(新疆伊河建管局， 烏魯木齊 830000)

新疆某干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌成因分析及處理措施

劉林濤

(新疆伊河建管局， 烏魯木齊 830000)

本文通過介紹新疆某干渠淺埋深極軟巖隧洞洞頂坍塌的實例，對隧洞塌方的成因和處理過程進行分析和研究。該研究成果可為其他類似水工隧洞施工提供借鑒。

砂礫石極軟巖隧洞； 洞頂坍塌； 施工方案

1 工程概況

新疆某干渠1號隧洞屬淺埋深極軟巖輸水隧洞，工程由進口明渠及漸變段、洞身段、出口暗涵段、出口矩形槽段及施工支洞五部分組成，其中洞身段全長為4668m，為無壓明流隧洞，設(shè)計斷面為正馬蹄形，襯完斷面尺寸6.2m×6.2m，最大開挖尺寸8.1m×8.1m，Q設(shè)計=55.5m3/s，Q加大=62m3/s。

該隧洞通過地貌單元為河谷沖洪積傾斜平原區(qū)，地形平坦開闊，無大沖溝發(fā)育，圍巖上部為風(fēng)積黃土，厚度1.5～2.5m，其下為沖積卵石混合土層，厚度大于30m。洞身段頂覆土層及卵石混合土層厚5～14m，圍巖類別為Ⅴ類，巖體抗力系數(shù)K0=100～200N/cm3，飽和抗剪強度：37°～40°，堅固系數(shù)fk=0.8，地下水埋深16.5～21.5m，位于洞底以下。根據(jù)探坑試驗資料，顆粒級配連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)砂層透鏡體，砂礫石天然濕密度1.97～2.18g/cm3，干密度1.91～2.22g/cm3，含水率2.8%～4.2%，最緊密度1.98～2.26g/cm3，相對密度Dr=0.7，滲透系數(shù)k=1.3×10-2～2.2×10-2cm/s，屬強透水層。

2 基本施工工法

1號隧洞在距進口2711m處設(shè)置一條施工支洞，主洞開挖工作面為4個，單個工作面控制最大施工長度約1605m，自進口到支洞至出口圍巖埋深由18m～10m～4m遞減。鑒于該隧洞屬淺埋深砂礫石極軟巖隧洞，且地面附著物復(fù)雜，有公路、渠道、民宅、耕地等，具有施工難度大和高風(fēng)險性的特點，結(jié)合新疆已建的類似工程，如：二道灣隧洞、博塔瑪依隧洞、頂山隧洞的成功經(jīng)驗，隧洞施工方案遵循“短進尺、強支護、快襯砌”的原則，掌子面開挖及一次支護采用短進尺(循環(huán)進尺0.4～1m)多循環(huán)分部超短臺階法(臺階長3.2m左右)進行施工，人工風(fēng)鎬與小型挖掘機相配合開挖，型鋼拱架或格柵拱架連接噴錨網(wǎng)干噴混凝土一次支護，二襯混凝土采用鋼模臺車跟進支護(距掌子面間距不超過80m)，最大限度地減少圍巖裸露時間及圍巖形變空間，盡量減輕或消除施工因素對圍巖的擾動。

3 洞頂坍塌成因分析

1號隧洞在支洞段前25m及出口洞段前60m施工過程中頂部±45°范圍連續(xù)出現(xiàn)掉拱和坍塌，40cm間距單榀循環(huán)開挖最大塌方面積近1.5m2，塌腔高度0.5～1.2m，經(jīng)對圍巖變化情況分析及現(xiàn)場施工工法改良實踐，總結(jié)得出以下幾點導(dǎo)致洞頂坍塌原因。

3.1 不良地質(zhì)條件影響

由于該隧洞屬淺埋深砂礫石軟巖隧洞，沖積卵石混合土層圍巖自身的一些特點是形成洞頂坍塌的主要原因之一。如：沖積卵石混合土自然形成的過程中形成的弱膠結(jié)粉砂透鏡體及斷級配卵石夾層，再如：砂礫石自然沉積過程中巖體相對密度及抗力系數(shù)、堅固系數(shù)等性能指標(biāo)垂直增強趨勢明顯。上述規(guī)律從隧洞四個掌子面2013年度開挖施工過程中洞頂坍塌發(fā)生頻率即可判定，出口300m洞段埋深4～5m，洞頂坍塌從進洞伊始就未曾中斷，而埋深達10m左右的支洞段僅在洞頂范圍集中出現(xiàn)砂透鏡體或斷級配卵石夾層時方會出現(xiàn)少量坍塌，在埋深超過15m的隧洞進口掌子面由于砂礫石自然堆積密度高、圍巖膠結(jié)良好幾乎未遇坍塌掉拱，隧洞超挖控制非常理想。

3.2 地表降雨及農(nóng)田灌溉滲水影響

由于隧洞淺埋深及砂礫石地層極透水性的特點，當(dāng)施工區(qū)地表發(fā)生降雨或經(jīng)農(nóng)田灌溉水滲透后直接導(dǎo)致圍巖含水率變大，砂礫石自重隨之增加，當(dāng)自重大于圍巖膠結(jié)承載力后極易在洞頂部位發(fā)生剝落掉拱，經(jīng)現(xiàn)場取樣，當(dāng)掌子面砂礫石巖體含水量超過4.5%(正常含水率2.8%～4.2%)后發(fā)生洞頂坍塌的頻率及規(guī)模均有所增加。

3.3 開挖機械擾動影響

軟巖隧洞開挖施工主要采用人工配合機械進行，開挖上斷面時，挖掘機立于下斷面進行粗破碎，后風(fēng)鎬進行人工修整，再由挖掘機翻碴至下臺階中槽內(nèi)裝車出渣。在施工初期，由于施工技術(shù)人員對軟巖特性認(rèn)識不到位或機械手操作不熟練，上斷面機械開挖往往導(dǎo)致保護層預(yù)留不夠或直接形成超挖，而料斗對上半拱圍巖的擾動范圍可深入開挖基線30cm，在后續(xù)風(fēng)鎬修整施工中直接引發(fā)局部剝落掉拱。

3.4 超前支護方式不當(dāng)影響

使用錨桿、管棚等超前支護是加固巖體減少坍塌的有效工法，本隧洞在出口及支洞段施工前期也使用了φ32、L=3m自進式中空錨桿進行超前支護，但由于錨桿較長且材質(zhì)偏軟在實際鉆進過程中飄管情況嚴(yán)重，不規(guī)則的鉆進面反而對巖體產(chǎn)生較大擾動致使坍塌情況更為嚴(yán)重。

4 處理及預(yù)防措施

鑒于1號隧洞的特殊地質(zhì)情況，如對洞頂塌腔不及時進行處理必將影響到圍巖整體穩(wěn)定引起更為嚴(yán)重的坍塌，且處理方式不當(dāng)必將導(dǎo)致一次支護不密實或存在空腔，在后期可能引發(fā)巖體二次剝落遺留重大安全隱患，就上述問題在工程實施過程中本著“預(yù)防與處理并重”的原則采取了以下幾點具體措施予以解決。

4.1 對不良地質(zhì)條件進行預(yù)判提前調(diào)整施工方案

在隧洞施工過程中，對不良地質(zhì)條件的預(yù)判及提前處理是做好坍塌控制的先決條件。如：在掌子面開挖過程中發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)粉砂透鏡體及斷級配卵石夾層，或遇地表降水及農(nóng)田灌溉掌子面巖體含水量明顯增加，則立即調(diào)整施工方案減小開挖間距，加大人工開挖保護層厚度并設(shè)置超前錨桿加強支護，只有通過及時的預(yù)判、預(yù)加固才能做到有效控制。

4.2 兩次噴護及時封閉確保噴護質(zhì)量

本工程一次支護采用15cm厚噴混凝土型鋼拱架或18cm厚噴混凝土鋼格柵拱架支護兩類，考慮到洞頂坍塌易發(fā)洞段圍巖弱膠結(jié)及水分散失后更易引起砂礫石分層剝落，故在覆蓋層厚度小于半倍洞徑(4m)的洞段采用“短進尺、快封閉”工法施工，將上半拱開挖進尺控制在40cm即架設(shè)拱架進行一次支護初噴，初噴厚度不超過5cm,待半斷面封閉后再進行二次噴護至設(shè)計厚度，兩次噴護成型的施工方法在大幅減少開挖面封閉時間的同時，有效防止了噴護過程中混凝土“堆疊”成型，確保了噴護混凝土密實度和強度。

4.3 遇塌腔及時調(diào)整掛網(wǎng)形式，適時適量進行回填灌漿處理

為保證塌腔在此支護工程充填密實，減少噴護混凝土回彈量，在現(xiàn)場施工中當(dāng)塌腔高度大于50cm時掛網(wǎng)鋼筋不再延拱架規(guī)則布置，而改為盡量貼服坍塌巖面架設(shè)，必要時加設(shè)大孔徑(≥2cm)鋼絲網(wǎng)，再分多次噴護密實。考慮到混凝土干縮過程或施工缺陷引起空隙或空腔，在塌腔高度大于80cm時通常預(yù)埋灌漿花管及排氣管，待坍塌段全部通過且一次支護強度達到設(shè)計要求時進行回填灌漿，為防止壓力過大對一次支護產(chǎn)生破壞，灌漿壓力不超過0.1MPa。

4.4 改良超前支護形式降低施工擾動

就自進式中空錨桿飄管擾動巖體引發(fā)坍塌的情況，經(jīng)過現(xiàn)場多次試驗調(diào)整，后期將超前支護改為材質(zhì)更硬的φ25，L=2.5m的螺紋鋼代替，并在錨桿擊入前在近掌子面格柵內(nèi)環(huán)加裝φ50，L=50cm的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管與掌子面夾角小于15°，經(jīng)過改良，有效控制了錨桿鉆進角度，錨桿緊密排列鉆進面齊整有序，從根本上杜絕了飄管現(xiàn)象，超前支護體系整體支撐效果顯著，洞頂坍塌得到了有效控制。

4.5 減少外水滲漏，控制地表動荷載，最大限度減少外界因素對圍巖的影響

在工程實施過程中對與洞線交叉的所有渠系采用防滲護砌處理，對施工作業(yè)面地表劃定禁行區(qū)，對交叉公路進行交通管制，上述措施最大限度地減輕了農(nóng)田渠系灌溉滲水或車輛行走等外界因素對圍巖的擾動，有效保證了工程的安全施工。

5 結(jié) 語

施工實踐證明，在淺埋深砂礫石極軟巖隧洞施工中，提前預(yù)判圍巖變化，及時調(diào)整施工方案，采用合適的超前支護形式及開挖襯砌工法，可以有效地控制洞頂坍塌，保證一次支護回填密實，杜絕形成空腔引發(fā)二次剝落，確保了工程的安全順利施工。

Cause Analysis of Extreme Soft Rock Tunnel Top Collapse in One Xinjiang Main Channel with Shallow Depth and Treatment Measures

LIU Lin-tao

(Xinjiang Yi River Construction Authority, Urumqi 830000, China)

In the paper, example of trunk extreme soft rock tunnel top collapse in one Xinjiang main channel with shallow depth is introduced, causes and treatment processes of tunnel collapse are analyzed and researched. The research results can provide reference for other similar hydraulic tunnel construction.

sand and gravel extreme soft rock tunnel; tunnel top collapse; construction plan

TV554

B

1005-4774(2014)12-0010-03