东山供水工程土洞开挖地质灾害处理方法

2016-04-08刘芳

山西水利 2016年1期

关键词：东山掌子面工字钢

刘芳

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西省东山供水工程建设管理局，山西太原 030002）

东山供水工程土洞开挖地质灾害处理方法

刘芳1，2

（1.太原理工大学，山西太原 030024；2.山西省东山供水工程建设管理局，山西太原 030002）

东山供水输水线路施工五标主要是在含砂低液限黏土中开挖长1.6km的隧洞，地质条件复杂多变，发生坍塌、劈帮、塌方、涌水、涌水泥沙、涌水涌泥等地质灾害的频率较高。通过对东山五标土质隧洞地质灾害的处理，总结施工经验，对土质隧洞地质灾害处理工艺进行说明，可为类似工程施工提供借鉴。

坍塌；涌水泥沙；涌水涌泥；地质灾害处理；东山供水

1 工程概况

晋中东山供水工程输水线路施工五标9号隧洞总长约2.273km（桩号YD7+205.94—YD9+478.86），为无压输水隧洞，隧洞坡度0.3‰，施工布置2条施工支洞，其中土质隧洞全长1623.865m，桩号YD7+ 651.185—YD9+275；石质隧洞位于标段结束两端，长649.075m。9号隧洞断面形式为马蹄形，采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度300～400mm。

2 土质隧洞地质条件

该工程位于古河床上，土质围岩主要为第四系下更新统Q/1灰黑色淤泥质含砂低液限黏土、级配不良砂层、粉土层和砂卵石层，且互层出现；湿—饱和，呈硬塑状态，松散，地下水位位于洞顶以上，存在渗水或涌水现象，围岩类别为Ⅴ类，洞顶及洞身主要以级配不良砂层为主，开挖过程中易产生塌方，围岩极不稳定，施工过程应加强支护。

3 地质灾害成因

9号隧洞土质段在开挖支护过程中，发生涌水、涌砂、涌泥地质灾害的部位和成因主要分为以下3种。

3.1 涌水地质灾害

根据土体构成，本工程土体主要含水层为砂层和砂卵石层，因此涌水主要发生在含砂低液限黏土、粉土层构成的不透水层之间的砂层和砂卵石层，涌水量的大小和规模受砂层和砂卵石的含水情况和厚度不同而有所差别。由于隧洞要穿越含水丰富的砂层和砂卵石层区域，隧洞开挖施工过程中渗水水流从掌子面快速流出，形成涌水地质灾害。

3.2 掌子面周边地质灾害

土洞开挖采用“分层、分区、预留核心土、预留保护层”的方法进行。根据开挖支护施工工艺，在上半部顶拱（起拱点以上部分）开挖工程中，由于土体地质条件较差，发生突发性涌水涌泥和涌水涌砂地质灾害。

由于9号土隧洞段所处部位地质条件较差，在开挖过程中遭遇了不良地质段（即含水层、含水含砂层和呈软塑状态的含水土层），开挖支护施工时，由于开挖改变了隧洞周边土层的厚度及原有的受力结构，导致位于掌子面周边的不良土层发生突发性涌水涌砂涌泥地质灾害。

3.3 开挖面与已支护完成面之间涌砂地质灾害

由于土洞采用分层开挖的施工方法，边墙和底梁的开挖支护要滞后上半部（顶拱）开挖支护约2～3d。隧洞周边的土层经过上半部和边墙开挖支护扰动后，土体结构发生变化，加之洞内渗水量较大，洞内渗水沿着排水孔和支护喷混凝土与土层结合面进行渗流，对隧洞周边土体产生侵蚀，导致土体发生液化，在进行边墙和底板开挖施工时，在开挖面与支护完成面之间发生涌水涌泥、涌水涌砂地质灾害。该类型地质灾害具有规模小、速度慢、持续时间短的特点，且受周边土层特性影响较大。

4 处理方法

4.1 掌子面地质灾害处理方法

4.1.1 涌水

在保证安全的情况下，当用水量变小后，采用沙袋对涌水冲刷形成空腔进行回填，然后快速进行喷混凝土封闭和一次支护施工，在钢支撑和沙袋之间铺设一层土工布，并埋设排水花管，进行喷混凝土施工，形成对水流的封闭和集中引排。对不易回填沙袋的部位，直接进行预埋排水管，挂网喷混凝土封闭施工，然后进行一次支护施工。排水管长1.0m，前端花管用土工布包裹，防止水流带走土体颗粒和沙粒，形成空腔。

4.1.2 涌水涌砂涌泥地质灾害处理方法

首先采用沙袋进行塌方涌泥坡脚反压，并用直径42mm，长1.0m的小导管进行固定，稳定堆渣体。塌方稳定后，根据掌子面涌水部位，布置长4.0m，直径42mm的小导管进行掌子面内渗水水流的引排，后期灌浆施工时，作为灌浆管对渣体和土体结构进行灌浆。排水管预埋后，根据情况进行掌子面C20喷混凝土封闭，为保证封闭混凝土的强度和整体性，可对掌子面铺设直径8mm，间距150mm×150mm的钢筋网片，喷混凝土厚度以保证灌浆时不漏浆为宜，一般为15～20cm。涌水涌泥部位封闭后，采用YT-28手风钻钻孔安装42mm，长3.0m的回填灌浆管，灌浆管设置排数和根数，根据涌水涌泥涌砂地质灾害的规模和现场实际情况而定。灌浆管安装后，喷射厚度10cm的C20混凝土，进行灌浆管周边封闭处理，喷混凝土前进行喷混凝土面吹洗。

超前小导管注浆施工：采用从底部向顶拱，从外向里（向掌子面方向）的顺序进行回填灌浆施工，灌浆采用PO42.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比0.5∶1～1∶1，灌浆压力控制在0.2～0.3MPa之间。灌浆结束后，并待强12h以上，方可进行后续开挖支护施工。

涌水涌泥段灌浆处理结束后，在涌水涌泥处布设排水孔，并埋设PVC排水管进行渗水引流，避免水流对周边土体结构的侵蚀和破坏，同时给后期施工埋下隐患，排水管采用土工布包裹。

塌方段处理采用114工字钢，工字钢之间的间距按50cm控制，根据现场实际揭露地质状况进行适当调整。当揭露围岩面发生脱落掉块或劈帮后，造成局部区域超挖严重，在该区域适当加密施工直径25mm的连系钢筋和钢筋网片，间距50cm。在塌方段下台阶开挖施工时，应注意观察已支护上台阶工字钢是否变形，拱脚处开挖时首先进行试探性开挖，并观察起拱点是否存在涌水涌砂涌泥现象，若存在立即进行喷混凝土封堵，并在拱脚处加打长4.0m，直径42mm的小导管进行水灰比为0.5∶1的灌浆加固处理，处理完毕后进行下半拱的后续施工。进行涌水涌泥区边墙和底板开挖支护时，为避免涌水浸泡造成边墙和底板预留保护层软化，进而导致拱架变形，根据现场情况，必要时采用直径102mm的普通焊管进行支撑，抑制支撑体系收敛变形。

4.2 开挖面与已支护完成面之间地质灾害处理方法

首先对出口周边的涌泥进行清理，然后采用土工布和沙袋进行涌泥口堵塞，再喷混凝土进行封闭。喷混凝土要将出口覆盖并和周边结合紧密。

根据实际情况，判断涌水涌泥涌砂形成的空腔，在涌泥出口上方已支护好的顶拱处，察看空腔大小，并利用缺口进行喷混凝土回填空腔处理。对喷混凝土无法回填的较高部位，采取在顶拱处打直径42mm，长3m的超前小导管进行顶部空腔回填灌浆，灌浆压力0.2～0.3MPa。

回填灌浆结束后，待强10h以上进行“分层、分区”试探性开挖，确保不再发生涌水涌泥涌砂的前提下进行大面积掘进施工，掘进进尺控制在0.5m以内。开挖过程中，采用直径102mm的普通焊管进行支撑，抑制工字钢支撑体系收敛变形。

5 安全稳定性分析

5.1 处理过程中的安全稳定性

处理过程中的安全稳定性主要考虑施工区域内土体结构的稳定性和工字钢支撑体系的稳定性。

土体结构的稳定性主要通过以下方面加固：一是对地质灾害及其影响区进行固结回填灌浆，改善周边土体结构，在地质灾害区域周边形成相对密实、完整性较好的土体结构，增加施工区域内土体结构的安全稳定性；二是在处理过程中主要采用喷混凝土封闭掌子面的方法增加施工区域内周边土体结构的稳定性，满足施工安全要求；三是在地质灾害施工处理过程中采用直径102mm的普通焊管进行支撑，加固工字钢支撑体系的稳定性，确保施工安全；四是对地质灾害发生区域，快速进行工字钢底梁安装和底部回填混凝土回填施工，尽早形成闭合的工字钢支撑体系，确保隧洞工字钢支撑体系的安全稳定性。

5.2 处理后隧洞安全稳定性

地质灾害处理完成后，在地质灾害发生区域设置临时观测断面，定期收集变形观测数据，并进行回归分析。目前，东山五标土洞段监测断面的观测点数据变形量满足《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》及《锚杆喷射混凝土施工技术规范》相关规定。