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        引洮濟(jì)合工程3#隧洞掌子面塌方問題淺析

        2016-08-17 02:04:55侯永恒甘南州引洮濟(jì)合工程建設(shè)管理局甘肅合作747000
        陜西水利 2016年4期
        關(guān)鍵詞:管棚塌方掌子面

        侯永恒(甘南州引洮濟(jì)合工程建設(shè)管理局甘肅合作747000)

        引洮濟(jì)合工程3#隧洞掌子面塌方問題淺析

        侯永恒
        (甘南州引洮濟(jì)合工程建設(shè)管理局甘肅合作747000)

        引洮(博)濟(jì)合供水工程3#隧洞在施工過程中出現(xiàn)了不良地質(zhì)洞段,掌子面涌水失穩(wěn),出現(xiàn)涌水泥石流現(xiàn)象,本文對(duì)失穩(wěn)的原因從地形地貌、地質(zhì)因素、水文因素及人為因素等方面做了詳細(xì)分析,提出了超前管棚及灌漿穩(wěn)定圍巖的處理方案,為其它類似工程問題提供參考。

        隧洞;砂碎石土;加強(qiáng)支護(hù);管棚灌漿

        1 工程概況

        引洮(博)濟(jì)合供水工程是從洮河支流博拉河調(diào)水,解決合作城鄉(xiāng)缺水問題,兼顧黃河水源區(qū)生態(tài)保護(hù)牧民定居用水,年調(diào)水量1910萬m3。本工程主要包括水源工程及凈水廠工程,其中水源工程由樞紐、輸水工程和調(diào)蓄水池三部分組成。設(shè)計(jì)引水流量1.1m3/s,為自流輸水。輸水工程干線主要建筑物有壓力管道、隧洞、倒虹吸、陡坡等建筑物組成,其中隧洞3條,總長19217m。

        3#扎剎河隧洞樁號(hào)25+763~26+130段洞身圍巖為三疊系下統(tǒng)上巖組長石石英砂巖夾砂質(zhì)板巖,屬Ⅲ類圍巖,圍巖局部穩(wěn)定性差。樁號(hào)26+130~27+588段洞身圍巖主要為三疊系下統(tǒng)上巖組砂質(zhì)板巖夾長石石英砂巖,巖性較軟弱,裂隙發(fā)育,巖體較破碎,屬Ⅳ類圍巖;其中樁號(hào)26+128~26+255段從沖溝底部穿過,洞身主要在洪積碎石土層中。

        一次襯砌型式為:Ⅲ類圍巖頂拱150°范圍布置2根~3根Φ22全長粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m,間排距2m,梅花形布置,頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng),頂拱、側(cè)拱噴C20砼80mm厚。Ⅳ類圍巖緊貼巖石架設(shè)I12,間距0.8m~1.2m全封閉隨機(jī)鋼拱架,頂拱150°范圍布置2根~3根Φ22全長粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m,間排距2m,梅花形布置,頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網(wǎng),頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚。Ⅴ類圍巖緊貼巖石架設(shè)I12,間距0.5m~1.0m全封閉隨機(jī)鋼拱架,頂拱150°范圍布置2根~3根Φ22全長粘結(jié)式砂漿或水泥基藥隨機(jī)錨桿L=2m,間排距2m,梅花形布置,頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng),頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚,必要時(shí)拱頂180°范圍架設(shè)隨機(jī)管棚φ42,L=3m。環(huán)向間距300mm。碎石土圍巖巖緊貼巖石架設(shè)I12,間距0.5m~1.0m全封閉鋼拱架,頂拱180°范圍內(nèi)砼噴層中部設(shè)φ6.5@200mm× 200mm鋼筋網(wǎng),頂拱、側(cè)拱噴C20砼120mm厚,拱頂180°范圍架設(shè)系統(tǒng)管棚φ42,L=3m,環(huán)向間距300mm。

        2 坍塌現(xiàn)狀

        本工程于2014年7月開工建設(shè),目前3#隧洞正在施工。3#隧洞(樁號(hào)25+763m 至27+588m)總長1825m,隧洞設(shè)計(jì)斷面為城門洞形,斷面尺寸B×H=1.8m×2.0m。隧洞進(jìn)口緊靠公路山體一側(cè);出口位于海螺溝溝內(nèi)。3#隧洞進(jìn)口段于2015年4月29日在樁號(hào)26+146m處第一次塌方,5月3日凌晨一點(diǎn)發(fā)生第二次塌方。3#隧洞出口段在樁號(hào)26+826m處于2015年5月3日凌晨兩點(diǎn)由于地質(zhì)條件突變發(fā)生塌方。

        (1)進(jìn)口段塌方

        進(jìn)口段自樁號(hào)26+123m處,掘進(jìn)長度達(dá)到360m時(shí),已經(jīng)出現(xiàn)圍巖不穩(wěn),隧洞滲水量較大,按Ⅴ類圍巖斷面采取拱頂180°范圍打超前錨桿(φ22,L=3m,間距30cm)、I12全封閉鋼拱架間距0.5m~0.8m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)、噴C20砼支護(hù)方式。在26+146m處,因局部塌方掉塊嚴(yán)重,將超前錨桿改為管棚(φ42,L=3m,間距30cm),管棚自掌子面第一榀拱架上支護(hù)。4月29日發(fā)生第一次塌方,已施工管棚坍塌損毀,經(jīng)現(xiàn)場方案調(diào)整,將管棚長度改為6m,單排間距30cm,在自掌子面第二榀和第三榀鋼拱架同時(shí)打進(jìn),把管棚間距交叉成15cm,盡可能保證管棚穿越塌方體,伸入穩(wěn)定層,實(shí)際管棚打入深度4.5m~4.8m。5月2日,在清除塌方體時(shí),發(fā)生二次塌方。塌方體形態(tài)為較細(xì)的砂碎石顆粒并夾雜黃泥塊,隧洞滲出水流量比較大。

        (2)出口段最后一榀鋼拱架為樁號(hào)26+826m,之前按照Ⅳ類圍巖斷面施工,期間圍巖較為破碎松散,巖面有滲濕,未見明顯滲水,采取I12全封閉鋼拱架間距0.8m~1.0m、掛φ6.5@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)、噴C20砼支護(hù)方式。在完成26+826m處鋼拱架安裝并噴砼支護(hù)完成后,拱架距離掌子面剩余間距約0.6m,隨后進(jìn)行鉆孔爆破開挖,鉆孔深度2m,鉆孔時(shí)孔內(nèi)有少量滲水。5月2日,在隧洞出渣過程中,當(dāng)出渣至掌子面露出約2/3時(shí),掌子面樁號(hào)在26+823m處,沿掌子面開始有滲水滲出,掌子面有小塊塌落現(xiàn)象,后掌子面滲水逐漸增大,塌落掉塊加大變快。在及時(shí)撤離人員和設(shè)備后發(fā)生塌方,塌方體堆體涌至樁號(hào)26+829m處,塌方情況見圖1掌子面塌方示意圖。塌方體形態(tài)為較細(xì)的砂碎石顆粒,隧洞滲出水流量大,出水將已開挖隧洞底部漫淹,隧洞內(nèi)積水深30cm左右。

        圖1 掌子面塌方示意圖

        3 塌方原因分析

        (1)地形地貌

        從地形上,3#扎剎河隧洞軸線穿越兩條溝谷。線路穿越區(qū),地面最高點(diǎn)為尖山,山頂植被茂密,多以灌木為主;山間溝谷內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦,溝底沖溝沒有明顯地表徑流。山間谷底及山坡平緩處為耕地。

        據(jù)現(xiàn)場測繪,進(jìn)口方向1號(hào)溝谷位于隧洞軸線樁號(hào)26+128m至26+255m之間,溝谷長度約127m,山腳處洞頂埋深在19m~21m,山谷溝底最深處樁號(hào)26+205m,洞頂埋深9m。

        出口方向2號(hào)溝谷位于隧洞軸線樁號(hào)26+600m至26+864m之間,溝谷長度約264m,山腳處洞頂埋深在29m~33m,山谷溝底最深處樁號(hào)26+768m,洞頂埋深19m。

        (2)地質(zhì)因素

        原設(shè)計(jì)進(jìn)口段1號(hào)溝谷地質(zhì)條件為:表層為坡洪積粉質(zhì)壤土,厚1m~2.5m,下部洪積碎石土,厚6m~7m,底部為砂碎石層,厚5m~9m。洞身在洪積碎石土層中,圍巖屬Ⅴ類圍巖。出口段2號(hào)溝谷由于當(dāng)?shù)夭貐^(qū)群眾阻撓無法進(jìn)入機(jī)械,沒有相關(guān)鉆孔資料,為推測地質(zhì)情況,洞身圍巖主要為三疊系下統(tǒng)上巖組砂質(zhì)板巖夾長石石英砂巖,兩種巖性比例約為7:3,巖性較軟弱,裂隙發(fā)育,巖體較破碎,巖體完整性系數(shù)0.25~0.3,巖層走向與洞線夾角71°,巖層傾角53°。

        隧道在設(shè)計(jì)時(shí),通過勘探鉆孔很難準(zhǔn)確的掌握隧道斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育情況,斷層節(jié)理發(fā)育情況卻是千差萬別。在隧道施工中,在巖層分界處及過渡段易出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造變化、斷層破碎帶、軟弱夾層等工程地質(zhì)條件,本工程施工至進(jìn)口段樁號(hào)26+123m處時(shí),正好處于巖層分界線,地質(zhì)條件較差,為砂碎石土。出口段樁號(hào)26+826m處時(shí),同樣處于巖層分界線,由巖石變?yōu)樯八槭粒c推測的地質(zhì)條件發(fā)生變化。

        (3)水文因素

        溝道地表未見明顯地表徑流;溝谷地下水含量豐富,賦存于河谷沖洪積砂礫石層和溝谷洪積碎石土中。地下水是一個(gè)體系,隨時(shí)隨地都在變化,受地形、地貌、地質(zhì)、氣候等條件影響。在隧道施工中,巖土中水的變化,水沿巖體軟弱面流動(dòng),破壞巖體組織,造成巖體失穩(wěn)而發(fā)生坍方事故;雨水滲入斷裂帶及裂隙后形成滑動(dòng)面,巖石相互滑動(dòng),內(nèi)力擠壓變形也易造成坍塌。本次塌方,因圍巖遇水泥化,砂碎石土在水作用下流失,導(dǎo)致管棚頂部形成空腔,空腔增大,圍巖失穩(wěn),大塊塌落,砸毀管棚,造成塌方。

        (4)人為因素

        施工過程中由于施工人員對(duì)地下工程地質(zhì)情況不了解,忽視圍巖細(xì)微變化,對(duì)圍巖自穩(wěn)能力過高估計(jì),造成思想上的麻痹大意,對(duì)不良地質(zhì)地段沒有采取合理的開挖方法,支護(hù)不及時(shí),在開挖時(shí),爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)過大,因巖體失穩(wěn)而產(chǎn)生坍方。

        4 處理方案

        進(jìn)口洞段在穿越1號(hào)溝道時(shí)出現(xiàn)掌子面塌方,地質(zhì)巖性與設(shè)計(jì)相符,地下水豐富造成泥化失穩(wěn);出口洞段在穿越2號(hào)溝道時(shí),地質(zhì)條件發(fā)生變化,加之地下水豐富造成泥化失穩(wěn)。針對(duì)引洮(博)濟(jì)合供水工程3#隧洞在施工過程中進(jìn)出口掌子面出現(xiàn)了塌方問題,結(jié)合地質(zhì)條件發(fā)生變化情況,對(duì)一次支護(hù)方案進(jìn)行了調(diào)整。隧洞頂部及兩側(cè)超前管棚加注漿輔助施工,環(huán)向間距30cm,管棚搭接長度2m~2.5m,注漿管采用Φ42mm×5mm熱軋鋼管制作,每隔15cm梅花形布置鉆8mm的對(duì)穿射漿孔,上部1.5m不開孔,為防止下管堵塞,底部做成10cm錐形封閉,長度L=5m,為加強(qiáng)管棚承載能力,采取在管棚鋼管內(nèi)穿插Φ22螺紋鋼并灌注砂漿填充,提高管棚的抗彎能力,管棚縱剖面布置見圖2管棚注漿縱剖面示意圖。全斷面封閉Ⅰ12鋼拱架,間距0.3m~0.5m,相鄰鋼拱架之間,在拱頂和側(cè)墻采用Φ22間距30cm的螺紋鋼連接拱架。拱部系統(tǒng)錨桿φ22,長度1.5m,縱環(huán)間距1m× 1m,梅花型布置,噴150mm厚C20砼,掛φ6.5鋼筋網(wǎng),網(wǎng)格間距200mm×200mm。由于洞內(nèi)滲水較大,顆粒較細(xì)的砂碎石容易在水流作用下流失,因此在鋼筋網(wǎng)片上部,鋪設(shè)φ3@30mm×30mm鉛絲網(wǎng)格柵,以保護(hù)砂碎石不被水流帶走。

        圖2 管棚注漿縱剖面示意圖

        并根據(jù)一次支護(hù)調(diào)整方案對(duì)施工單位提出以下幾點(diǎn)要求:

        (1)管棚超前支護(hù)及注漿加固圍巖是下一步隧洞穿越河床覆蓋層(砂礫碎石)施工的主要措施,施工單位必須加強(qiáng)設(shè)備及人員配備,提前做好應(yīng)對(duì)各種突發(fā)問題的預(yù)案,備好各類設(shè)備、材料。施工過程中必須做到掘進(jìn)及支護(hù)連續(xù)作業(yè),不能停頓或進(jìn)行間歇施工。

        (2)超前管棚及隧洞側(cè)壁注漿管是加固洞周圍巖的關(guān)鍵,必須具備注漿加固條件,長度宜長不宜短,建議長度5m~10m,管徑采用Ф42~Ф80;河床覆蓋層(砂礫碎石)洞段施工中,主要是對(duì)開挖斷面周圈進(jìn)行注漿加固,必要時(shí)可對(duì)掌子面進(jìn)行全斷面注漿加固。注漿材料采用水泥漿(摻加適量速凝劑)。

        (3)塌方體處理前要對(duì)掌子面先進(jìn)行封堵后再注漿,在后續(xù)洞段正常循環(huán)施工時(shí),須保留2m~3m加固巖體做為止?jié){盤。

        (4)由于滲水量較大,需做好掌子面及洞內(nèi)排水工作。

        5 結(jié)語

        在隧洞施工過程中,地質(zhì)條件發(fā)生變化,并且遇到了最不利條件,砂碎石土及豐富地下水,掌子面出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象,通過從地形地貌、地質(zhì)因素、水文因素及人為因素等方面詳細(xì)分析失穩(wěn)原因后,及時(shí)調(diào)整了一次襯砌支護(hù)方式,采用超前管棚及灌漿穩(wěn)定圍巖,管棚長度5m~10m,管徑采用Ф42~Ф80,環(huán)向間距30cm,管棚搭接長度2m~2.5m。塌方體處理前要對(duì)掌子面先進(jìn)行封堵后再注漿,在后續(xù)洞段正常循環(huán)施工時(shí),保留2m~3m加固巖體做為止?jié){盤。陜西水利

        (責(zé)任編輯:唐紅云)

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