大同市马蹄山输水隧洞5号支洞塌方处理

吴叶菲

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

大同市天阳盆地地下水置换工程马蹄山输水隧洞，起点位于阳高县东小村镇西营村南约1.0 km处的西营储水池，终点位于天阳盆地西南部滴滴水村南的管线末端调节阀室，输水隧洞总长13.63 km。其中5号支洞开挖断面为“城门洞”型，洞长404.94 m，底宽4.0 m，高3.63 m，直墙段高2.3 m，设计纵坡11.104%，为土洞掘进。

塌方段桩号0+232.5—0+240段，塌方长度约8 m，塌方空腔沿设计开挖轮廓线顶部塌落高度约8 m，左、右两侧约4.5～6 m，按照现场塌腔断面量测，塌方空腔体积约856 m3。见图1。

图1 塌方段立面示意图

2 塌方原因与处理方案

2.1 工程地质

塌方段（桩号0+232.5—0+240），围岩类别为Ⅴ类围岩（土洞），围岩性质为第四系上更新统洪积低液限粘土、低液限粉土夹砂层。塌方前掌子面土层为褐黄色，可塑状，起拱以上为约1 m厚的松散中细砂层，砂层之上为低液限粉土，质地疏松。

该洞段处于地下水位以下，在施工过程中，桩号0+130处出现渗水，并随着掘进里程增加而增大。

2.2 塌方原因分析

2.2.1 渗透水流的影响

在渗透水流作用下，砂层不断地被水流冲蚀、淘蚀，洞顶上方形成空腔，并随着冲蚀不断扩大，空腔上方持续有较大土块坠落，导致一次支护的钢拱架被砸坏。

2.2.2 不良地质因素的影响

塌腔顶部的褐色低液限粘土中，分布3～15 mm宽的黄色条带（不同颜色，说明不是褐色低液限粘土本体，而是上方的黄色土充填其中），其中沿洞轴向的“X”形土体节理，交角约20°，锐角平分线向洞轴线偏右约15°，塌落块体可见细微擦痕。

分析上述现象，节理可能是土体受压所形成。这些节理在比较密实均匀的土层中起到了切割分离的作用，致使原本比较均匀密实的土层不断地产生大块土体坍塌（塌落土块体积约0.4～1.0 m3，呈方形），形成大规模的塌方，之后几天渗水明显增大，渗水通道进一步打通。

2.3 塌方处理原则

（1）安全性：确保施工安全和后期车辆运输安全；

（2）可操作性：充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平，并尽可能降低施工难度；

（3）灵活性：根据断面尺寸和形状，因地制宜合理选择施工方法；

（4）可连续性：兼顾塌方段前后施工方法的不同，能顺利地进行施工工艺转换；

（5）时间段：沉降处理周期越短越好；

（6）经济性：在保证安全、质量的前提下投入最节约。

2.4 施工技术参数

（1）空腔体填充材料为新型聚氨酯高分子发泡化灌材料，此种材料是针对密闭墙、隧洞冒顶、隧洞顶部塌方采用的一种方便、高效的化学填充材料，生成物为泡沫固化物，具有一定的抗压强度，随地质压力越大而气密性越高；在反应过程中，反应强度大，强力快速发泡成型，可堆积；是一种无毒、无味、无污染、无腐蚀性且阻燃的材料；施工简单方便、安全可靠，单方充填性价比高。主要特性见表1。

表1 新型聚氨酯高分子发泡化灌材料特性表

（2）新型聚氨酯高分子发泡化灌材料，充填空腔注浆压力为0.3～0.5 MPa；注浆管选用直径15 mm钢管，每节长度1～2 m，管与管之间丝扣连接，注浆管直接延伸到塌方体顶部1～2 m范围内，梅花型布置，间排距100 cm×100 cm。

（3）塌方空腔体充填完毕后，按照5号支洞设计断面进行一次支护。

3 施工方法

3.1 施工流程

施工准备。安装新型聚氨酯高分子发泡化灌材料充填设备，形成注浆系统。

钻孔。根据现场实际情况确定钻孔位置，采用TB 28风动钻机进行钻孔，孔径18 mm。

安装填充管。将直径15 mm填充管，用丝扣连接并固定在填充孔中，连接风管和料管形成一个填充系统。

填充新型聚氨酯高分子发泡化灌材料。新型聚氨酯高分子发泡化灌材料，分为A、B两种材料，按照1 000 kg发泡15 m3的比例标准，现场进行调试。调试完成后，将吸料管插入料筒底部，首先开启A料气动阀，当A料在出料口流出时关闭A料气动阀，开启B料气动阀，当B料在出料口流出时关闭B料气动阀；然后同时开启 A、B 料气动阀，按照充填 2∶1、加固 1∶1的比列调试A、B料的流量，当比例调试稳定后关闭A、B气动阀，迅速接入注射枪，将调配好的浆液利用注浆泵注入注浆孔内。

凝固。每次5000kg充填料填充结束后，待凝10～30min。

循环充填。待新型聚氨酯高分子发泡化灌材料浆液凝固后，进行循环填充，直到把整个空腔体填充满。

空腔体侧帮处理。顶部空腔体处理完毕后，对空腔体侧帮进行加固处理。用HZ-60挖掘机配合人工，把高度为2.3 m的14号工字钢和10号钢板，沿洞轴线方向两侧按照间距200 mm进行布置，在设计轮廓线外侧0.5 cm处，形成一个封闭圈，以阻挡淤泥，封闭圈里侧的淤泥人工进行清理，清理过程中保证排水作业正常工作。

一次支护。塌方空腔体填充完毕后，按照5号支洞设计断面和技术参数要求进行一次支护。

一次支护采用18号工字钢拱架，按照设计断面尺寸进行封闭式支护，间距50 cm；拱架之间采用直径20 mm联系筋进行加密，间距30 cm；拱架钢筋网片采用直径8 mm钢筋对顶部和侧帮进行布设，间排距200 cm×200 cm；拱架支护完毕后喷护混凝土，顶拱喷护厚度由原设计18 cm增加到30 cm，侧帮喷护混凝土厚度由原设计18 cm增加到68 cm。

3.2 进度计划和资源配置

3.2.1 进度计划

根据现场情况，5号支洞塌方段桩号0+232.5—0+240处理施工准备1 d，填充施工7 d，支护施工8 d，共计16 d。

3.2.2 材料计划

塌方段空腔体约856 m3，所用主要材料包括新型聚氨酯高分子发泡化灌材料、直径15 mm注浆管、18号、14号工字钢、直径20 mm、直径8 mm钢筋及混凝土原材料等。

3.2.3 施工设备

主要施工设备包括挖掘机1台、出渣车1台、装载机1台、20 m3空压机2台、混凝土喷射机1台、2ZBQ-8/16型气动高压双液注桨泵1台等。

3.3 质量标准和检查验收

5号支洞桩号0+232.5—0+240塌方段，空腔体约856 m3，填充材料选用新型聚氨酯高分子发泡化灌材填充，质量检验标准参照《煤矿充填密闭用高分子发泡材料》（AQ 1090-2011）执行。

塌方段钢拱架支护工序，对拱架材料规格、材质、制作、安装稳定性、垂直度、间距、轴线偏差、连接等项目严格按照《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL 176-2007）相关质量标准执行。

喷射混凝土工序对受喷面清理、混凝土性能、喷层厚度及均匀性、密实性、表面平整度及养护等项目，严格按照《水利水电工程施工质量检验与评定规程》（SL 176-2007）相关质量标准执行。

5号支洞桩号0+232.5—0+240塌方段处理检查验收，按照专项施工方案、合同文件技术条款规定及相关规范要求，对施工质量进行检查、校测和验收，验收合格后，进行后续工程施工。

4 结语

在地质情况复杂的隧洞施工中，应掌握详细的地质资料，同时针对不同地质情况制定洞挖方案及支护措施，防止因制定措施不当和冒进施工造成塌方；洞室塌方时不能冒然出渣，应视实际情况尽快对塌方部位进行表面封闭，保持其自结稳定性，同时减少扰动次数，避免二次塌方；塌腔处理完毕后，及时跟进一次支护，保证该段围岩稳定安全。