引漢濟渭5號隧洞持續(xù)塌方整治對策

王建偉

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 工程概況

陜西省引漢濟渭調(diào)水工程是針對關(guān)中地區(qū)缺水問題修建的省內(nèi)南水北調(diào)工程骨干調(diào)水線路，也是陜西省委、省政府提出的“兩引八庫”重點水源工程之一。工程地跨黃河、長江兩大流域，穿越秦嶺屏障，主要由黃金峽水庫、三河口水庫、秦嶺輸水隧洞組成。秦嶺輸水隧洞是整個引水工程的咽喉，全長81.779 km，設(shè)計流量70 m3/s，多年平均輸水量15.0億m3。隧洞平均坡降約1/2 500，采用鉆爆法＋2臺TBM法施工，工期5.5年[1]。

2 項目工程地質(zhì)及水文資料

(1)工程地質(zhì)

工區(qū)范圍內(nèi)主要涉及地層為石炭系下統(tǒng)二峪河組千枚巖、炭質(zhì)千枚巖，泥盆系上統(tǒng)劉嶺群桐峪寺組千枚巖、變質(zhì)砂巖，泥盆系中上統(tǒng)劉嶺群青石埡組千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、變質(zhì)砂巖，泥盆系中統(tǒng)劉嶺群池溝組變質(zhì)砂巖，泥盆系羅漢寺巖組千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、變質(zhì)砂巖，下古生界羅漢寺巖組千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、石英片巖，以及斷層碎裂巖、糜棱巖、斷層角(泥)礫。

(2)水文資料

工點處地表水較發(fā)育，主要有虎豹河、柳林河、王家河、干溝，為常年流水溝，水量較大，水量隨季節(jié)性變化較大，夏季有山洪暴發(fā)，主要受大氣降水補給。該段地下水為基巖裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給，水質(zhì)良好，對混凝土無侵蝕性。其中K52＋500～K55＋700段位于弱富水區(qū)(Ⅲ)，正常涌水量為1 120 m3/d。

3 塌方段情況描述

隧洞向小里程端施工K54＋914.8～K54＋912.8(進尺為2 m)段落后，拱頂位置2 m(縱向)×5 m(環(huán)向)范圍出現(xiàn)大面積滲漏水。該段原設(shè)計圍巖為Ⅳ類，巖性為泥盆系中上統(tǒng)劉嶺群青石埡組千枚巖夾變質(zhì)砂巖。實際開挖巖性主要為千枚巖，少量變質(zhì)砂巖，片理發(fā)育，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，節(jié)理發(fā)育，巖體呈碎塊狀。地下水發(fā)育，多處線狀滴水，面狀流水和小股狀涌水，出水量約400 m3/d。該段巖體受水流浸泡而軟化，形成剝落狀滑塌。為防止掌子面巖體受水流影響發(fā)生大面積坍塌，現(xiàn)場立即對該施工段噴射10 cm厚C25混凝土予以封閉。但在后續(xù)出渣過程中，掌子面右上方發(fā)生坍塌，塌腔尺寸縱向約5 m(K54＋915～K54＋910)，環(huán)向約6 m，高約5 m。落石將后方里程K54＋915位置鋼拱架損壞，塌腔頂部仍未穩(wěn)定，持續(xù)受裂隙水影響，頂部巖體軟化坍塌。在加固塌腔后方進行支護時，該塌腔再次發(fā)生塌方，整體塌腔向掌子面左上部延伸，塌腔環(huán)向約10 m，縱向約7 m，高度約15 m。隧洞開挖輪廓線內(nèi)全部被渣體填滿，頂部仍不穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 塌方區(qū)現(xiàn)場照片

4 TBM施工造成塌方的原因分析

(1)主觀因素

該塌方段落出現(xiàn)滲漏水時，現(xiàn)場技術(shù)人員未能夠及時、準(zhǔn)確判斷千枚巖受水影響軟化速度[2]。雖然對掌子面進行噴射混凝土封閉，但并沒有對裂隙水進行集中排放處理，臨時封閉措施未充分考慮隧道頂部千枚巖長時間遇水軟化后的自身重量，致使支護抵抗力不足以承受軟化后土體重量，從而發(fā)生坍塌。

(2)客觀因素

千枚巖因其物理力學(xué)參數(shù)低，在富水區(qū)極易受裂隙水影響造成巖體結(jié)構(gòu)破壞，從而影響巖體強度和形態(tài)。該塌方發(fā)生在掌子面爆破完成后，巖體整體上還能夠自穩(wěn)，但右上方的股狀水是塌方主要誘因。由于該段巖體呈破碎狀，股狀水將巖體裂隙間膠合物攜帶流失，水系通道越來越寬，水量增大。千枚巖浸水飽和后，單軸抗壓強度損失較多，致使其軟化系數(shù)變小，加之遇水軟化的特性[3]，在裂隙水的誘發(fā)下，加快了軟化、泥化速度，使圍巖整體性不斷變差，最終導(dǎo)致大塌方。

5 塌方處理原則及措施

5.1 塌方處理原則

(1)該類塌方為持續(xù)性坍塌，且腔體內(nèi)巖體持續(xù)受裂隙水軟化、泥化。首先應(yīng)對鄰近穩(wěn)定段落支護措施進行加強，以應(yīng)對不斷墜落的巖體重力沖擊[4-5]。

(2)考慮塌腔頂部圍巖仍為不穩(wěn)定因素，常規(guī)清渣處理安全風(fēng)險較大。所以，因地制宜，充分利用現(xiàn)有坍塌體形成聯(lián)合防護體系，為預(yù)處理措施提供安全性和便利性[6]63。

5.2 施工工藝流程

為確保安全，針對塌方整治的隱患及難點，經(jīng)多方共同商定、集思廣益，制定出塌方處理工序流程圖，見圖2。

圖2 塌方區(qū)處理工序流程

5.3 塌方整治對策

施工剖面如圖3所示，塌方具體整治措施如下[7-12]:

圖3 塌方區(qū)施工剖面示意

(1)加固穩(wěn)定段落及封閉不穩(wěn)定塌腔體圍巖

由于塌腔體內(nèi)巖體持續(xù)受裂隙水影響，塌腔頂部圍巖仍不穩(wěn)定，對周邊巖體影響程度較難預(yù)估。在處理該段塌方時，應(yīng)先對鄰近K54＋922～K54＋915支護體系進行加強，由原設(shè)計鋼拱架間距1.8 m/榀調(diào)整為0.6 m/榀間距進行補強。然后待頂部塌方基本穩(wěn)定后，在保證人員安全前提下，采用鋼纖維噴射混凝土對塌腔內(nèi)可噴射范圍內(nèi)巖面進行封閉，有必要時可對裂隙水進行集中排放，避免巖體持續(xù)軟化。

(2)利用塌方渣體做土模

因塌腔高度較大、范圍較廣，為確保施工安全，本著因地制宜原則，最大限度利用現(xiàn)有資源，采用長臂挖機對塌方體頂部進行修飾，形成土模。土模周邊盡量圓順、密實。土模施工控制要點:第一，修飾后的渣體輪廓要比開挖線至少外放30 cm，擴大的空間主要考慮灌注混凝土過程中自由堆積的渣體密實度發(fā)生變化，所預(yù)留空間主要是保證灌注混凝土不至于侵入初期支護限界[6]64；第二，土模頂面軸線向掌子面方向按照5%放坡，以確保灌注混凝土能夠利用坡度回流。

(3)預(yù)埋管道

土模外緣修飾完畢后，在其頂面分兩排環(huán)向布設(shè)DN80 mm混凝土輸送管，環(huán)向間距100 cm，其中一排輸送管的端部置于塌腔中部，一排靠近掌子面，輸送管與K54＋915處鋼拱架焊接固定。為確?；靥罨炷梁穸却笥? m，同時考慮混凝土坍落自流因素，混凝土輸送管端部高度至少高于開挖輪廓線約3 m。觀察孔選用DN80 mm鋼管，端部高于開挖輪廓線180 cm(主要考慮回填混凝土厚度100 cm，土模外緣擴大30 cm，以及回填混凝土施工過程中塌腔頂部仍持續(xù)落渣，落渣高度平均按照50 cm考慮)[6]63-64。觀察孔在回填混凝土施工過程中，兼有通氣孔功能。

(4)形成止?jié){墻

各項工作準(zhǔn)備完畢后，在安全區(qū)域K54＋917～K54＋916位置，利用挖機及人工輔助將坍塌體開挖一平臺，將塌落土體裝袋整齊碼放堆筑注漿墻。在堆砌封閉嚴(yán)密后，采用C20噴射混凝土對碼放的土袋進行封閉，防止后期注漿過程中出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。

(5)灌注混凝土

止?jié){墻完成后盡快實施灌注，避免塌腔頂部巖體受水軟化再次發(fā)生大面積失穩(wěn)。灌注混凝土標(biāo)號不應(yīng)低于C30，且可適當(dāng)摻入早強劑?；靥罨炷?xí)r先利用端頭靠近掌子面的輸送管進行回填，兩側(cè)同時對稱灌注回填混凝土。每次灌注混凝土?xí)r注意觀察預(yù)留在塌腔中部的觀察孔，待流漿后停止灌注，封堵觀察孔。利用預(yù)留在塌腔中部的輸送管進行混凝土回填，直至靠近K54＋915位置觀察孔流漿為止。

(6)吹砂形成緩沖層

待混凝土達到一定強度后，利用灌注孔以及觀察孔管道向塌腔內(nèi)吹送60 cm厚的細砂。每根管道根據(jù)各自位置確定一定的吹砂量，使得灌注混凝土背后的緩沖層厚度較為均勻。吹砂的主要目的是考慮該塌腔頂部較高，且持續(xù)受水作用影響，為防止后期頂部坍塌對該段的支護措施造成傷害，吹砂后使混凝土回填層頂部形成緩沖層，從而達到泄力作用。

(7)開挖、支護作業(yè)

為確保塌腔體回填混凝土與后方加固支護體系以及前方圍巖形成整體，在K54＋917處，設(shè)φ108大管棚一環(huán)。管棚長15 m，以3°～5°仰角施作，環(huán)向間距40 cm，施作范圍為環(huán)向180°。注漿采用水泥漿液，水灰比1∶1，注漿壓力為初壓0.5～1.0 MPa、終壓2 MPa。開挖選用預(yù)留核心土開挖法，開挖后及時施作鋼支撐。K54＋915～K54＋908段鋼架調(diào)整為 20型鋼，間距設(shè)為0.5 m/榀，鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等參數(shù)按照Ⅴ類圍巖相關(guān)參數(shù)執(zhí)行；K54＋908～K54＋898段，設(shè) 16型鋼鋼架，鋼架間距設(shè)為1 m/榀，鋼筋網(wǎng)、錨桿、噴射混凝土等參數(shù)按照Ⅴ類圍巖相關(guān)參數(shù)執(zhí)行。

(8)二次襯砌

二次襯砌應(yīng)在初支后盡快施作。襯砌支護參數(shù)應(yīng)考慮該塌方兩側(cè)的影響段，K54＋922～K54＋898段二次襯砌斷面采用Ⅳ類襯砌斷面尺寸，將主筋間距由33.3 cm調(diào)整至20 cm。

6 安全注意事項

(1)及時對塌方區(qū)地表進行踏勘，分析并設(shè)置觀測點。針對洞內(nèi)塌方段的拱頂下沉以及周邊支護結(jié)構(gòu)情況加密監(jiān)控點，實施24 h不間斷高頻次監(jiān)測，認(rèn)真做好信息反饋。如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)及時記錄并上報，由專業(yè)技術(shù)人員分析并指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

(2)處理施工前應(yīng)及時做好安全技術(shù)交底，并派專職安全員現(xiàn)場監(jiān)管，所有操作流程按照既定的審批方案實施。

(3)分析、判斷塌方段頂部受裂隙水影響的程度，并及時對該段失穩(wěn)破壞區(qū)域采取有效措施，防止累進性破壞持續(xù)發(fā)展。針對此類持續(xù)性塌方現(xiàn)象，必須及時施作二次襯砌，并合理布設(shè)監(jiān)測斷面，以確保襯砌結(jié)構(gòu)的整體安全[3]38。

(4)對塌方段前方地質(zhì)圍巖進行全面分析、評估，結(jié)合巖體受水軟化、溶解程度制定開挖方式以及循環(huán)進尺，并結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報以及紅外探水措施，提前了解前方地質(zhì)條件和裂隙水分布情況，及早做出應(yīng)對措施以及應(yīng)急預(yù)案。

7 結(jié)束語

隧道塌方處理措施并非一成不變，但“以人為本、安全為重、因地制宜”的宗旨卻不會改變，這對塌方處理的實時性、實用性提出更高要求。始終堅持以“先支護、后開挖、短進尺、弱爆破、快封閉、勤量測”的原則開挖施工，盡可能避免塌方。“土模法”能夠?qū)?yīng)對措施與現(xiàn)場情況相結(jié)合，不需要人員暴露在危險區(qū)域[6]64，能夠快速、安全地解決持續(xù)性塌方段落的支護問題，且能夠有效控制塌方的程度，間接加快了施工速度，無論在安全、效率，還是經(jīng)濟方面更具合理性。建議在今后施工中遇到類似連續(xù)性、持續(xù)性的復(fù)雜地質(zhì)段落和斷裂帶優(yōu)先考慮采用該方法。