劉 芳

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省東山供水工程建設管理局，山西 太原 030002）

東山供水工程土洞開挖地質災害處理方法

劉 芳1，2

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省東山供水工程建設管理局，山西 太原 030002）

東山供水輸水線路施工五標主要是在含砂低液限黏土中開挖長1.6km的隧洞，地質條件復雜多變，發(fā)生坍塌、劈幫、塌方、涌水、涌水泥沙、涌水涌泥等地質災害的頻率較高。通過對東山五標土質隧洞地質災害的處理，總結施工經驗，對土質隧洞地質災害處理工藝進行說明，可為類似工程施工提供借鑒。

坍塌；涌水泥沙；涌水涌泥；地質災害處理；東山供水

1 工程概況

晉中東山供水工程輸水線路施工五標9號隧洞總長約2.273km（樁號YD7+205.94—YD9+478.86），為無壓輸水隧洞，隧洞坡度0.3‰，施工布置2條施工支洞，其中土質隧洞全長1623.865m，樁號YD7+ 651.185—YD9+275；石質隧洞位于標段結束兩端，長649.075m。9號隧洞斷面形式為馬蹄形，采用全斷面鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度300～400mm。

2 土質隧洞地質條件

該工程位于古河床上，土質圍巖主要為第四系下更新統(tǒng)Q/1灰黑色淤泥質含砂低液限黏土、級配不良砂層、粉土層和砂卵石層，且互層出現(xiàn)；濕—飽和，呈硬塑狀態(tài)，松散，地下水位位于洞頂以上，存在滲水或涌水現(xiàn)象，圍巖類別為Ⅴ類，洞頂及洞身主要以級配不良砂層為主，開挖過程中易產生塌方，圍巖極不穩(wěn)定，施工過程應加強支護。

3 地質災害成因

9號隧洞土質段在開挖支護過程中，發(fā)生涌水、涌砂、涌泥地質災害的部位和成因主要分為以下3種。

3.1 涌水地質災害

根據土體構成，本工程土體主要含水層為砂層和砂卵石層，因此涌水主要發(fā)生在含砂低液限黏土、粉土層構成的不透水層之間的砂層和砂卵石層，涌水量的大小和規(guī)模受砂層和砂卵石的含水情況和厚度不同而有所差別。由于隧洞要穿越含水豐富的砂層和砂卵石層區(qū)域，隧洞開挖施工過程中滲水水流從掌子面快速流出，形成涌水地質災害。

3.2 掌子面周邊地質災害

土洞開挖采用“分層、分區(qū)、預留核心土、預留保護層”的方法進行。根據開挖支護施工工藝，在上半部頂拱（起拱點以上部分）開挖工程中，由于土體地質條件較差，發(fā)生突發(fā)性涌水涌泥和涌水涌砂地質災害。

由于9號土隧洞段所處部位地質條件較差，在開挖過程中遭遇了不良地質段（即含水層、含水含砂層和呈軟塑狀態(tài)的含水土層），開挖支護施工時，由于開挖改變了隧洞周邊土層的厚度及原有的受力結構，導致位于掌子面周邊的不良土層發(fā)生突發(fā)性涌水涌砂涌泥地質災害。

3.3 開挖面與已支護完成面之間涌砂地質災害

由于土洞采用分層開挖的施工方法，邊墻和底梁的開挖支護要滯后上半部（頂拱）開挖支護約2～3d。隧洞周邊的土層經過上半部和邊墻開挖支護擾動后，土體結構發(fā)生變化，加之洞內滲水量較大，洞內滲水沿著排水孔和支護噴混凝土與土層結合面進行滲流，對隧洞周邊土體產生侵蝕，導致土體發(fā)生液化，在進行邊墻和底板開挖施工時，在開挖面與支護完成面之間發(fā)生涌水涌泥、涌水涌砂地質災害。該類型地質災害具有規(guī)模小、速度慢、持續(xù)時間短的特點，且受周邊土層特性影響較大。

4 處理方法

4.1 掌子面地質災害處理方法

4.1.1 涌水

在保證安全的情況下，當用水量變小后，采用沙袋對涌水沖刷形成空腔進行回填，然后快速進行噴混凝土封閉和一次支護施工，在鋼支撐和沙袋之間鋪設一層土工布，并埋設排水花管，進行噴混凝土施工，形成對水流的封閉和集中引排。對不易回填沙袋的部位，直接進行預埋排水管，掛網噴混凝土封閉施工，然后進行一次支護施工。排水管長1.0m，前端花管用土工布包裹，防止水流帶走土體顆粒和沙粒，形成空腔。

4.1.2 涌水涌砂涌泥地質災害處理方法

首先采用沙袋進行塌方涌泥坡腳反壓，并用直徑42mm，長1.0m的小導管進行固定，穩(wěn)定堆渣體。塌方穩(wěn)定后，根據掌子面涌水部位，布置長4.0m，直徑42mm的小導管進行掌子面內滲水水流的引排，后期灌漿施工時，作為灌漿管對渣體和土體結構進行灌漿。排水管預埋后，根據情況進行掌子面C20噴混凝土封閉，為保證封閉混凝土的強度和整體性，可對掌子面鋪設直徑8mm，間距150mm×150mm的鋼筋網片，噴混凝土厚度以保證灌漿時不漏漿為宜，一般為15～20cm。涌水涌泥部位封閉后，采用YT-28手風鉆鉆孔安裝42mm，長3.0m的回填灌漿管，灌漿管設置排數和根數，根據涌水涌泥涌砂地質災害的規(guī)模和現(xiàn)場實際情況而定。灌漿管安裝后，噴射厚度10cm的C20混凝土，進行灌漿管周邊封閉處理，噴混凝土前進行噴混凝土面吹洗。

超前小導管注漿施工：采用從底部向頂拱，從外向里（向掌子面方向）的順序進行回填灌漿施工，灌漿采用PO42.5普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.5∶1～1∶1，灌漿壓力控制在0.2～0.3MPa之間。灌漿結束后，并待強12h以上，方可進行后續(xù)開挖支護施工。

涌水涌泥段灌漿處理結束后，在涌水涌泥處布設排水孔，并埋設PVC排水管進行滲水引流，避免水流對周邊土體結構的侵蝕和破壞，同時給后期施工埋下隱患，排水管采用土工布包裹。

塌方段處理采用114工字鋼，工字鋼之間的間距按50cm控制，根據現(xiàn)場實際揭露地質狀況進行適當調整。當揭露圍巖面發(fā)生脫落掉塊或劈幫后，造成局部區(qū)域超挖嚴重，在該區(qū)域適當加密施工直徑25mm的連系鋼筋和鋼筋網片，間距50cm。在塌方段下臺階開挖施工時，應注意觀察已支護上臺階工字鋼是否變形，拱腳處開挖時首先進行試探性開挖，并觀察起拱點是否存在涌水涌砂涌泥現(xiàn)象，若存在立即進行噴混凝土封堵，并在拱腳處加打長4.0m，直徑42mm的小導管進行水灰比為0.5∶1的灌漿加固處理，處理完畢后進行下半拱的后續(xù)施工。進行涌水涌泥區(qū)邊墻和底板開挖支護時，為避免涌水浸泡造成邊墻和底板預留保護層軟化，進而導致拱架變形，根據現(xiàn)場情況，必要時采用直徑102mm的普通焊管進行支撐，抑制支撐體系收斂變形。

4.2 開挖面與已支護完成面之間地質災害處理方法

首先對出口周邊的涌泥進行清理，然后采用土工布和沙袋進行涌泥口堵塞，再噴混凝土進行封閉。噴混凝土要將出口覆蓋并和周邊結合緊密。

根據實際情況，判斷涌水涌泥涌砂形成的空腔，在涌泥出口上方已支護好的頂拱處，察看空腔大小，并利用缺口進行噴混凝土回填空腔處理。對噴混凝土無法回填的較高部位，采取在頂拱處打直徑42mm，長3m的超前小導管進行頂部空腔回填灌漿，灌漿壓力0.2～0.3MPa。

回填灌漿結束后，待強10h以上進行“分層、分區(qū)”試探性開挖，確保不再發(fā)生涌水涌泥涌砂的前提下進行大面積掘進施工，掘進進尺控制在0.5m以內。開挖過程中，采用直徑102mm的普通焊管進行支撐，抑制工字鋼支撐體系收斂變形。

5 安全穩(wěn)定性分析

5.1 處理過程中的安全穩(wěn)定性

處理過程中的安全穩(wěn)定性主要考慮施工區(qū)域內土體結構的穩(wěn)定性和工字鋼支撐體系的穩(wěn)定性。

土體結構的穩(wěn)定性主要通過以下方面加固：一是對地質災害及其影響區(qū)進行固結回填灌漿，改善周邊土體結構，在地質災害區(qū)域周邊形成相對密實、完整性較好的土體結構，增加施工區(qū)域內土體結構的安全穩(wěn)定性；二是在處理過程中主要采用噴混凝土封閉掌子面的方法增加施工區(qū)域內周邊土體結構的穩(wěn)定性，滿足施工安全要求；三是在地質災害施工處理過程中采用直徑102mm的普通焊管進行支撐，加固工字鋼支撐體系的穩(wěn)定性，確保施工安全；四是對地質災害發(fā)生區(qū)域，快速進行工字鋼底梁安裝和底部回填混凝土回填施工，盡早形成閉合的工字鋼支撐體系，確保隧洞工字鋼支撐體系的安全穩(wěn)定性。

5.2 處理后隧洞安全穩(wěn)定性

地質災害處理完成后，在地質災害發(fā)生區(qū)域設置臨時觀測斷面，定期收集變形觀測數據，并進行回歸分析。目前，東山五標土洞段監(jiān)測斷面的觀測點數據變形量滿足《水工建筑物地下開挖工程施工技術規(guī)范》及《錨桿噴射混凝土施工技術規(guī)范》相關規(guī)定。

6 結語

晉中東山供水工程輸水線路施工五標土洞段地質條件復雜，土體結構復雜，地質災害發(fā)生頻率高，采用上述方法處理涌水涌泥涌砂地質災害，取得了較好的效果，確保了發(fā)生涌水涌泥涌砂隧洞段處理后的安全和穩(wěn)定，保證了后期隧洞施工的順利進行。

U453.6+1

C

1004-7042（2016）01-0026-02

劉芳（1988-），女，太原理工大學水利工程專業(yè)碩士研究生在讀。

2015-11-18；

2015-12-24