌坑，深度为8 m左右，塌渣未发生滑动（塌方冒顶现场如图1、图2所示）。

图1 山西东山供水某输水隧洞塌方冒顶现场（洞内）

图2 山西东山供水某输水隧洞塌方冒顶现场（洞外）

3 原因分析

该隧洞位于黄土丘陵地区，具有典型的软土特性。掌子面开挖揭示为灰黑色淤泥质含砂低液限黏土，遇水液化，顶拱范围存在2 m左右的灰黑色低液限黏土，结构松散，土体呈饱和、软塑状态，含砾、卵石，局部夹带5～10 cm砂层，掌子面土体不能自稳，不能对未开挖土体形成有效的反推挤压作用。加之存在渗水、涌水现象，在突泥的形成中起到一个“催化”和“恶化”作用。

4 处理方案

4.1 塌方冒顶段处理方案

4.1.1 塌穴处理

首先，将突泥清理到距离掌子面一定距离后对掌子面进行喷射混凝土封闭，对洞内淤泥堆积体反压沙袋进行堵塞。掌子面喷射混凝土封闭7 d后开始对塌陷处地表回填，塌穴顶部2 m范围土体采用水泥与土的混合物回填夯实，填平后采用装载机碾压整平。洞内空腔可采用吹砂方式填充密实。

4.2.2 高压旋喷施工

塌方洞段（塌方区上下游各延伸5～10 m）采用高压旋喷桩施工工艺从地表进行土体加固。高压旋喷桩是利用高压水泥浆喷射流横向喷射出切割土体，注入的浆液将冲下的土置换或部分混合凝成桩体，以达到改造土体的目的。本次高压旋喷钻孔平面布置如图3所示（图3取旋喷桩加固区长度、宽度方向各取一半）。

1）纵向长度：初步确定为20m（桩号YD7+827.685～YD7+807.685），根据现场钻孔资料进行适当的调整。

2）横向宽度：主塌方区对隧洞轴线左右3.5 m范围进行加固，延伸过渡段对隧洞轴线左右3.0 m范围进行加固。

3）加固深度：隧洞两侧设置2～3排旋喷桩，深入隧洞底板开挖以下1 m；拱顶以上桩长约6 m。横向孔距为50 cm，排距为50 cm。

图3 高压旋喷桩平面布置图

考虑到施工地质条件相对复杂，成桩直径为60 cm，采用单管法施工，其加固直径可达500～800 cm。

4）高压旋喷施工工艺：

高压旋喷灌浆浆液采用P.042.5普通硅酸盐水泥拌制；主要施工设备包括：XY-150型地质回转钻机、SH-50型旋喷桩机、BWT-400/30型高压泵、BW-150型泥浆泵、P-0.8 MPa，Q-6 m3/min型空气压缩机、WJG-80浆液搅拌机。

由于冒顶坍塌区的地质情况不明，若采用单一的技术参数来喷射长桩，则会形成直径或长度极不均匀的固结体，导致旋喷桩直径不一，达不到预期效果。为确保质量，需根据钻孔时获得的孔位处地层情况，对不同深度或不同土层采用不同的技术参数，对硬土、深部土层和土粒大的卵砾石要延长喷射时间，适当放慢提升速度和旋转速度或提高喷射压力和泵送量[3]（具体施工工艺流程如图4所示）。

在高压喷射注浆结束后1周，施工单位对成桩体进行了钻心取样试验，分析结果表明：成桩质量良好，塌方冒顶洞段土体承载力显著提高。

旋喷桩施工完成后，于地表建立完善的观测网，对监测点进行闭合测量，并对测量数据进行整理分析以掌握地表变形情况。待地表处理完成且变形监测符合要求后，方可进行后续施工。

图4 高压旋喷桩施工工艺流程图

4.2 不良地质洞段后续施工方案

隧洞后续掘进应继续遵照“短进尺、强支护、弱扰动、快封闭”的施工原则，并且加强洞内、外变形监测。具体措施包括：

1）台阶开挖法：掘进断面按照上下台阶预留核心土法进行施工控制（如图5），并保证紧跟支护。

2）采用超前支护法以临时支撑土体：在顶拱处采用φ42超前小导管（环向间距40 cm）注浆方案进行超前支护（必要时结合大管棚支护）。施工过程中若掌子面土体自稳性较差，为防止超前小导管施工振动诱发坍塌，在超前小导管施工前首先喷射混凝土进行支护体系闭合。

3）保证一次支护质量：开挖断面钢支撑采用18#工字钢，间距为50 cm，并辅以150 cm×150 cm双层钢筋网片，钢支撑之间可适当增加φ25联系筋或14#水平联系工字钢；每榀钢支撑支护体系施工安装完成后，立即喷射C20混凝土进行封闭，喷层厚度为20 cm。

4）若掌子面地质为砂层、砂卵石层等不良地层，采用注浆加固和核心土注浆预加固措施。

该不良地质区域经过上述处理，塌方冒顶洞段已顺利通过，后续洞段的施工也稳步、安全推进。后续施工方案断面结构图见图6。

图5 上下台阶法开挖示意图

图6 后续施工方案断面结构图

5 结论

（1）在掘进长距离输水隧洞，尤其是在裂隙发育和地质条件复杂的地区，必须加强地质勘探，制定不良地质情况应急预案，并加强超前支护防止隧洞塌方。（2）对于由不良地质引起的隧洞塌方冒顶，应及时封闭掌子面，稳固塌方体，并对冒顶处进行回填整平，防止塌腔进一步扩大。（3）高压旋喷桩对不良地质（尤其是黄土区域）隧洞塌方处理，能取得良好的效果。（4）在不良地质情况下隧洞施工，要确保一次支护及时跟进、确保强度，并加强安全监测，确保施工过程中围岩稳定，发现异常及时处理，才能较好地预防塌方事故发生。

[1]郑陈旻，隧道塌方预警预测体系及治理措施研究[D].同济大学，2008.

[2]车广才，杜以昌.浅埋隧道塌方冒顶处理[J].国防交通工程与技术，2003（4）：2-5.

[3]郭喜平，高压旋喷注浆法在黄土地区公路软基处理中的应用研究[D]，重庆交通学院，2004.