导管在水工隧洞塌方处理中的应用

陈刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

导管在水工隧洞塌方处理中的应用

陈刚

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

隧洞工程中，塌方往往成为制约工期、造成投资大量增加的关键因素。对于非突泥性质的封闭掌子面的规模较大的塌方，采用超前注浆小导管的方法。针对地下水情况采用单液浆或者双液浆，处理效果良好。相对“帷幕灌浆加长大管棚”，超前注浆小导管方案工艺简单快捷、施工安全、经济合理。

塌方；超前小导管；注浆

引水隧洞由于输水、受水的位置限制，其隧洞长度从几百米到上百公里不等，其开挖支护过程中遇到的情况也复杂多样。特别是长距离的引水隧洞，沿线穿越规模不同河谷、山谷等地貌所对应的断层，隧洞埋深也从十数米到数百乃至上千米，洞线围岩岩性从容易泥化的沉积岩如板岩、凝灰岩到强度较高的花岗岩、安山岩，非常多变；地下水从裂隙水到岩溶水也各不相同。在复杂的水工隧洞施工过程中，塌方往往成为制约工期、造成投资增加的重要因素。故而为了能够快速、安全的通过塌方洞段，在塌方处理的过程中，根据实际情况，制定针对性的塌方处理方案，尤为重要。

1 常见塌方及成因

根据塌方位置的不同，塌方可以分为洞口（含洞口段）塌方、洞内工作面塌方、洞内工作面后方塌方。文中主要论述最为常见的洞内工作面塌方。从岩性来讲，有岩质类塌方、土质类塌方；从规模来讲，主要有顺层塌方、局部掉块。文中主要分析掌子面被塌落体完全封闭的顺层、石质类塌方。

洞内石质类塌方的形成，主要因为隧洞爆破开挖后，周边处于悬空状态的岩石在下沉、收敛变形过程中，由于岩石中层理及切割性节理裂隙的存在，特别是正好揭露了软弱夹层时，悬空岩块在自身重力和周边挤压作用下，产生了下落和挤出的态势。如果在排险、出渣过程中，初期支护产生效力之前，这种态势未能受到遏制，从而达到一定程度时便发生了塌方[1]。

2 常见塌方的处理

对于掌子面未被完全封闭的掉块性质的塌方，塌方量通常在几方到几十方之间。这种塌方一般在清理出工作面之后，利用围岩暂时的稳定状态，对塌腔面进行喷锚支护（外层支护），进而设置适用于正常开挖断面的型钢钢架（内层支护），并在塌腔面与型钢钢架之间设置连接钢架，之后在内层支护上挂网喷混凝土，并预留回填灌浆孔。在继续向前进行开挖前，可视围岩情况，设置一到两个循环的超前支护，以顺利通过受塌方影响段。

但对于文中详述的掌子面被完全封闭的较大规模塌方，一般不能采用清渣的方法。一是因为塌方数量一般较大，处理时间长，且清渣越多，后期回填灌浆费用越高。另一个原因是即使能够清除塌落体，由于塌方量较大，塌腔的深度和直径一般也较大，在没有足够可靠的防护措施的情况下，不可以安排施作人员对塌腔面进行喷射混凝土封闭，以避免安全事故的发生。故而一般应采取“注浆+超前支护”的整体加固方法。其基本流程为：

1）加固未塌方段围岩，如设置钢拱架（无钢架情况）、设置长锚杆（4～6 m）。

2）设置止浆墙：主要材质和形式有喷射混凝土、设置沙袋+喷射混凝土、浆砌片石、素混凝土。一般根据有无地下水的情况，注浆参数等综合因素选择。

3）预埋孔口管并注浆。

4）施作超前支护：根据注浆的效果选择超前支护，如果灌浆不理想，应采用管棚支护，如果灌浆效果很好，则可以采用超前小导管支护。

5）开挖并支护：在具体的塌方处理中，当超前支护采用可以注浆的管棚或者超前小导管时，有时也可以采用施作超前支护与注浆相结合的方式，以达到减少工序，提高处理效率的目的。比如文中所述的三个塌方处理实例，均采用了超前小导管+注浆的处理形式。

3 塌方处理工艺

超前小导管加注浆的塌方处理工艺应根据塌方时塌落体的岩性、强度，以及地下水的丰富程度选择合适的灌浆材料和灌浆参数。综合来讲，主要有无地下水、有地下水未泥化、有地下水泥化等情况。

3.1 无地下水塌方实例

A塌方发生在沈铁供水工程施工支洞桩号Z0+491.1～Z0+498.4处，埋深128 m。该段开挖揭露围岩岩性以白云岩为主，岩石弱风化。中硬岩，灰黑色，节理发育，主要发育为两组结构面，间距小于10 cm，陡倾角与缓倾角两组结构面互相切割，岩体表面糜棱岩化，节理面多为钙质薄膜，十分光滑，结构面间结合极差，呈碎裂结构，岩体以破碎为主。开挖过程中顶拱产生坍塌，掌子面被塌落碎石完全堵死。判断该坍塌位于一断层影响范围，塌落体为断层角砾，夹杂薄层状断层泥，未见地下水。

3.1.1 塌方处理措施

塌方处理的主要流程为：

施工平台搭设→掌子面封闭→超前小导管安装→超前小导管注浆（待强）→上半部开挖→上半部钢支撑安装→喷混凝土封闭→下一循环→塌腔回填。

其中掌子面封闭采用150 mm厚的喷射混凝土。考虑到塌方未见地下水，注浆效果相对有保障，采用水灰比为0.5：1的单液水泥浆，以保障固结塌落体的强度和范围。首环超前小导管采用双排，其后采用单排，环向间距均为300 mm，长度4.5 m，搭接长度3 m。超前小导管单孔注浆量估算见公式1[1]。在每循环灌浆完成后，当小导管注浆达到一定强度（一般2～3 d），开挖施工前，预先钻设灌浆检查孔，检查小导管灌浆范围内渣体固结程度，如塌落体板结程度较差，应在局部进行补强灌浆。开挖分上下台阶开挖，开挖时预留核心土。

其中：Q——设计注浆量，m3；R——浆液渗透扩散半径，m；L——设计注浆孔深，m；N——围岩孔隙率，松散塌落体取0.2～0.3。

根据A塌方特征，考虑松散塌落体吃浆量较大，跑浆问题较重，扩散半径取较大值1 m，注浆孔深为4 m，计算Q=3.14 m3，折合灌浆水泥2 t。

3.1.2 塌方处理成果

开挖揭露显示塌落体固结效果较好，满足开挖工作需要。整个塌方历时32 d顺利通过。

3.2 有地下水塌方实例

B塌方发生在沈铁供水工程主洞K5+114附近，围岩岩性为蓟县系雾迷山组二道沟亚组燧石条带白云岩。岩体节理裂隙发育，岩体较破碎，层间结合力差。节理面可见水锈，充填岩屑和泥质。地下水呈滴水～线流状。围岩类别为V类。爆破后，渣块直径4～8 cm，极为破碎，出渣10车（正常13车）未见渣堆明显减少。由此认定为塌方。

3.2.1 塌方处理措施

塌方处理的主要流程为：

预埋PVC导水管两处→施工平台搭设→掌子面封闭→超前小导管安装→超前小导管注浆（待强）→上半部开挖→上半部钢支撑安装→喷混凝土封闭→下一循环→塌腔回填。

鉴于地下水局部呈线流状，采用单液浆凝结时间长，不能控制，随地下水漏浆跑浆比较严重，结石率低。故而考虑采用水泥水玻璃双液浆，控制在较短时间内达到固结阻水效果。而地下水压力随着固结阻水必然压力上升，故而采用沙袋+喷射混凝土（150 mm厚）作为止浆墙。双液浆的主要参数如下：①水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；②水泥浆水灰比为0.8∶1；③水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.8；④水玻璃模数为3，浓度为40°Be.凝胶时间约为10 min。

注浆量的计算、超前支护的参数及开挖支护工艺同A塌方。

3.2.2 塌方处理成果

灌浆过程显示水泥水玻璃双液浆阻水效果良好，整个灌浆过程极少漏浆现象发生。开挖揭露显示水泥水玻璃结石率高，塌落体固结效果好，强度较高。满足开挖支护工作需要。整个塌方历时48 d顺利通过。

4 结语

一般的水工隧洞开挖宽度较小时（6～8 m），发生塌方的宽度也不会太大，即使在软弱、浅埋的围岩中发生塌方，也不一定需要采用深孔预注浆或长大管棚技术，而采用文中所述的超前注浆小导管的处理方案，处理效果也非常良好，而且工艺简单、施工安全、质量可靠、简便快捷。但需另外说明的是，如果遇到突泥塌方，全断面被塌落体封闭，且地下水丰富的情况，仅仅采用超前小导管注浆往往效果并不佳，另需进行全断面帷幕注浆，再加以长大管棚进行处理。

最后，隧洞工程塌方处理往往占用工期长，投入大，与治理塌方同等重要的是预防塌方。开挖到断层影响带时应采用短进尺、弱爆破，并及时支护。地下水丰富时，要设置探水孔，最大程度预防大规模塌方事故的发生。

TV672+.1

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2017-02-09