新疆北疆干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌成因分析及处理措施

潘奕舟（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所　新疆　乌鲁木齐　830000）

新疆北疆干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌成因分析及处理措施

潘奕舟
（新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所新疆乌鲁木齐830000）

文章通过分析新疆北疆干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌问题，对隧洞塌方的原因和处理过程进行了探究，从而确保渠道输水能力，可为此类工程的建设提供可靠的参考依据。

砂砾石；极软岩隧洞；洞顶坍塌；施工方案

1　工程概况

笔者所研究的对象是新疆北疆干渠1号隧洞，隧洞类型属于浅埋深极软岩输水隧洞，该工程项目主要由进口明渠及渐变段、洞身段、出口暗涵段、出口矩形槽段和施工支洞等部分构成，整个隧洞全长4.6km，是明显的无压明流隧洞，设计断面是正马蹄形、衬完断面为5.2m×5.2m，开挖的最大尺寸为8.4m×8.3m，Q设计=54.5m3/s，Q加大=61m3/s。该隧洞所处地形为河谷冲洪积倾斜平原区，地形较为平坦，无明显的冲沟发育，围岩上部土壤类型为风积黄土，土壤厚度在1.5m～2.3m之间，围岩下方土层主要为冲积卵石混合土层，土层厚度大多集中于20m以上。洞身顶部土层厚度在4m～13m之间，土层类型以卵石混合土为主，围岩类别为Ⅴ类，岩体抗力系数K0在（100～200）N/cm3之间，饱和抗剪强度在35°～40°之间，坚固系数fk为0.8，地下水埋深位于洞底16.5m～21.5m以下。深坑实验资料显示，颗粒级配连续，没有发现砂层透镜体的问题，砂砾石天然湿密度在1.97g/cm3～2.18g/cm3之间，干密度在1.91g/cm3～2.22g/cm3之间，含水率在2.8%～4.2%之间，最紧密度在1.98g/cm3～2.26g/cm3之间，相对密度为D=0.7，渗透系数k在（1.3×10-2～2.2×10-2）cm/s之间，属于r强透水层。

2　基本施工工法

1号隧洞在距离洞口2.7km处修建一条施工支洞，并将主洞划分为4个开挖工作面，每个工作面将施工长度控制在1.6km左右，进口～支洞～出口围岩埋深从18m～10m～4m逐渐减小。而本次施工隧洞属于浅埋深砂砾石极软岩隧洞，且地面附有公路、渠道以及民宅等建筑物，大大增加了该工程项目的施工难度。对此，笔者在对该工程项目进行施工作业之前，对二道湾隧洞、博塔玛依隧洞以及顶山隧洞等新疆地区类似工程项目的成功经验进行了借鉴，采取“短进尺、强支护、快衬砌”的施工方案对该工程项目进行施工作业，为后期施工质量的提高打下坚实的基础。

具体做法为：在对掌子面开挖及一次支护进行施工作业时，采取短进尺的施工方法循环进尺，进尺长度控制在0.4m～1m之间；多循环施工环节则是采用超短台阶法进行施工作业，台阶长度控制在3.2m左右，开挖工具主要使用人工风镐和小型挖掘机两种；利用型钢拱架和格栅拱架等材料对施工界面进行一次支护，并采用钢模台车跟进的方式进行二次支护，同时还必须确保与掌子面间距小于80m，在为减少围岩裸露时间的同时降低围岩形变的空间，最大限度的提高该工程项目的施工质量。

3　洞顶坍塌成因分析

在1号隧洞在支洞段前25m到出口洞段前60m的施工过程中，顶部±45°范围出现掉拱和坍塌的现象较为严重，40cm间距单榀循环开挖出现塌方的最大面积为1.5m2，塌腔高度在0.5m～1.2m之间，笔者在分析围岩变化情况之后，将该隧洞出现坍塌的原因总结为以下几点：

3.1不良地质条件影响

由于该隧洞属于浅埋深砂砾石软岩隧洞，所以引起隧洞发生洞顶坍塌现象的原因主要是由于冲积卵石混合土层围岩自身特征造成的。例如：冲积卵石混合土在自然形成的过程中所产生的弱胶结粉砂透镜体和断级配卵石夹层。再如：砂砾石在自然沉积的过程中，岩体的相对密度、抗力系数以及坚固系数等性能都呈现出直线上升的趋势，从而导致隧洞面积减小，洞顶坍塌。主要表现为，该工程项目自开挖掌子面开始，其坍塌现象从未间断，而埋深在10m以上的支洞除了在洞顶范围出现砂透镜体或断级配卵石夹层等结构的坍塌之外，其他结构的土层很少出现坍塌现象。

3.2地表降雨及农田灌溉渗水影响

由于该隧洞有着十分明显的透水性，一旦施工区域发生降雨和农田浇灌等活动，就会在一定程度上提高围岩的含水率，继而增加砂砾石自身的重量。这样一来，如果砂砾石自身的重量超过围岩胶结的承载力，就会在洞顶部位出现剥落掉拱的质量问题。从现场取样和研究结果来看，如果掌子面砂砾石岩体含水量超过4.5%，其发生洞顶坍塌的频率和面积就会随之增加。

3.3开挖机械扰动影响

当前工作人员在对软岩隧洞进行施工作业时，常常采用的施工方式是人工配合机械作业，例如，当工作人员在对该工程项目的上断面进行施工作业时，主要是先将挖掘机立于下断面对工作界面进行粗破碎，然后采用风镐进行人工修整，最后再使用挖掘机翻碴并装车出碴。然而，由于施工人员专业知识不扎实，施工方法不合理等原因，工作人员在对该工程项目的上断面进行机械开挖时，常常会出现保护层预留不够和超挖等问题，而在开挖基线30cm深度的范围内都会受到料斗扰动的影响，使得工作人员在后期使用风镐修整施工时，经常出现局部剥落掉拱的现象。

4　处理及预防措施

由于1号隧洞有着土质疏松、渗水性强等特点，在很大程度上促使了洞顶坍塌现象的发生，如果工作人员不能对洞顶的塌腔区域做出及时有效的处理，就会导致事态的进一步蔓延，继而发生严重的坍塌现象。对此，笔者根据该工程项目的实际情况，制定了几点应对措施，在提高施工质量的同时确保整个输水系统安全、高效的运行。

4.1在制定施工方案之前应对地质条件的好坏进行正确的判断

在对隧洞进行施工作业之前，如果工作人员可以准确的判断工程项目中存在的不良地质条件，就能有效的指定施工方案，为提高施工质量提供有力的保障。例如，当工作人员在对掌子面进行施工作业时，常常遇到弱胶结粉砂透镜体和断级配卵石夹层等地质情况，此时，工作人员就不能继续使用挖掘机对高工作面进行施工作业，而是需要改变施工方案，采用减小开挖间距和增加人工开挖保护层厚度的方式对其施工作业，同时需要设置超前锚杆，以增强施工界面的承载力，确保工程安全可靠的进行。

4.2两次喷护及时封闭确保喷护质量

在对该工程项目进行施工作业的过程中，工作人员主要采用两次喷护的方式来增强工程质量。一次支护主要采用厚度为15cm的喷混凝土型钢拱架，或者是厚度为18cm的喷混凝土钢格栅拱架作为该工程项目的支护材料，而受洞顶坍塌好发洞段围岩弱胶结、水分散失现象严重等因素的影响，施工面发生砂石分层剥落的现象也变得相对明显，所以工作人员在对覆盖层进行施工作业时，应在厚度小于半倍洞径4m的洞段使用“短进尺、快封闭”的施工工艺进行，并把上半拱开挖的进尺控制在40cm以内。此外，为了确保喷护的质量，应确保第一次喷护的厚度小于5cm。等到半断面封闭后，在对施工界面实施二次喷护，喷护厚度以设计方案的厚度为准。这样一来，工作人员就可以大大降低开挖的面积、减少喷护界面混凝土分布不均匀等问题的出现，最大限度的确保了施工质量。

4.3遇塌腔及时调整挂网形式，适时适量进行回填灌浆处理

要想有效的提高塌腔的充填密实程度，降低喷护混凝土回弹问题发生的概率，工作人员在对该工程项目进行施工作业时，就必须要根据具体问题具体分析的原则，在不同的施工界面制定不同的施工措施。例如，当施工界面塌腔高度大于50cm时，挂网钢筋则不需要再根据拱架规则进行布置，而是要做到尽量贴服坍塌岩面架设，孔径可增大到2cm以上，且需进行多次喷护，以增强喷护的密实度。此外，由于混凝土在干缩、施工缺陷等因素的作用下，能在一定程度上引发洞顶出现空隙或空腔的质量问题。所以，工作人员在对塌腔高度在80cm以上的施工界面进行施工作业时，需要采用埋灌浆花管和排气管的方式来提高施工质量，待坍次支护强度符合设计标准时，再对其进行回填灌浆。据有关资料显示，灌浆压力＜0.1MPa时，可以有效的防止因压力过大而破坏一次支护结构。

5　结语

从上述内容可以看出，干渠浅埋深极软岩隧洞洞顶坍塌是该工程项目中存在的主要问题，在很大程度上影响着整个输水系统的输水效率，给该区域内居民的用水带来不便，但是受地质环境、气候条件以及地形地貌等因素的影响，在对此工程项目进行施工作业时，常常会出现工作人员难以预料的质量问题和施工困难，工作人员只有在日常的工作中不断总结和积累经验，积极完善自身的专业技术知识，才能有效的发现施工过程中存在的不安全隐患，并采取积极有效的措施加以应对，力求最大限度的提高工程质量。陕西水利

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（责任编辑：畅妮）

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