東山供水工程土洞開(kāi)挖地質(zhì)災(zāi)害處理方法

劉 芳

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省東山供水工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

東山供水工程土洞開(kāi)挖地質(zhì)災(zāi)害處理方法

劉 芳1，2

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省東山供水工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

東山供水輸水線路施工五標(biāo)主要是在含砂低液限黏土中開(kāi)挖長(zhǎng)1.6km的隧洞，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，發(fā)生坍塌、劈幫、塌方、涌水、涌水泥沙、涌水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害的頻率較高。通過(guò)對(duì)東山五標(biāo)土質(zhì)隧洞地質(zhì)災(zāi)害的處理，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)土質(zhì)隧洞地質(zhì)災(zāi)害處理工藝進(jìn)行說(shuō)明，可為類似工程施工提供借鑒。

坍塌；涌水泥沙；涌水涌泥；地質(zhì)災(zāi)害處理；東山供水

1 工程概況

晉中東山供水工程輸水線路施工五標(biāo)9號(hào)隧洞總長(zhǎng)約2.273km（樁號(hào)YD7+205.94—YD9+478.86），為無(wú)壓輸水隧洞，隧洞坡度0.3‰，施工布置2條施工支洞，其中土質(zhì)隧洞全長(zhǎng)1623.865m，樁號(hào)YD7+ 651.185—YD9+275；石質(zhì)隧洞位于標(biāo)段結(jié)束兩端，長(zhǎng)649.075m。9號(hào)隧洞斷面形式為馬蹄形，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度300～400mm。

2 土質(zhì)隧洞地質(zhì)條件

該工程位于古河床上，土質(zhì)圍巖主要為第四系下更新統(tǒng)Q/1灰黑色淤泥質(zhì)含砂低液限黏土、級(jí)配不良砂層、粉土層和砂卵石層，且互層出現(xiàn)；濕—飽和，呈硬塑狀態(tài)，松散，地下水位位于洞頂以上，存在滲水或涌水現(xiàn)象，圍巖類別為Ⅴ類，洞頂及洞身主要以級(jí)配不良砂層為主，開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生塌方，圍巖極不穩(wěn)定，施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

3 地質(zhì)災(zāi)害成因

9號(hào)隧洞土質(zhì)段在開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，發(fā)生涌水、涌砂、涌泥地質(zhì)災(zāi)害的部位和成因主要分為以下3種。

3.1 涌水地質(zhì)災(zāi)害

根據(jù)土體構(gòu)成，本工程土體主要含水層為砂層和砂卵石層，因此涌水主要發(fā)生在含砂低液限黏土、粉土層構(gòu)成的不透水層之間的砂層和砂卵石層，涌水量的大小和規(guī)模受砂層和砂卵石的含水情況和厚度不同而有所差別。由于隧洞要穿越含水豐富的砂層和砂卵石層區(qū)域，隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中滲水水流從掌子面快速流出，形成涌水地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 掌子面周邊地質(zhì)災(zāi)害

土洞開(kāi)挖采用“分層、分區(qū)、預(yù)留核心土、預(yù)留保護(hù)層”的方法進(jìn)行。根據(jù)開(kāi)挖支護(hù)施工工藝，在上半部頂拱（起拱點(diǎn)以上部分）開(kāi)挖工程中，由于土體地質(zhì)條件較差，發(fā)生突發(fā)性涌水涌泥和涌水涌砂地質(zhì)災(zāi)害。

由于9號(hào)土隧洞段所處部位地質(zhì)條件較差，在開(kāi)挖過(guò)程中遭遇了不良地質(zhì)段（即含水層、含水含砂層和呈軟塑狀態(tài)的含水土層），開(kāi)挖支護(hù)施工時(shí)，由于開(kāi)挖改變了隧洞周邊土層的厚度及原有的受力結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致位于掌子面周邊的不良土層發(fā)生突發(fā)性涌水涌砂涌泥地質(zhì)災(zāi)害。

3.3 開(kāi)挖面與已支護(hù)完成面之間涌砂地質(zhì)災(zāi)害

由于土洞采用分層開(kāi)挖的施工方法，邊墻和底梁的開(kāi)挖支護(hù)要滯后上半部（頂拱）開(kāi)挖支護(hù)約2～3d。隧洞周邊的土層經(jīng)過(guò)上半部和邊墻開(kāi)挖支護(hù)擾動(dòng)后，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，加之洞內(nèi)滲水量較大，洞內(nèi)滲水沿著排水孔和支護(hù)噴混凝土與土層結(jié)合面進(jìn)行滲流，對(duì)隧洞周邊土體產(chǎn)生侵蝕，導(dǎo)致土體發(fā)生液化，在進(jìn)行邊墻和底板開(kāi)挖施工時(shí)，在開(kāi)挖面與支護(hù)完成面之間發(fā)生涌水涌泥、涌水涌砂地質(zhì)災(zāi)害。該類型地質(zhì)災(zāi)害具有規(guī)模小、速度慢、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，且受周邊土層特性影響較大。

4 處理方法

4.1 掌子面地質(zhì)災(zāi)害處理方法

4.1.1 涌水

在保證安全的情況下，當(dāng)用水量變小后，采用沙袋對(duì)涌水沖刷形成空腔進(jìn)行回填，然后快速進(jìn)行噴混凝土封閉和一次支護(hù)施工，在鋼支撐和沙袋之間鋪設(shè)一層土工布，并埋設(shè)排水花管，進(jìn)行噴混凝土施工，形成對(duì)水流的封閉和集中引排。對(duì)不易回填沙袋的部位，直接進(jìn)行預(yù)埋排水管，掛網(wǎng)噴混凝土封閉施工，然后進(jìn)行一次支護(hù)施工。排水管長(zhǎng)1.0m，前端花管用土工布包裹，防止水流帶走土體顆粒和沙粒，形成空腔。

4.1.2 涌水涌砂涌泥地質(zhì)災(zāi)害處理方法

首先采用沙袋進(jìn)行塌方涌泥坡腳反壓，并用直徑42mm，長(zhǎng)1.0m的小導(dǎo)管進(jìn)行固定，穩(wěn)定堆渣體。塌方穩(wěn)定后，根據(jù)掌子面涌水部位，布置長(zhǎng)4.0m，直徑42mm的小導(dǎo)管進(jìn)行掌子面內(nèi)滲水水流的引排，后期灌漿施工時(shí)，作為灌漿管對(duì)渣體和土體結(jié)構(gòu)進(jìn)行灌漿。排水管預(yù)埋后，根據(jù)情況進(jìn)行掌子面C20噴混凝土封閉，為保證封閉混凝土的強(qiáng)度和整體性，可對(duì)掌子面鋪設(shè)直徑8mm，間距150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)片，噴混凝土厚度以保證灌漿時(shí)不漏漿為宜，一般為15～20cm。涌水涌泥部位封閉后，采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔安裝42mm，長(zhǎng)3.0m的回填灌漿管，灌漿管設(shè)置排數(shù)和根數(shù)，根據(jù)涌水涌泥涌砂地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。灌漿管安裝后，噴射厚度10cm的C20混凝土，進(jìn)行灌漿管周邊封閉處理，噴混凝土前進(jìn)行噴混凝土面吹洗。

超前小導(dǎo)管注漿施工：采用從底部向頂拱，從外向里（向掌子面方向）的順序進(jìn)行回填灌漿施工，灌漿采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.5∶1～1∶1，灌漿壓力控制在0.2～0.3MPa之間。灌漿結(jié)束后，并待強(qiáng)12h以上，方可進(jìn)行后續(xù)開(kāi)挖支護(hù)施工。

涌水涌泥段灌漿處理結(jié)束后，在涌水涌泥處布設(shè)排水孔，并埋設(shè)PVC排水管進(jìn)行滲水引流，避免水流對(duì)周邊土體結(jié)構(gòu)的侵蝕和破壞，同時(shí)給后期施工埋下隱患，排水管采用土工布包裹。

塌方段處理采用114工字鋼，工字鋼之間的間距按50cm控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際揭露地質(zhì)狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)揭露圍巖面發(fā)生脫落掉塊或劈幫后，造成局部區(qū)域超挖嚴(yán)重，在該區(qū)域適當(dāng)加密施工直徑25mm的連系鋼筋和鋼筋網(wǎng)片，間距50cm。在塌方段下臺(tái)階開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)注意觀察已支護(hù)上臺(tái)階工字鋼是否變形，拱腳處開(kāi)挖時(shí)首先進(jìn)行試探性開(kāi)挖，并觀察起拱點(diǎn)是否存在涌水涌砂涌泥現(xiàn)象，若存在立即進(jìn)行噴混凝土封堵，并在拱腳處加打長(zhǎng)4.0m，直徑42mm的小導(dǎo)管進(jìn)行水灰比為0.5∶1的灌漿加固處理，處理完畢后進(jìn)行下半拱的后續(xù)施工。進(jìn)行涌水涌泥區(qū)邊墻和底板開(kāi)挖支護(hù)時(shí)，為避免涌水浸泡造成邊墻和底板預(yù)留保護(hù)層軟化，進(jìn)而導(dǎo)致拱架變形，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，必要時(shí)采用直徑102mm的普通焊管進(jìn)行支撐，抑制支撐體系收斂變形。

4.2 開(kāi)挖面與已支護(hù)完成面之間地質(zhì)災(zāi)害處理方法

首先對(duì)出口周邊的涌泥進(jìn)行清理，然后采用土工布和沙袋進(jìn)行涌泥口堵塞，再噴混凝土進(jìn)行封閉。噴混凝土要將出口覆蓋并和周邊結(jié)合緊密。

根據(jù)實(shí)際情況，判斷涌水涌泥涌砂形成的空腔，在涌泥出口上方已支護(hù)好的頂拱處，察看空腔大小，并利用缺口進(jìn)行噴混凝土回填空腔處理。對(duì)噴混凝土無(wú)法回填的較高部位，采取在頂拱處打直徑42mm，長(zhǎng)3m的超前小導(dǎo)管進(jìn)行頂部空腔回填灌漿，灌漿壓力0.2～0.3MPa。

回填灌漿結(jié)束后，待強(qiáng)10h以上進(jìn)行“分層、分區(qū)”試探性開(kāi)挖，確保不再發(fā)生涌水涌泥涌砂的前提下進(jìn)行大面積掘進(jìn)施工，掘進(jìn)進(jìn)尺控制在0.5m以內(nèi)。開(kāi)挖過(guò)程中，采用直徑102mm的普通焊管進(jìn)行支撐，抑制工字鋼支撐體系收斂變形。

5 安全穩(wěn)定性分析

5.1 處理過(guò)程中的安全穩(wěn)定性

處理過(guò)程中的安全穩(wěn)定性主要考慮施工區(qū)域內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和工字鋼支撐體系的穩(wěn)定性。

土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要通過(guò)以下方面加固：一是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害及其影響區(qū)進(jìn)行固結(jié)回填灌漿，改善周邊土體結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域周邊形成相對(duì)密實(shí)、完整性較好的土體結(jié)構(gòu)，增加施工區(qū)域內(nèi)土體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性；二是在處理過(guò)程中主要采用噴混凝土封閉掌子面的方法增加施工區(qū)域內(nèi)周邊土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足施工安全要求；三是在地質(zhì)災(zāi)害施工處理過(guò)程中采用直徑102mm的普通焊管進(jìn)行支撐，加固工字鋼支撐體系的穩(wěn)定性，確保施工安全；四是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域，快速進(jìn)行工字鋼底梁安裝和底部回填混凝土回填施工，盡早形成閉合的工字鋼支撐體系，確保隧洞工字鋼支撐體系的安全穩(wěn)定性。

5.2 處理后隧洞安全穩(wěn)定性

地質(zhì)災(zāi)害處理完成后，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域設(shè)置臨時(shí)觀測(cè)斷面，定期收集變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行回歸分析。目前，東山五標(biāo)土洞段監(jiān)測(cè)斷面的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變形量滿足《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工技術(shù)規(guī)范》及《錨桿噴射混凝土施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定。

6 結(jié)語(yǔ)

晉中東山供水工程輸水線路施工五標(biāo)土洞段地質(zhì)條件復(fù)雜，土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率高，采用上述方法處理涌水涌泥涌砂地質(zhì)災(zāi)害，取得了較好的效果，確保了發(fā)生涌水涌泥涌砂隧洞段處理后的安全和穩(wěn)定，保證了后期隧洞施工的順利進(jìn)行。

U453.6+1

C

1004-7042（2016）01-0026-02

劉芳（1988-），女，太原理工大學(xué)水利工程專業(yè)碩士研究生在讀。

2015-11-18；

2015-12-24