劉 歡

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

喀斯特地區(qū)地面塌陷是一種較為常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]，在喀斯特地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)的情況非常普遍[2]。因地質(zhì)復(fù)雜性，水工輸水隧洞突泥、涌水現(xiàn)象頻發(fā)，隧洞長(zhǎng)期排水，在斷層、喀斯特、地下水等地質(zhì)條件共同作用下，地面發(fā)生塌陷。遼西北供水二期工程柴河供水施工三標(biāo)1-9號(hào)支洞控制段因突泥、涌水造成地面塌陷，采用洞內(nèi)外結(jié)合處理的方式，解決了工程問(wèn)題，可為以后水工隧洞處理因突泥、涌水造成的地面塌陷問(wèn)題提供借鑒。

1 工程概況及塌陷情況

1.1 工程概況

遼西北供水工程項(xiàng)目是根據(jù)遼寧省水資源東多西少的特點(diǎn),將東部的豐沛水資源向中、西部配置,從遼寧東部引水至遼西北地區(qū)的一項(xiàng)大型跨流域輸水工程[3]。柴河水庫(kù)供水施工三標(biāo)主洞線總長(zhǎng)14570m，城門洞形，3.6m×4.3m(寬×高)。區(qū)間共布置4個(gè)支洞，其中1-9號(hào)支洞投影長(zhǎng)838.08m，控制段主洞樁號(hào)范圍為S21+550～S24+934，洞室埋深約78～136m。工程區(qū)地層主要為薊縣系鐵嶺組和第四系地層，第四系地層主要為全新統(tǒng)坡洪積、沖積黏性土含少量碎石，覆蓋于薊縣系鐵嶺組巖層之上。工程區(qū)推斷斷層F1、F2、F3共3條，F(xiàn)1、F2兩條斷層中間地帶，即兩條斷層共用下降盤推斷為巖溶構(gòu)造破碎帶。

1.2 塌陷情況

工程區(qū)2017年6月7日第一次涌水，涌水位置為隧洞開(kāi)挖右側(cè)洞底揭露溶蝕構(gòu)造處(溶洞0.4m)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)涌水量約3m3/min，無(wú)突泥，持續(xù)近一個(gè)月后進(jìn)行阻水灌漿。2017年8月12日第二次涌水及突泥，出水量5.3m3/min，突泥量1177.42m3，采取引排方案后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。2019年8月12日第三次涌水及突泥，突泥量約2691m3，突泥成分為地表第四系松散堆積粉質(zhì)黏土，說(shuō)明自地表至洞室部位已形成基本固定連通通道，且具備一定的規(guī)模。2019年9月—2020年2月逐漸發(fā)現(xiàn)塌陷，塌陷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，塌坑分布見(jiàn)圖1。

圖1 塌坑分布示意圖

表1 地面塌陷坑統(tǒng)計(jì)

2 塌陷原因及發(fā)展趨勢(shì)分析

2.1 塌陷原因

2.1.1 本段喀斯特發(fā)育情況

從區(qū)域地質(zhì)資料和本區(qū)巖性、地下水活動(dòng)情況及鉆探、開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況看，本區(qū)巖性屬變質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r，喀斯特發(fā)育中等，不具備強(qiáng)烈喀斯特發(fā)育條件和較大喀斯特溶洞，鉆孔最大可見(jiàn)洞徑2～3m，一般小于1m，溶洞及溶蝕裂隙一般沿?cái)嗔褬?gòu)造發(fā)育，

多為溶蝕裂隙。已有溶洞及溶蝕裂隙多為泥沙充填型，未見(jiàn)地下土洞，這和天然狀態(tài)下地下水排泄基準(zhǔn)面高程有關(guān)，根據(jù)歷史調(diào)查，隧洞開(kāi)挖前附近未發(fā)生較大規(guī)模塌陷。

2.1.2 水文地質(zhì)分析

工程區(qū)地下水類型主要為喀斯特水，主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水和地表水，徑流通道包括裂隙、喀斯特管道及孔洞，一般均為淺循環(huán)，局部斷層構(gòu)造帶內(nèi)則存在深循環(huán)。最早出現(xiàn)突涌后1.1km范圍內(nèi)上升泉、水井均出現(xiàn)干枯現(xiàn)象。

2.1.3 洞內(nèi)開(kāi)挖、排水、排泥影響因素分析

地表塌陷前的長(zhǎng)期人居歷史中未發(fā)現(xiàn)地表塌陷現(xiàn)象，洞室開(kāi)挖突泥排水，使原本多為充填狀態(tài)的古老喀斯特塌陷區(qū)松散物質(zhì)在洞室附近開(kāi)始流失，形成空腔，隨著時(shí)間推移，土體變形從底部向上發(fā)展，直至地表，當(dāng)?shù)乇聿糠肿冃纬^(guò)土體強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生地表塌陷。

綜上所述，地面塌陷是在洞內(nèi)長(zhǎng)期排水、突泥條件下，斷層、喀斯特、地下水等地質(zhì)條件共同作用下的結(jié)果。

2.2 發(fā)展趨勢(shì)

從已處理塌陷回填方量較洞內(nèi)突泥總量少約2000余m3來(lái)看，地下仍存在未完成沉降塌陷的空腔。空腔體積基本等于泥沙排出的體積(可能略大些，可考慮1.5～2.0倍系數(shù))。

由于洞內(nèi)持續(xù)排水，地面黏性土以下和下部巖體內(nèi)產(chǎn)生的空腔未得到及時(shí)回填，在地下水作用及巖土體作用下，會(huì)產(chǎn)生新的塌陷，但塌陷位置基本圍繞斷層發(fā)育帶或在已有塌陷范圍附近。

地面塌陷將對(duì)農(nóng)田、林地及房屋、道路產(chǎn)生影響，威脅洞室安全，同時(shí)嚴(yán)重破壞地下水環(huán)境。塌陷影響分區(qū)見(jiàn)圖2。

圖2 地面塌陷環(huán)境影響分區(qū)

嚴(yán)重影響區(qū)：主要為受到影響的居民區(qū)，此區(qū)有11戶居民，影響對(duì)象主要為居民房屋和村內(nèi)道路。

中等影響區(qū)：為現(xiàn)狀已經(jīng)出現(xiàn)塌陷的耕地區(qū)域，影響對(duì)象為耕作作物。

一般影響區(qū)：若處理不及時(shí)，有可能進(jìn)一步造成中等以上環(huán)境影響的區(qū)域，包括部分居民區(qū)、耕地區(qū)和林地區(qū)。

其他影響區(qū)：其他有可能產(chǎn)生次生影響的區(qū)域。

3 洞內(nèi)外處理方案

塌陷處理的基本原則為：先洞內(nèi)，后地面，同時(shí)開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

3.1 洞內(nèi)處理

本段洞室出水點(diǎn)上下游開(kāi)挖、初期支護(hù)已完成，為保證隧洞運(yùn)行檢修時(shí)安全穩(wěn)定，在地面出現(xiàn)塌陷后根據(jù)洞內(nèi)出水情況及涌水壓力，重新復(fù)核隧洞襯砌外水水頭對(duì)隧洞永久襯砌的影響，對(duì)塌陷影響范圍內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。

洞內(nèi)涌水部位的封堵在襯砌施工完成后結(jié)合襯砌固結(jié)灌漿對(duì)涌水點(diǎn)上下游洞室圍巖進(jìn)行加固并阻水，根據(jù)對(duì)洞軸線附近塌陷區(qū)域的影響及洞內(nèi)阻水灌漿效果評(píng)價(jià)確定本洞段固結(jié)灌漿加固范圍，固結(jié)灌漿由確定好的樁號(hào)兩端向涌水點(diǎn)灌注，同時(shí)觀察灌漿鉆孔的出水情況，并進(jìn)行固結(jié)及阻水灌漿。

3.1.1 隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核

本工程段主洞為圓形有壓隧洞，內(nèi)徑3.9m，采用HRB400鋼筋，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，襯砌保護(hù)層厚度50mm，襯砌混凝土結(jié)構(gòu)按限裂設(shè)計(jì)，有壓隧洞按限裂寬度為0.25mm進(jìn)行限制。對(duì)工程的持久、短暫、偶然狀況均應(yīng)按承載極限狀態(tài)設(shè)計(jì)[4-5]，并利用電算法程序《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件用戶手冊(cè)》SDCAD5.1進(jìn)行襯砌計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1-9號(hào)主洞混凝土襯砌內(nèi)力及裂縫計(jì)算成果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水情況及地面物探結(jié)果，以及斷層F2產(chǎn)狀分布穿越洞室的范圍及塌陷區(qū)域在地質(zhì)剖面圖中的投影長(zhǎng)度，襯砌加強(qiáng)段需跨越上述影響范圍，擬定襯砌加強(qiáng)段樁號(hào)為S24+251～S23+850，加強(qiáng)段長(zhǎng)度為出水點(diǎn)上游120m至下游281m，總長(zhǎng)度為401m，加強(qiáng)段襯砌厚度不做調(diào)整，襯砌配筋由原設(shè)計(jì)單層配筋調(diào)整為雙層配筋，配筋調(diào)整見(jiàn)圖3。

圖3 Ⅲ類加強(qiáng)段襯砌配筋

3.1.2 洞內(nèi)灌漿設(shè)計(jì)

灌漿水泥等級(jí)不低于P·O 42.5；拌漿水的溫度不得高于40℃，接觸灌漿拌漿水的溫度不得高于20℃[6]；砂應(yīng)為質(zhì)地堅(jiān)硬的天然砂或人工砂，粒徑不宜大于2.5mm，細(xì)度模數(shù)不宜大于2.0，SO2含量宜小于1%，含泥量不宜大于3%，有機(jī)物含量不宜大于3%；黏性土塑性指數(shù)不宜小于14，黏粒(粒徑小于0.005mm)含量不宜少于25%。

襯砌固結(jié)范圍擬定為樁號(hào)S24+130.1～S24+180，下游灌漿長(zhǎng)度為50m；根據(jù)出水點(diǎn)上游地表物探情況及地面塌陷區(qū)域分布，上游洞室穿越F2斷層，順?biāo)鞣较蜃髠?cè)塌陷區(qū)域較為集中，鑒于上述情況襯砌加強(qiáng)段為300m，擬定固結(jié)樁號(hào)為S24+130.1～S23+930，上游灌漿長(zhǎng)度為200m。

固結(jié)灌漿順序：由兩端樁號(hào)S24+180、S23+930分別向涌水點(diǎn)進(jìn)行分序推進(jìn)，隧洞360°全周設(shè)置灌漿孔，灌漿孔排距為3.0m，灌漿孔每環(huán)按60°范圍垂直均布在隧洞襯砌斷面上，灌漿孔每環(huán)間隔3.0m梅花形布置；設(shè)計(jì)孔深為3.0m；灌漿孔徑38～40mm。灌漿孔分段、分序布置，應(yīng)遵循環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則，灌漿時(shí)應(yīng)自較低的一端開(kāi)始，向較高的一端推進(jìn)。灌漿布置見(jiàn)圖4。

圖4 灌漿布置示意圖

3.2 地面處理

3.2.1 處理部位及方法

處理區(qū)為徐千戶村頭沖溝屯，位于范家屯水庫(kù)上游左側(cè)最大支溝的溝底，距離柴河供水主洞線約120m左右，居民約17戶，有鄉(xiāng)村公路通過(guò)。依據(jù)本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)及調(diào)查成果，本居民區(qū)范圍內(nèi)共查得溶洞16處，溶蝕裂隙點(diǎn)9處，地面塌坑2處。

根據(jù)《采空塌陷防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 012—2018)和《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)及工程特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似工程地面塌陷處理的工程經(jīng)驗(yàn)[7-9]，在居民區(qū)地面塌陷范圍內(nèi)采取水沖砂和充填灌漿處理方法。

3.2.2 技術(shù)要求

a.灌孔?？λ固睾腿芪g裂隙點(diǎn)每處布置灌漿孔1個(gè)；地面塌陷坑根據(jù)其大小，每個(gè)塌陷坑布置1～2個(gè)充填灌漿孔，即塌陷坑中心1～2個(gè)水沖砂鉆孔，靠近隧洞側(cè)塌陷坑邊緣1～2個(gè)灌漿孔。灌漿孔數(shù)結(jié)合充填情況適當(dāng)進(jìn)行增減。充填灌漿孔深度為30～40m，沖砂孔深度為20～30m。沖砂孔孔徑146mm，灌漿孔孔徑108mm。塌陷坑中心孔作為水沖砂孔，邊緣孔作為充填灌漿孔。成孔方式采用泥漿護(hù)壁的回轉(zhuǎn)方式。

b.灌漿。注漿管可采用PE管或鋼管。灌漿孔注漿管管徑89mm，水沖砂孔管徑127mm。砂漿水灰比為0.8 ∶1～1 ∶1(全填充喀斯特及喀斯特孔土層部分注漿)，黏土漿水土比1.0 ∶1.0，水泥砂漿水灰砂比1.0 ∶1.0 ∶0.6。灌漿壓力宜采取0.05～0.1MPa。檢查孔數(shù)為總孔數(shù)的5%，根據(jù)取芯漿液充填情況直觀判斷注漿效果。

3.3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)

采用專業(yè)的儀器設(shè)備對(duì)地表變形、居民房按1次/月頻率進(jìn)行周期性觀測(cè)，準(zhǔn)確測(cè)定地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的高程。通過(guò)數(shù)據(jù)處理提供地表變形觀測(cè)點(diǎn)垂直位置的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，分析掌握地質(zhì)災(zāi)害的地表變形動(dòng)態(tài)，并預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)。

3.3.1 沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

本工程監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)由3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和2個(gè)工作基點(diǎn)組成，以“遼西北供水二期工程柴河供水一至四標(biāo)施工控制網(wǎng)復(fù)測(cè)成果”(簡(jiǎn)稱“柴河供水控制成果”)為基礎(chǔ)，“柴河供水控制成果”中1-9號(hào)支洞和豎井高程控制點(diǎn)C9-3、SJ2、SJ3作為基準(zhǔn)點(diǎn)，C9-1、C9-2作為工作基點(diǎn)。使用DNA03數(shù)字水準(zhǔn)儀及與之匹配的銦瓦水準(zhǔn)尺按三等水準(zhǔn)精度進(jìn)行測(cè)量，沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)成三等水準(zhǔn)閉合環(huán)，以工作基點(diǎn)C9-1為起算點(diǎn)，將建造的沉降觀測(cè)點(diǎn)均納入網(wǎng)中，以工作基點(diǎn)C9-2為檢核點(diǎn)。

3.3.2 制定預(yù)警方案

成立以項(xiàng)目法人為首的應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)，根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，以及施工期和施工后期塌陷影響風(fēng)險(xiǎn)程度不同，按施工期和施工后期兩個(gè)階段制定應(yīng)急處理預(yù)案，以工程措施為主、非工程措施為輔的基本原則進(jìn)行處置，確保居民人身財(cái)產(chǎn)安全和工程安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.由于水工隧洞出現(xiàn)突泥、涌水，導(dǎo)致地面出現(xiàn)塌陷問(wèn)題，應(yīng)從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌、洞內(nèi)涌水處理情況、突泥性狀等多重方面分析產(chǎn)生原因。

b.因水工輸水隧洞突泥、涌水導(dǎo)致地面塌陷時(shí)，要從洞內(nèi)外兩方面采取處理措施，洞內(nèi)采取加強(qiáng)二次襯砌及固結(jié)灌漿強(qiáng)度措施，洞外采取水沖砂與灌漿相結(jié)合措施。

c.塌陷處理完成后，本著人民生命財(cái)產(chǎn)安全至上原則，加強(qiáng)后續(xù)檢測(cè)，并制定應(yīng)急預(yù)案，從工程措施、非工程措施等多方位提供保障。