沈 晶，金学洋

（湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430070）

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程（以下简称鄂北工程）是从丹江口水库清泉沟隧洞引水,向湖北省北部的襄阳市、随州市和孝感市供水的大型调水工程,工程设计年引水量7.7 亿m3,设计供水人口482 万人,灌溉面积约363.5 万亩,输水线路总长269.67 km,沿线主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各类水闸等,其中输水隧洞共有55 座,总长119.43 km。

快活岭隧洞位于湖北广水市快活岭村东南方向约300 m,长1.16 km,布置于输水线路桩号242+250～243+410 段,为无压输水隧洞,隧洞设计引水流量3.5 m3/s,设计纵坡为1/9600,底板高程101.38 m～101.26 m,横断面为马蹄形,过水净尺寸为2.9 m×2.9 m（宽×高）。隧洞沿线地面高程113.00 m～134.00 m,相对高差21 m左右,为岗坡状地形,沿线山包植被发育。快活岭隧洞在桩号242+590～242+690段下穿水塘,塘内水深约为0.5 m,洞顶基岩及覆盖层厚度为9 m～15 m,埋深较小,约为3倍的开挖洞高,围岩类别为Ⅳ～Ⅴ类,自稳能力较差,开挖状态下易失稳[1]。

2 隧洞塌方过程及原因分析

2.1 洞内塌方过程

快活岭隧洞采用钻爆法开挖,施工至下穿水塘段前桩号242+600 时,已采用抽排的方式排干了洞顶水塘,塘底只剩局部含水的淤泥质土层,此段隧洞爆破施工每循环进尺控制为1.0 m。施工至桩号242+620 处,掌子面围岩岩性为白云钠长片麻岩,呈强风化状,围岩类别为Ⅳ类,在一循环出渣作业后立即进行钢拱架支护,当完成钢拱架支撑后正准备架设超前小导管时,发现掌子面渗水逐渐变大,拱顶部位有少许掉块,施工单位立即组织人员与机械撤离,随后掉块迅速加快直至洞顶出现塌方,经查勘地表塘内已基本无水,塘底出现裂缝及小范围的塌陷。从塌落下来的渣体看,围岩较为破碎,夹杂黑褐色粘土,经抽排洞内积水,推测渗流量约2 L/s。由于围岩自稳能力差,加之夏季阵雨频繁,有继续坍塌的趋势。

2.2 基本地质情况

工程区属秦岭褶皱系一级构造单元,快活岭隧洞位于桐柏-大别中间隆起带（二级）浆溪店-大贵寺复背斜（三级）大山口倒转复式向斜南西翼,两翼出露地层为元古界红安群七角山组（Pt1q）白云钠长片麻岩（图1）,核部地层为元古界红安群大山口组（Pt1d）硅质泥质条带微晶白云岩,宽约0.5 km～1.0 km,核部复式褶曲明显。轴面向S倒转,转折端在鹰咀山,产状为170°∠35°。北翼岩层倾角较陡,为70°～80°,南翼约50°。隧洞轴线方向角为S86°40'34"E,岩层片理产状225°～250°∠27°～36°,片理走向与洞线交角42°～67°。其中桩号242+590～242+690段下穿水塘,洞顶埋深12 m左右,其中地表覆盖层厚度约3 m,覆盖层主要为第四系残全新统坡积堆积粘土（Q4al）。洞顶基岩厚度仅为9 m,岩性为白云钠长片麻岩（Pt1q）,呈强风化状,岩体透水率q=13.22 Lv～60.15 Lv,为中等透水。

图1 隧洞浅埋段地形地质平面及地表灌浆孔布置示意图

2.3 塌方原因分析

隧洞塌方区地表处为水塘,虽然开挖前已抽水排干,但夏季阵雨较多,此处位置低洼,塘底极易汇水并向下渗入。洞顶覆盖层厚度较大、结构较为松散,围岩厚度小呈强风化状态,片麻岩岩层产状较缓、强度较差、遇水后易软化,在自重和水压力作用下,加之钻爆施工时的扰动导致分层失稳进而产生塌方,洞内坍塌物呈泥夹石状,主要来源于洞顶覆盖层及强风化基岩[2]。

3 处理措施

3.1 排水及掌子面封闭

首先在地表水塘附近设置安全警示标牌和防护围栏封闭现场,禁止非施工人员与车辆进入,然后在水塘四周布置临时截水沟,防止地面径流流入塘内。洞内先抽排积水并清理淤泥,然后在掌子面坍塌体处回填一定厚度的开挖石渣并压实,坡度不陡于1∶1,对堆渣体表面进行喷射10 cm厚C25 混凝土封闭,堆积体坡脚采用反压沙袋进行加固。

3.2 地表固结灌浆

待截排水完成且掌子面封闭砼强度达到70%左右后,在桩号242+615～242+700 段洞轴线两侧5 m范围内采用地表固结灌浆加固[3],灌浆孔间排距2.0 m,梅花形布置,共布置11 行43 列237 个灌浆孔。灌浆孔底板高程为110.63 m（其中桩号242+615～242+620 为已开挖洞段,钻孔底部位于洞顶105.94 m高程）,孔深13.7 m～19.5 m,总钻孔深度约3930 m,其中覆盖层钻孔约110 m,基岩钻孔约3820 m。为保证地表耕植土深度同时减少注浆量,高程111.14 m以上只钻孔不注浆（图2）。

图2 隧洞浅埋塌方段地表固结灌浆及超前管棚支护示意

固结灌浆孔孔径不小于56 mm,注浆材料为水泥浆,对回填部分采用静压或低压注浆,注浆压力0.2 MPa～0.3 MPa,注浆深度范围为100.63 m～111.14 m。灌浆过程中发生冒浆、漏浆时,根据具体情况采用低压、浓浆、限流、限量、间歇、待凝等方法进行处理。浆液水灰比采用3∶1、2∶1、1∶1、0.5∶1四级,开灌浆液水灰比选用3∶1。当灌浆压力保持不变、注入率持续减少时,或注入率不变而压力持续升高时,不应改变水灰比,当某级浆液灌入量达到300 L或注浆时间已达30 min,而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时,应改浓一级水灰比。当注入率大于30 L/min时,可根据具体情况越级变浓。灌浆段在最大设计压力下,注入率不大于1 L/min后继续灌浆30 min后,可结束灌浆[4]。

3.3 超前大管棚

布置超前大管棚前,需在242+610 处原钢拱架顶部和底部分别安装副拱和反拱,材料为I16 型工字钢,副拱和反拱与原拱架牢固焊接,反拱处喷射20 cmC25 混凝土回填（反拱拱架及混凝土不侵占永久衬砌断面）,确保封闭成环的钢拱架稳定。按同样的措施在242+611 处原拱架布置安装副拱和反拱,两榀闭环的钢拱架作为管棚的支撑结构（图3）。

图3 管棚及钢拱架支撑示意图

超前大管棚单根长15 m,布设范围为拱顶120°范围,共布置7排,前后排搭接长度不小于3 m。管棚注浆钢管采用管径φ108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管,由3 m、6 m长两种规格用15 cm长丝扣直接对口连接而成,纵向同一横面内的接头数不应大于50%,且相邻钢管接头错开。钢管管壁加工注浆花孔,孔径φ16 mm,排距10 cm设置,每排2 孔,呈梅花形排列,前段作成15 cm的尖锥形,尾端3 m不做钻孔。管棚注浆钢管每排环向间距均为40 cm,上倾角为5°,注浆钢管与两榀副拱牢固焊接,角度偏差应控制不超过1°。管棚注浆材料为水泥浆,水泥浆水灰比为1∶1,注浆压力初压为0.5 MPa～1.0 MPa,终压为2.0 MPa,浆液扩散半径≥0.5 m,当注浆量达到设计数量或注浆终压达到2.0 MPa而浆液注不进时,再稳压3 min～5 min即可结束注浆。同时,注浆的浆压浓度及压力根据现场的实际情况进行调整。注浆结束后立即清除管内浆液,并用M20 水泥砂浆充填封孔密实[5]。

3.4 开挖及支护

隧洞桩号242+620～242+700 浅埋段开挖遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的原则,采用台阶法开挖,每循环进尺控制在0.5 m以内,在开挖过程中严格按照“边掘进边支护”的原则进行施工,开挖后及时进行支护。

初期支护按照“先喷、后锚、再喷”的顺序施工,采用钢拱架支撑,材料为I16 型工字钢,纵向间距为50 cm,钢架之间设纵向连接,钢拱架应在初喷混凝土后及时加设,拱脚应与锁脚锚杆焊接牢固。隧洞全断面布置M20 水泥砂浆锚杆,杆体材料为直径22 mm HRB400 级钢筋,锚杆长3 m、间排距1.0 m,梅花形布置,锚杆安装一般应采用“先注浆后插杆”的施工工艺,砂浆密实度应达70%以上,杆头与钢拱架牢固焊接。喷护采用挂φ8@15 cm×15 cm钢筋网喷砼支护,采用20 cm厚C25 砼喷护,与围岩的粘结强度不低于0.8 MPa,钢筋网宜在初喷混凝土后铺设,钢筋网应与锚杆及钢拱架牢固联结（图4）。隧洞永久支护采用50 cm厚C25 钢筋混凝土衬砌,衬砌拱顶120°范围应进行回填灌浆,宜在混凝土衬砌强度达到设计强度的70%时尽早进行,灌浆均采用硅酸盐水泥浆,浆液水灰比按1∶1、0.8∶1、0.5∶1三级分序加压,灌浆压力采用0.3 MPa～0.5 MPa。

图4 开挖及初期支护示意图

为能及时观察隧洞浅埋段围岩的变形及稳定、支护结构的应力及外水压力等情况,在242+620、242+650 及242+700处布置3 个监测断面,分别埋设收敛计、多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计等对隧洞断面收敛变形、围岩内部变形、锚杆应力、衬砌钢筋应力、衬砌混凝土应力应变、外水压力等进行监测。根据监测的结果反馈,浅埋段3 个监测断面收敛变形为-4.6 mm～3.4 mm,围岩深部位移为3.5 mm～5.3 mm,并且在1 个月左右后逐渐趋于稳定,锚杆、钢拱架、衬砌钢筋应力应变均在允许范围内,地表也基本无沉降变形。

4 结语

本文基于鄂北工程快活岭隧洞下穿水塘浅埋段的塌方事件,采取洞内掌子面回填封闭后在地表覆盖层及强风化基岩层进行固结灌浆,并在洞内采用超前大管棚支护和台阶法开挖施工的处理措施,开挖时安全顺利通过此段。开挖揭露的洞顶围岩呈硬壳状,片麻岩层间胶结良好,隧洞形成了整体的固结拱圈,自稳性明显增强,表明固结灌浆和管棚支护对浅埋不良地质洞段开挖提供了有力的安全保障。

鄂北工程输水线路上游歪寨隧洞下穿水塘浅埋段开挖前参照此法进行超前处理,施工时未发生塌方或冒顶事件,安全完成贯通。目前鄂北工程已完成全线试通水,经现场查勘并结合相关监测资料分析,两处浅埋不良地质洞段均处于安全运行状态。因此,浅埋隧洞不良地质洞段施工前应及时查清地表情况,采取排水措施减小外水内渗,洞内施工应提前做好地质预报,对有可能发生垮塌的洞段及时采用超前支护,一旦发生塌方事件,及时采取上述处理措施,能确保人员安全和施工质量。