沈晶 潘亞輝
摘要:淺埋隧洞開挖受不良地質條件、長時間降雨及施工不當?shù)纫蛩赜绊懀装l(fā)生地表塌陷,導致隧洞冒頂事件。介紹了鄂北地區(qū)水資源配置工程花兒山隧洞冒頂塌方處理,根據現(xiàn)場地形地質情況綜合分析,采取洞內掌子面處噴混凝土封閉后地表塌陷處回填壓實,然后以超前大管棚和新奧法施工處理。實際施工中,開挖時能夠安全通過此段隧洞。研究成果可為此類淺埋輸水隧洞冒頂塌方處理提供參考。
關鍵詞:淺埋隧洞;冒頂塌方;掌子面封閉;超前大管棚;鄂北地區(qū)水資源配置工程
中圖法分類號:TV554文獻標志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.010
文章編號:1006 - 0081(2021)08 - 0048 - 04
1 工程概況
鄂北地區(qū)水資源配置工程(以下簡稱“鄂北工程”)是從丹江口水庫清泉溝隧洞引水,向湖北省北部襄陽市、隨州市和孝感市供水的大型調水工程,工程設計年引水量7.7億m3,設計供水人口482萬人,灌溉面積約24.23萬hm2(363.5萬畝),輸水線路總長269.67 km,沿線主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各類水閘等,其中隧洞共55座,總長119.43 km。
花兒山隧洞位于湖北省棗陽市紅花村以北約500 m,長0.27 km,布置于輸水線路樁號137+330~137+600段,為無壓輸水隧洞,隧洞設計引水流量26.7 m3/s,設計縱坡為1∶11 000,底板高程119.51~119.49 m,斷面為馬蹄形,過水凈尺寸為6.5 m×6.5 m(寬×高),開挖尺寸為7.7 m×7.7 m(寬×高)。花兒山隧洞沿線地面高程136~148 m,相對高差10 m左右,為垅崗地形,地形較為平坦,洞頂平均埋深20.3 m,約為2.6倍的開挖洞高,隧洞圍巖類別為Ⅳ類,圍巖不穩(wěn)定,開挖狀態(tài)下易失穩(wěn)[1]。
2 隧洞冒頂塌方過程及原因分析
2.1 隧洞冒頂塌方過程
花兒山隧洞采用鉆爆法開挖至樁號137+366處,掌子面圍巖巖性為鈉長片巖、透閃陽起片巖,呈強風化狀,圍巖類別為Ⅳ類。此段隧洞爆破施工每循環(huán)進尺長度為1.0 m。在完成該循環(huán)出渣作業(yè)后,發(fā)現(xiàn)掌子面及拱頂部位有少許掉塊,且有明顯滲水現(xiàn)象,施工單位立即組織人員與機械撤離,隨后掉塊迅速加快,洞頂出現(xiàn)坍塌后形成冒頂,地表有約4 m×5 m近似橢圓形的塌陷坑(圖1),深度約為3.5 m。洞內樁號137+368處拱架被壓變形,從塌落下來的土石看,圍巖較為破碎,經抽排洞內積水,推測滲流量約3 L/s。由于圍巖自穩(wěn)能力差,加之雨水天氣,有繼續(xù)坍塌的趨勢[2]。
2.2 工程地質條件
花兒山隧洞樁號137+360~137+370段地表為緩斜坡地貌(圖2),地形坡度為5°~10°,樁號137+366處地表為一低洼匯流溝地,此處隧洞埋深約16 m,地表覆蓋層厚度約3 m,覆蓋層主要為第四系黏土(Q2ydl)。洞頂圍巖厚度僅為13 m左右,巖性為震旦-青白口系耀嶺河群((Qn-Z1)yl)灰綠色、灰白色鈉長片巖、透閃陽起片巖,呈強風化~弱風化狀,其中強風化層厚度約為5 m。巖體透水率q=0.77~2.71 Lu,為微至弱透水。上覆巖體厚10~20 m。該段圍巖單軸飽和抗壓強度Rb=32.2 MPa(弱風化),飽和吸水率0.52 %,巖石強度為中硬巖。巖體完整性系數(shù)Kv=(3065/4228)2≈0.53,巖體完整性差。結構面狀態(tài)平直粗糙,裂隙寬度1~4 mm且為閉合,地下水活動狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象,主要節(jié)理裂隙產狀:①片理產狀155°∠12°,隧洞走向120°,片理走向與洞線交角55°左右;②發(fā)育3組裂隙(鉆孔巖芯),傾角:0~20°,30°~40°,60°~90°。
2.3 冒頂原因分析
隧洞塌陷區(qū)地表處為低洼匯流溝地,長時間雨水天氣導致積水較多,且覆蓋層厚度較大、結構較為松散,洞頂圍巖厚度小,呈強風化-弱風化狀態(tài),強度較差、遇水后易軟化,在自重和水壓力作用下,加之鉆爆施工時擾動導致失穩(wěn)進而產生塌方冒頂,洞內坍塌物呈泥夾石狀,主要來源于洞頂覆蓋層及強風化基巖。
3 處理措施
3.1 地表處理及掌子面封閉
首先,在地表塌坑處附近設置安全警示標牌和防護圍欄封閉現(xiàn)場,并安排專人看守現(xiàn)場,禁止非施工人員與車輛進入,確保周圍村民安全。然后,在地表塌坑四周布置臨時截水溝,同時為防止地面徑流流入塌陷坑內,避免更大范圍的坍塌,還需在較低位置處設置截水溝出口進行排水。
洞內應先抽排積水并清理淤泥,然后在掌子面坍塌體處回填一定厚度的開挖石渣并壓實,坡度不應陡于1∶1,對堆渣體表面進行噴射10 cm厚C25混凝土封閉,堆積體坡腳采用反壓沙袋進行加固。
待洞內堆渣體表面噴混凝土初凝后對地表塌陷坑內進行石渣回填,石渣可采用隧洞開挖料,最大粒徑控制為150 mm,地表以下3.5 m 至地表以下1 m范圍石渣回填要求分層夯實, 相對密度不小于0.65。石渣層以上回填50 cm黏土碾壓密實防滲,壓實度不小于0.91。塌坑處地表以下50 cm 至地表范圍內采用耕植土回填,耕植土應滿足當?shù)馗饕螅▓D3)。
3.2超前大管棚
布置超前大管棚前,需在137+375處原鋼拱架頂部和底部分別安裝副拱和反拱,材料為I16型工字鋼,副拱和反拱與原拱架牢固焊接,反拱處噴射20 cm厚的C25混凝土進行回填(反拱拱架及混凝土不占二襯斷面),確保封閉成環(huán)的鋼拱架穩(wěn)定。按同樣的措施在137+374.2處原拱架布置安裝副拱和反拱,兩榀閉環(huán)的鋼拱架作為管棚的支撐結構(圖4)。
超前大管棚長30 m,布設范圍為副拱拱頂120°,管棚注漿鋼管采用管徑?108 mm、壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管,由3 m和6 m兩種規(guī)格標準件,采用15 cm長絲扣直接對口連接而成,縱向同一橫面內的接頭數(shù)不應大于50%,且相鄰鋼管接頭錯開。鋼管管壁加工注漿花孔,孔徑?16 mm,排距設置為10 cm,每排2孔,呈梅花形排列,前段作成15? cm的尖錐形,尾端3 m不做鉆孔。
管棚注漿鋼管環(huán)向間距為30 cm,上傾角為5°,注漿鋼管與兩榀副拱牢固焊接,角度偏差應控制不超過1°。管棚注漿材料為水泥漿,水泥漿水灰比為1∶1;注漿壓力初壓為0.5~1.0 MPa,終壓為2.0 MPa,漿液擴散半徑≥0.5 m,當注漿量達到設計數(shù)量或注漿終壓達到2.0 MPa而漿液注不進時,再穩(wěn)壓3~5 min即可結束注漿。同時,注漿的漿壓濃度及壓力根據現(xiàn)場實際情況進行調整。注漿結束后立即清除管內漿液,并用M20水泥砂漿充填封孔密實[3]。
3.3 開挖及支護
塌方冒頂段隧洞開挖應遵循“短進尺、弱爆破、強支護”的原則,采用臺階法開挖,每循環(huán)進尺控制在0.5 m以內,在開挖過程中嚴格按照“邊掘進邊支護”的原則進行施工,開挖后及時進行支護[4]。
初期支護按照“先噴、后錨、再噴”的順序施工,采用鋼拱架支撐,材料為I16型工字鋼,縱向間距為80 cm,鋼架之間設縱向連接,鋼拱架應在初噴混凝土后及時架設,拱腳應與鎖腳錨桿焊接牢固。隧洞全斷面布置M20水泥砂漿錨桿,桿體材料為直徑22 mm HRB400級鋼筋,錨桿長4 m、間排距1.0 m,梅花形布置,錨桿安裝一般應采用“先注漿后插桿”的施工工藝,砂漿密實度應達70%以上,桿頭與鋼拱架牢固焊接。噴護采用掛?8@15×15cm鋼筋網噴混凝土支護,采用25 cm厚C25混凝土噴護,與圍巖的黏結強度不低于0.8 MPa,鋼筋網宜在初噴混凝土后鋪設,鋼筋網應與錨桿及鋼拱架牢固聯(lián)結(圖5)。隧洞永久支護采用70 cm厚C25鋼筋混凝土襯砌,襯砌拱頂120°范圍應進行回填灌漿,宜在混凝土襯砌強度達到設計強度的70%時盡早進行?;靥罟酀{完成后,對隧洞全斷面進行固結灌漿,灌漿孔入巖4.5 m、間排距3.0 m,梅花形布置。回填灌漿和固結灌漿均采用硅酸鹽水泥漿,漿液水灰比按1.0∶1.0,0.8∶1.0,0.5∶1.0三級分序加壓,灌漿壓力采用0.3~0.5 MPa[5]。
3.4 安全監(jiān)測
為了及時觀察隧洞冒頂段圍巖的變形、隧洞支護結構應力及外水壓力情況,在137+366及137+356處布置2個監(jiān)測斷面,分別埋設收斂計、多點位移計、錨桿應力計、鋼筋計、應變計等對隧洞斷面收斂變形、圍巖內部變形、錨桿應力、襯砌鋼筋應力、襯砌混凝土應力應變、外水壓力等進行監(jiān)測。根據監(jiān)測的結果反饋,冒頂塌方洞段2個監(jiān)測斷面收斂變形為2.6~6.7mm,圍巖深部位移為4.5~8.3 mm,并且在1個月左右逐漸趨于穩(wěn)定(圖6),錨桿、鋼拱架、襯砌鋼筋應力應變均在允許范圍內,地表也基本無沉降變形。
4結 語
本文基于鄂北工程花兒山隧洞冒頂塌方事件,采取洞內掌子面處噴混凝土封閉后地表塌陷處回填壓實,然后采用超前大管棚及新奧法施工的處理措施,開挖時安全順利通過此段,輸水線路下游楊樓隧洞淺埋段發(fā)生冒頂塌方時,亦采用此處理措施安全完成施工。目前,鄂北工程已完成全線試通水,經現(xiàn)場查勘并結合相關監(jiān)測資料分析,兩處隧洞冒頂塌方段均處于安全運行狀態(tài)。因此,淺埋隧洞施工前應及時查清地表情況,采取措施減小外水內滲,應提前做好地質預報,對有可能發(fā)生垮塌的洞段及時采用超前支護,一旦發(fā)生坍塌冒頂事件,應及時采取合理處置措施,確保人員安全和施工質量。
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(編輯:李 慧)