引汉济渭5号隧洞持续塌方整治对策

王建伟

(中铁十八局集团隧道工程有限公司 重庆 400700)

1 工程概况

陕西省引汉济渭调水工程是针对关中地区缺水问题修建的省内南水北调工程骨干调水线路，也是陕西省委、省政府提出的“两引八库”重点水源工程之一。工程地跨黄河、长江两大流域，穿越秦岭屏障，主要由黄金峡水库、三河口水库、秦岭输水隧洞组成。秦岭输水隧洞是整个引水工程的咽喉，全长81.779 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15.0亿m3。隧洞平均坡降约1/2 500，采用钻爆法＋2台TBM法施工，工期5.5年[1]。

2 项目工程地质及水文资料

(1)工程地质

工区范围内主要涉及地层为石炭系下统二峪河组千枚岩、炭质千枚岩，泥盆系上统刘岭群桐峪寺组千枚岩、变质砂岩，泥盆系中上统刘岭群青石垭组千枚岩、炭质千枚岩、变质砂岩，泥盆系中统刘岭群池沟组变质砂岩，泥盆系罗汉寺岩组千枚岩、炭质千枚岩、变质砂岩，下古生界罗汉寺岩组千枚岩、炭质千枚岩、石英片岩，以及断层碎裂岩、糜棱岩、断层角(泥)砾。

(2)水文资料

工点处地表水较发育，主要有虎豹河、柳林河、王家河、干沟，为常年流水沟，水量较大，水量随季节性变化较大，夏季有山洪暴发，主要受大气降水补给。该段地下水为基岩裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给，水质良好，对混凝土无侵蚀性。其中K52＋500～K55＋700段位于弱富水区(Ⅲ)，正常涌水量为1 120 m3/d。

3 塌方段情况描述

隧洞向小里程端施工K54＋914.8～K54＋912.8(进尺为2 m)段落后，拱顶位置2 m(纵向)×5 m(环向)范围出现大面积渗漏水。该段原设计围岩为Ⅳ类，岩性为泥盆系中上统刘岭群青石垭组千枚岩夹变质砂岩。实际开挖岩性主要为千枚岩，少量变质砂岩，片理发育，受地质构造影响严重，节理发育，岩体呈碎块状。地下水发育，多处线状滴水，面状流水和小股状涌水，出水量约400 m3/d。该段岩体受水流浸泡而软化，形成剥落状滑塌。为防止掌子面岩体受水流影响发生大面积坍塌，现场立即对该施工段喷射10 cm厚C25混凝土予以封闭。但在后续出渣过程中，掌子面右上方发生坍塌，塌腔尺寸纵向约5 m(K54＋915～K54＋910)，环向约6 m，高约5 m。落石将后方里程K54＋915位置钢拱架损坏，塌腔顶部仍未稳定，持续受裂隙水影响，顶部岩体软化坍塌。在加固塌腔后方进行支护时，该塌腔再次发生塌方，整体塌腔向掌子面左上部延伸，塌腔环向约10 m，纵向约7 m，高度约15 m。隧洞开挖轮廓线内全部被渣体填满，顶部仍不稳定(见图1)。

图1 塌方区现场照片

4 TBM施工造成塌方的原因分析

(1)主观因素

该塌方段落出现渗漏水时，现场技术人员未能够及时、准确判断千枚岩受水影响软化速度[2]。虽然对掌子面进行喷射混凝土封闭，但并没有对裂隙水进行集中排放处理，临时封闭措施未充分考虑隧道顶部千枚岩长时间遇水软化后的自身重量，致使支护抵抗力不足以承受软化后土体重量，从而发生坍塌。

(2)客观因素

千枚岩因其物理力学参数低，在富水区极易受裂隙水影响造成岩体结构破坏，从而影响岩体强度和形态。该塌方发生在掌子面爆破完成后，岩体整体上还能够自稳，但右上方的股状水是塌方主要诱因。由于该段岩体呈破碎状，股状水将岩体裂隙间胶合物携带流失，水系通道越来越宽，水量增大。千枚岩浸水饱和后，单轴抗压强度损失较多，致使其软化系数变小，加之遇水软化的特性[3]，在裂隙水的诱发下，加快了软化、泥化速度，使围岩整体性不断变差，最终导致大塌方。

5 塌方处理原则及措施

5.1 塌方处理原则

(1)该类塌方为持续性坍塌，且腔体内岩体持续受裂隙水软化、泥化。首先应对邻近稳定段落支护措施进行加强，以应对不断坠落的岩体重力冲击[4-5]。

(2)考虑塌腔顶部围岩仍为不稳定因素，常规清渣处理安全风险较大。所以，因地制宜，充分利用现有坍塌体形成联合防护体系，为预处理措施提供安全性和便利性[6]63。

5.2 施工工艺流程

为确保安全，针对塌方整治的隐患及难点，经多方共同商定、集思广益，制定出塌方处理工序流程图，见图2。

图2 塌方区处理工序流程

5.3 塌方整治对策

施工剖面如图3所示，塌方具体整治措施如下[7-12]:

图3 塌方区施工剖面示意

(1)加固稳定段落及封闭不稳定塌腔体围岩

由于塌腔体内岩体持续受裂隙水影响，塌腔顶部围岩仍不稳定，对周边岩体影响程度较难预估。在处理该段塌方时，应先对邻近K54＋922～K54＋915支护体系进行加强，由原设计钢拱架间距1.8 m/榀调整为0.6 m/榀间距进行补强。然后待顶部塌方基本稳定后，在保证人员安全前提下，采用钢纤维喷射混凝土对塌腔内可喷射范围内岩面进行封闭，有必要时可对裂隙水进行集中排放，避免岩体持续软化。

(2)利用塌方渣体做土模

因塌腔高度较大、范围较广，为确保施工安全，本着因地制宜原则，最大限度利用现有资源，采用长臂挖机对塌方体顶部进行修饰，形成土模。土模周边尽量圆顺、密实。土模施工控制要点:第一，修饰后的渣体轮廓要比开挖线至少外放30 cm，扩大的空间主要考虑灌注混凝土过程中自由堆积的渣体密实度发生变化，所预留空间主要是保证灌注混凝土不至于侵入初期支护限界[6]64；第二，土模顶面轴线向掌子面方向按照5%放坡，以确保灌注混凝土能够利用坡度回流。

(3)预埋管道

土模外缘修饰完毕后，在其顶面分两排环向布设DN80 mm混凝土输送管，环向间距100 cm，其中一排输送管的端部置于塌腔中部，一排靠近掌子面，输送管与K54＋915处钢拱架焊接固定。为确保回填混凝土厚度大于1 m，同时考虑混凝土坍落自流因素，混凝土输送管端部高度至少高于开挖轮廓线约3 m。观察孔选用DN80 mm钢管，端部高于开挖轮廓线180 cm(主要考虑回填混凝土厚度100 cm，土模外缘扩大30 cm，以及回填混凝土施工过程中塌腔顶部仍持续落渣，落渣高度平均按照50 cm考虑)[6]63-64。观察孔在回填混凝土施工过程中，兼有通气孔功能。

(4)形成止浆墙

各项工作准备完毕后，在安全区域K54＋917～K54＋916位置，利用挖机及人工辅助将坍塌体开挖一平台，将塌落土体装袋整齐码放堆筑注浆墙。在堆砌封闭严密后，采用C20喷射混凝土对码放的土袋进行封闭，防止后期注浆过程中出现漏浆现象。

(5)灌注混凝土

止浆墙完成后尽快实施灌注，避免塌腔顶部岩体受水软化再次发生大面积失稳。灌注混凝土标号不应低于C30，且可适当掺入早强剂。回填混凝土时先利用端头靠近掌子面的输送管进行回填，两侧同时对称灌注回填混凝土。每次灌注混凝土时注意观察预留在塌腔中部的观察孔，待流浆后停止灌注，封堵观察孔。利用预留在塌腔中部的输送管进行混凝土回填，直至靠近K54＋915位置观察孔流浆为止。

(6)吹砂形成缓冲层

待混凝土达到一定强度后，利用灌注孔以及观察孔管道向塌腔内吹送60 cm厚的细砂。每根管道根据各自位置确定一定的吹砂量，使得灌注混凝土背后的缓冲层厚度较为均匀。吹砂的主要目的是考虑该塌腔顶部较高，且持续受水作用影响，为防止后期顶部坍塌对该段的支护措施造成伤害，吹砂后使混凝土回填层顶部形成缓冲层，从而达到泄力作用。

(7)开挖、支护作业

为确保塌腔体回填混凝土与后方加固支护体系以及前方围岩形成整体，在K54＋917处，设φ108大管棚一环。管棚长15 m，以3°～5°仰角施作，环向间距40 cm，施作范围为环向180°。注浆采用水泥浆液，水灰比1∶1，注浆压力为初压0.5～1.0 MPa、终压2 MPa。开挖选用预留核心土开挖法，开挖后及时施作钢支撑。K54＋915～K54＋908段钢架调整为 20型钢，间距设为0.5 m/榀，钢筋网、喷射混凝土等参数按照Ⅴ类围岩相关参数执行；K54＋908～K54＋898段，设 16型钢钢架，钢架间距设为1 m/榀，钢筋网、锚杆、喷射混凝土等参数按照Ⅴ类围岩相关参数执行。

(8)二次衬砌

二次衬砌应在初支后尽快施作。衬砌支护参数应考虑该塌方两侧的影响段，K54＋922～K54＋898段二次衬砌断面采用Ⅳ类衬砌断面尺寸，将主筋间距由33.3 cm调整至20 cm。

6 安全注意事项

(1)及时对塌方区地表进行踏勘，分析并设置观测点。针对洞内塌方段的拱顶下沉以及周边支护结构情况加密监控点，实施24 h不间断高频次监测，认真做好信息反馈。如发现异常数据及时记录并上报，由专业技术人员分析并指导现场作业。

(2)处理施工前应及时做好安全技术交底，并派专职安全员现场监管，所有操作流程按照既定的审批方案实施。

(3)分析、判断塌方段顶部受裂隙水影响的程度，并及时对该段失稳破坏区域采取有效措施，防止累进性破坏持续发展。针对此类持续性塌方现象，必须及时施作二次衬砌，并合理布设监测断面，以确保衬砌结构的整体安全[3]38。

(4)对塌方段前方地质围岩进行全面分析、评估，结合岩体受水软化、溶解程度制定开挖方式以及循环进尺，并结合超前地质预报以及红外探水措施，提前了解前方地质条件和裂隙水分布情况，及早做出应对措施以及应急预案。

7 结束语

隧道塌方处理措施并非一成不变，但“以人为本、安全为重、因地制宜”的宗旨却不会改变，这对塌方处理的实时性、实用性提出更高要求。始终坚持以“先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则开挖施工，尽可能避免塌方。“土模法”能够将应对措施与现场情况相结合，不需要人员暴露在危险区域[6]64，能够快速、安全地解决持续性塌方段落的支护问题，且能够有效控制塌方的程度，间接加快了施工速度，无论在安全、效率，还是经济方面更具合理性。建议在今后施工中遇到类似连续性、持续性的复杂地质段落和断裂带优先考虑采用该方法。