泉州市引調(diào)水工程黃塘隧洞塌方原因與處理措施分析

秦志國(guó)

(泉州水務(wù)工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概況

泉州引調(diào)水工程系惠女至菱溪、黃塘引調(diào)水工程，從水源較豐富的惠女水庫(kù)引水入供水壓力較大的菱溪水庫(kù)和黃塘鎮(zhèn)，優(yōu)化區(qū)域水資源配置格局，工程輸水線路總長(zhǎng)40.121km，總投資7.68億人民幣。其中黃塘段隧洞長(zhǎng)1.850km(樁號(hào)范圍為ZH10+360.216-ZH12+210.671),設(shè)計(jì)輸水流量為2.89m3/s，隧洞開(kāi)挖斷面采用馬蹄形，為平底圓形，開(kāi)挖洞徑2.8m，襯后洞徑2.0m。開(kāi)挖底寬2.4m，隧洞采用不襯砌(I、II類圍巖)、噴混凝土襯砌(III類圍巖)和鋼筋混凝土襯砌(IV、V類圍巖)三種型式。

2019年4月初，黃塘隧洞開(kāi)挖至樁號(hào)ZH11+478后，洞內(nèi)發(fā)生塌方和冒頂，在地表形成一個(gè)直徑約18m，深度約6m的近方形坍坑，位于隧洞塌方段上方的山圍塘庫(kù)水沿坍坑下泄而干涸，見(jiàn)圖1。

2 隧洞塌方段工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)背景

泉州市位于閩東南地區(qū)，西北部大地構(gòu)造單元屬于閩東火山斷拗帶，主要分布上侏羅統(tǒng)-白堊系中性、酸性火山巖，地勢(shì)較高，多為中低山、丘陵地貌，地質(zhì)構(gòu)造以斷裂為主，北東向的福安-南靖斷裂帶經(jīng)過(guò)本區(qū)；東南部屬閩東南濱海斷隆帶，地層巖性主要為燕山期花崗巖、動(dòng)力變質(zhì)巖，地勢(shì)較低，地形起伏高差不大，地貌由丘陵地貌向沿海過(guò)渡為殘坡積臺(tái)地、沖淤積平原，北東向的長(zhǎng)樂(lè)-詔安斷裂帶和北西向的永安-晉江斷裂帶經(jīng)過(guò)本區(qū)。

圖1 坍坑地表全貌

2.2 隧洞工程地質(zhì)特征

泉州市引調(diào)水工程處于閩東火山斷拗帶和閩東南濱海斷隆帶交接地帶，引水隧洞塌方段位于惠安縣黃塘鎮(zhèn)壩嶺村東部，屬于剝蝕殘丘地貌，地面起伏不大，地表高程50-65m，隧洞塌方段上方發(fā)育一淺緩沖溝，沖溝流水方向?yàn)楸睎|至南西，其下游為一山圍塘，蓄水約2.0萬(wàn)m3，隧洞開(kāi)挖方向?yàn)镹E36.31°，大角度交沖溝從山圍塘庫(kù)尾穿過(guò)，埋深約25m，隧洞上方處的山圍塘水深2.0m左右

根據(jù)鉆孔揭示，隧洞上覆巖土層為：①砂質(zhì)黏土：灰褐色，以黏性土為主，含砂量較高，揭露厚度2.3m；②礫砂：褐黃色，稍密，以中粗砂為主，含約35%的礫粒，揭露厚度2.6m；③全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖：灰褐色、褐黃色，巖芯呈散體狀、砂土狀，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，主要成分為石英砂、高嶺土、及未完全風(fēng)化的長(zhǎng)石等，厚度5.9m；④強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖：灰褐色、灰黑色，巖芯呈碎塊狀，鐵錳質(zhì)侵染，常夾風(fēng)化輝綠巖脈；⑤弱風(fēng)化-微風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖：灰白色，巖石呈短柱狀、長(zhǎng)柱狀，花崗結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙局部較發(fā)育，部分被鐵錳質(zhì)浸染。

根據(jù)注(壓)水試驗(yàn)：砂質(zhì)黏土滲透系數(shù)K=1.25.00×10-4-9.75×10-5cm/s，屬弱透水性-中等；礫砂滲透系數(shù)K=7.50×10-3-5.26×10-2cm/s，屬于中等-強(qiáng)透水性；全風(fēng)化花崗巖滲透系數(shù)K=8.50×10-5-9.78×10-5cm/s，屬于弱透水性；強(qiáng)風(fēng)化巖透水率q=54.0Lu，呈中等透水性；弱風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖-微風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖透水率q=2.20-8.75Lu，為弱透水性。

二長(zhǎng)花崗巖屬于燕山早期侵入巖，呈肉紅色、灰白色，粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。全風(fēng)化巖下限埋深10.8-14.1m，強(qiáng)風(fēng)化巖下限埋深13.9-25.3m，洞身圍巖為弱風(fēng)化-微風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖，塌方段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖為主，巖體破碎，圍巖分類屬于V類。

根據(jù)工程地質(zhì)平面測(cè)繪，隧洞塌方段地表除山塘外，大部分為叢林，為沖坡積砂質(zhì)黏土、殘積土夾風(fēng)化孤石等覆蓋，未見(jiàn)基巖出露，未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造行跡。受區(qū)域構(gòu)造影響，隧洞內(nèi)北東向、北西向的節(jié)理裂、隙比較發(fā)育。根據(jù)洞內(nèi)ZH11+480(塌方時(shí)掌子面為ZH11+478)-ZH11+530的地質(zhì)編錄成果，該段共量測(cè)節(jié)理裂隙35條，結(jié)構(gòu)面多平直粗糙或平直光滑，閉合-微張，多無(wú)充填物和鐵錳質(zhì)侵染，走向以北東向、北西向和北西西向?yàn)橹?，以高傾角為主，少數(shù)為中緩傾角(節(jié)理統(tǒng)計(jì)玫瑰花圖見(jiàn)圖2、圖3)。其中，ZH11+485-ZH11+530總體上巖體節(jié)理、裂隙不發(fā)育，但局部夾風(fēng)化裂隙，至掌子面節(jié)理增多，頂拱變?yōu)闊o(wú)序狀。

掌子面前方發(fā)育一斷裂帶(F)，呈北西-南東向，與洞軸線大角度相交，沿山圍塘下游延伸，產(chǎn)狀為60°∠57°，斷裂帶內(nèi)充填斷層泥、糜棱巖、碎裂巖和風(fēng)化輝綠巖巖脈，總寬3.0m左右。

圖2 走向玫瑰花圖

圖3 傾向玫瑰花圖

2.3 水文地質(zhì)情況

根據(jù)1:20萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(泉州幅)水文資料，該段地下水類型主要為塊狀裂隙水和塊狀加層狀裂隙水，地下水徑流模數(shù)為0.34-6.56L/s·km2，屬于貧水區(qū)段。隧洞上覆沖、坡殘積層和全風(fēng)化巖中主要為孔隙水，由大氣降水和地表徑流補(bǔ)給；圍巖中的斷裂破碎帶(F)屬壓扭性斷裂，斷裂旁側(cè)的裂隙閉合-微張，賦水性差，也未形成滲漏通道，樁號(hào)ZH11+485-ZH11+530未見(jiàn)洞內(nèi)滲水。

3 塌方原因分析

3.1 塌方過(guò)程

隧洞施工至樁號(hào)ZH11+485時(shí)，洞內(nèi)地質(zhì)編錄顯示圍巖為微風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整，施工方按照III類圍巖光面爆破繼續(xù)施工，隨后圍巖開(kāi)始逐漸出現(xiàn)風(fēng)化裂隙增多、風(fēng)化程度加大、滴水等現(xiàn)象，施工方為了保證工程進(jìn)度，繼續(xù)施工至塌方掌子面ZH11+478，頂拱出現(xiàn)線狀滴水，掌子面右側(cè)拱部出露灰褐色破碎巖塊，并伴有涌水和流砂現(xiàn)象，施工方即停止施工，開(kāi)始噴射混凝土封堵掌子面，但未能有效封堵。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的涌水和流砂，洞內(nèi)掌子面突然出現(xiàn)了塌方和冒頂，在掌子面上方地表形成了一個(gè)如圖1所示的坍坑。

3.2 塌方原因分析

1)斷裂作用是塌方的基本條件：

引水隧洞塌方段巖性為粗粒肉紅色、灰白色二長(zhǎng)花崗巖，隧洞洞軸線開(kāi)挖方向?yàn)镹E36.31°，塌方前掌子面右拱頂出露斷裂帶(F)，產(chǎn)狀為60°∠57°，斷裂帶內(nèi)充填斷層泥、糜棱巖和碎裂巖，并有輝綠巖脈沿?cái)嗔沿炄?。該斷裂帶走向通往山圍塘?kù)區(qū)，總寬約3m，呈全風(fēng)化-強(qiáng)風(fēng)化，穩(wěn)定性極差，是發(fā)生塌方事故的主要地質(zhì)體(塌方段工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖4)。

圖4 塌方段工程地質(zhì)剖面圖

受斷裂影響，臨近掌子面約5m處節(jié)理裂隙開(kāi)始增多，風(fēng)化程度增強(qiáng)漸變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化，巖體呈黃褐色，頂拱發(fā)育緩傾角和近水平風(fēng)化裂隙帶。隧洞洞軸線開(kāi)挖方向?yàn)镹E36.29°，掌子面附近結(jié)構(gòu)面主要為: ①190°∠8°，傾向掌子面外，成組發(fā)育在頂拱；次為②272°∠51°，成組發(fā)育在左側(cè)墻和頂拱。這兩組結(jié)構(gòu)面均位于斷裂帶F的下盤，屬于F斷裂帶旁側(cè)伴生裂隙，指示F斷裂帶為右旋斷裂，該斷裂帶經(jīng)歷多次活動(dòng)，后期上盤向下、向右錯(cuò)動(dòng)。

2)滲透破壞和圍巖變形是塌方的根本原因：

引水隧洞塌方段由于存在斷裂帶(F)，圍巖屬于極不穩(wěn)定的V類圍巖，在臨近斷裂帶約5m范圍內(nèi)裂隙、節(jié)理開(kāi)始增多，逐漸密集，巖石的風(fēng)化程度也由弱風(fēng)化-微風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化，施工方仍未按地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求提前采取超前支護(hù)、封堵滲流等措施，為了趕進(jìn)度，繼續(xù)采用爆破掘進(jìn)至塌方前的掌子面，將斷裂帶下盤的巖石部分挖除，使斷裂帶的破碎巖石懸空，失去支撐，增加了圍巖的不穩(wěn)定程度；爆破震動(dòng)促使原來(lái)閉合的節(jié)理、裂隙張開(kāi)和斷裂帶構(gòu)造巖松動(dòng)而打通了滲水通道，隧洞上方的山圍塘庫(kù)水“乘隙而入”，導(dǎo)致塌方。

3)地下水及地表水共同作用是塌方重要因素：

斷裂帶F為壓扭性斷裂，碎裂巖等構(gòu)造巖多由斷層泥膠結(jié)，斷裂帶旁側(cè)的裂隙、節(jié)理呈閉合狀態(tài)為主，滲透性差；山圍塘下臥全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖為弱透水性，其滲透系數(shù)10-6-10-5cm/s，厚度約6m，起相對(duì)隔水層的作用，故隧洞塌方前庫(kù)水未與斷裂帶F聯(lián)通發(fā)生滲漏而保持穩(wěn)定的庫(kù)水位。由于隧洞施工采用爆破方式，斷裂帶及其旁側(cè)的裂隙受震動(dòng)開(kāi)裂，形成滲水通道，庫(kù)水下滲發(fā)生土的滲透變形，全風(fēng)化巖的滲透變形為流土型，斷裂破碎帶則以管涌型為主，最終導(dǎo)致隧洞塌方、冒頂，形成坍坑，山圍塘庫(kù)水流淌殆盡，見(jiàn)圖1[1-3]。

4 塌方處理措施分析

4.1 處理方案

根據(jù)塌方形成的原因，處理方案體現(xiàn)在控制滲流和加固圍巖上，采取的措施為鉆孔灌漿和開(kāi)挖時(shí)強(qiáng)支護(hù)。

1)塌方體采用鉆孔灌漿法加固：

塌方處理具體為：首先在山圍塘塌陷的位置回填黏土后(不壓實(shí))采用水泥漿進(jìn)行鉆孔灌漿，灌漿范圍為樁號(hào)ZH11+465-ZH11+485，沿洞軸線兩側(cè)各布設(shè)3排灌漿孔，排距為2m，孔距為3m，采用梅花型布置，分2序施工，鉆孔灌漿深度為25m，至隧洞洞頂。造孔采用XJ-100A型鉆機(jī)，開(kāi)孔直徑110mm，終孔直徑75mm，采用干法造孔，成孔后投入塑料花管，自上而下分段灌漿，段長(zhǎng)4-6m，灌漿壓力在孔口控制為0.05MPa,瞬時(shí)灌漿控制壓力為0.1MPa，讓水泥漿充填裂隙、孔洞，在松散土體中起充填灌漿作用，在裂隙發(fā)育的巖體和斷裂破碎帶中起固結(jié)灌漿作用；在灌漿的同時(shí)，對(duì)隧洞塌方體滲、流水進(jìn)行不間斷地抽排塌方體流水，以降低塌方體含水量，并對(duì)洞內(nèi)因塌方而產(chǎn)生的流泥、流砂進(jìn)行人工清理，清淤方量按山圍塘的塌陷量估算，約為 1500m3。

通過(guò)灌漿措施，一方面將裂隙和孔洞中地下水?dāng)D出，降低了塌方體的含水率；一方面水泥漿形成的固結(jié)體穿插于塌方體中，提高了巖土體的整體性和力學(xué)強(qiáng)度。

2)在塌方段采取強(qiáng)支護(hù)施工方案：

塌方段灌漿完工15d并經(jīng)分析、評(píng)價(jià)達(dá)到預(yù)計(jì)的加固效果后，再?gòu)臉短?hào)ZH11+478位置往上游長(zhǎng)約20m范圍內(nèi)隧洞采取強(qiáng)支護(hù)方案。為了便于及時(shí)支護(hù)作業(yè)，塌方段的開(kāi)挖斷面由馬蹄形調(diào)整為城門洞型。初期支護(hù)采用超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管為φ63(d=5mm)無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度6m，布置于隧洞開(kāi)挖輪廓線的拱頂，拱頂小導(dǎo)管上傾(外傾)15度布孔，小導(dǎo)管環(huán)向凈間距為10cm。并沿著隧洞輪廓線布置工18型鋼拱架，間距為40cm/榀。在超前注漿小導(dǎo)管和工18型鋼拱架施工完后，進(jìn)行隧洞開(kāi)挖，隧洞開(kāi)挖進(jìn)尺深度控制在2.0m以內(nèi)，并及時(shí)進(jìn)行C25鋼筋混凝土襯砌，厚40cm。

4.2 灌漿加固和強(qiáng)支護(hù)效果評(píng)價(jià)

4.2.1 灌漿加固效果

1)塌方段灌漿結(jié)束15d后水泥漿已基本凝固，在塌方體共布置工程地質(zhì)鉆孔3個(gè)進(jìn)行注(壓)水試驗(yàn)，沿洞軸線布置，間距6m，共進(jìn)行注(壓)水試驗(yàn)9段次。其中，在全風(fēng)化巖和土狀斷裂帶注水5段，滲透系數(shù)K=7.45×10-6-4.42×10-5cm/s；碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖和斷裂破碎帶壓水試驗(yàn)4段，透水率q=4.0-9.5(Lu)，均呈弱透水性，灌漿有效地封堵了滲漏通道，提高了塌方體的防滲性能。

2)經(jīng)觀察，塌方體底部的滲流、流土消失，灌漿有效地降低了塌方體的含水率。

3)在新的掌子面見(jiàn)有水泥固結(jié)體呈囊狀、不規(guī)則網(wǎng)狀、樹(shù)枝狀分布，提高了塌方體的整體性和強(qiáng)度。

4.2.2 強(qiáng)支護(hù)效果

經(jīng)過(guò)60d的奮戰(zhàn)，施工方順利打通塌方體，按設(shè)計(jì)要求完成了圍巖襯砌。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)泉州市惠女至菱溪、黃塘引調(diào)水工程C3標(biāo)段后寮至黃塘隧洞ZH11+478處塌方事故是由于存在斷裂破碎帶、施工未提前采取防護(hù)措施并造成斷裂帶連通地表水體造成的。

2)采用鉆孔灌漿加固塌方體，采取強(qiáng)支護(hù)方案進(jìn)行塌方段施工獲得成功，表明塌方處理措施的有效性和合理性。

3)斷裂帶旁側(cè)往往節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，風(fēng)化程度增強(qiáng)，有利于地質(zhì)危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)，隧洞施工可根據(jù)預(yù)判結(jié)果采取超前措施，做好支護(hù)和地下水封堵工作，避免塌方事故發(fā)生。

4)隧洞施工過(guò)程中應(yīng)加倍重視地下水和地表水的不良影響，采取有效措施防患于未然。