趙 杰

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

萬壩水庫工程聯(lián)通隧洞由于受地形條件和樞紐布置限制,隧洞軸線與巖層走向夾角較小,巖層傾角為緩傾且為軟巖,根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）劃定圍巖分級為Ⅳ、Ⅴ類,Ⅳ圍巖穩(wěn)定評價(jià)為不穩(wěn)定,圍巖自穩(wěn)時(shí)間很短,Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定,圍巖不能自穩(wěn)。項(xiàng)目實(shí)施過程中,由于水利工程小斷面短距離隧洞一般一期支護(hù)后較長時(shí)間才能進(jìn)行二期混凝土永久襯砌,因此一期支護(hù)穩(wěn)定往往是控制施工安全的重點(diǎn),冒頂塌方事故一般發(fā)生在一期支護(hù)。本文針對特殊地質(zhì)條件下水工隧洞的一期支護(hù)設(shè)計(jì)及隧洞冒頂塌方原因分析,提出相應(yīng)的處理方案及建議。

1 工程概況

萬壩水庫位于德江縣沙溪鄉(xiāng)黃泥溪上游,為馬蹄河左岸支流,屬長江流域?yàn)踅?。水庫正常蓄水?173 m,校核洪水位1174.24 m,總庫容108.3 萬m3,工程等別為Ⅳ等,工程規(guī)模屬小（一）型。工程設(shè)計(jì)內(nèi)容包括水源工程和供水工程兩部分,主要建筑物有主壩和副壩,主庫開敞式溢洪道,主庫與副庫聯(lián)通隧洞,取水兼放空建筑,加壓泵站、輸水配套建筑等組成。聯(lián)通隧洞進(jìn)口底板高程1163.0 m,過流斷面為直徑D=3.0 m 圓形斷面,底坡坡率6.45‰,聯(lián)通隧洞設(shè)計(jì)總長L=310.0 m,校核工況下最大設(shè)計(jì)過流能力14.6 m3/s。

2 聯(lián)通隧洞一期支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 工程地質(zhì)條件

聯(lián)通隧洞地層巖性為志留系中上統(tǒng)韓家店群（S2-3hn）灰綠、紫紅色薄至中厚層粉砂質(zhì)泥巖。隧洞長L=310.0 m,隧洞由進(jìn)口段、洞身段,出口段組成。進(jìn)口段樁號為0+000.0～0+030.0 m,隧洞軸線與巖層走向夾角約8°,巖層視傾角15°左右,洞室埋深0～12 m,該段位于強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化巖體中,巖體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育,整體穩(wěn)定性較差,局部處位于地下水位以下,根據(jù)圍巖工程地質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn),該段隧洞圍巖類別為Ⅴ類。洞身段樁號為0+030.0～0+257.0 m,隧洞軸線與巖層走向夾角約2°,巖層視傾角12°左右,洞室埋深12 m～66 m,隧洞位于微新巖體中,節(jié)理裂隙少量發(fā)育,整體穩(wěn)定性一般,該段位于地下水位以下,在洞室開挖中可能產(chǎn)生坍塌及涌水,該段隧洞圍巖類別為Ⅳ類。出口段樁號為0+257.0～0+310.0 m,隧洞軸線與巖層走向夾角約2°,巖層視傾角14°左右,洞室埋深0～19 m,該段位于強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化巖體中,巖體較破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育,整體穩(wěn)定性差,局部處位于地下水位以下,在洞室開挖中可能產(chǎn)生坍塌及涌水,該段隧洞圍巖類別為Ⅴ類。

2.2 隧洞一期支護(hù)設(shè)計(jì)

本工程隧洞圍巖巖性為粉砂質(zhì)泥巖,單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rb=22.3 MPa,穩(wěn)定性較差（Ⅳ類、Ⅴ類）,且地下水位高,開挖后暴露空氣中軟化速度快,強(qiáng)度降低。根據(jù)隧洞地下部分各段埋深、圍巖分級及物理力學(xué)指標(biāo),一期支護(hù)采用噴混凝土、掛網(wǎng)、系統(tǒng)錨桿,鋼支撐等剛性支護(hù),緊跟開挖面及時(shí)支護(hù)。Ⅳ、Ⅴ類圍巖一期支護(hù)設(shè)計(jì)均采用錨噴支護(hù)+鋼支撐結(jié)構(gòu)形式,噴C25 混凝土14 cm（與工字鋼齊平）,鋼支撐型號為14#工字鋼（排距0.5 m）,Ф22 系統(tǒng)錨桿（長L=3.0 m）,正三角形布置,間距3.0 m。

圖1 隧洞縱斷面圖

圖2 支護(hù)設(shè)計(jì)圖

2.3 隧洞冒頂塌方原因分析

本工程雨季施工時(shí)間較長,地下水水位較高,里程0+052～0+060 m 洞身段頂拱發(fā)生冒頂塌方,地面形成一個(gè)直徑4 m,深3 m 的地表塌陷,洞內(nèi)掌子面被覆蓋,分析隧洞冒頂塌方主要由以下原因構(gòu)成：

2.3.1地下水豐富

本隧洞冒頂塌方段施工期為汛期,暴雨后地下水豐富,粉砂質(zhì)泥巖軟化,隨著地下含水量的不斷增加,外水壓力增加與巖體抗剪參數(shù)降低多方面不利因素組合,致使暴雨后隧道出現(xiàn)坍塌的可能性較大。

2.3.2施工方法不合理

由于隧洞尺寸較小,采用鉆孔爆破開挖,施工時(shí)裝藥量偏大,斷面超挖嚴(yán)重,對圍巖穩(wěn)定擾動(dòng)大；施工時(shí)開挖較長距離均未進(jìn)行一期剛性支護(hù),圍巖自穩(wěn)能力差,斷面底部積水未及時(shí)抽排,進(jìn)一步軟化基礎(chǔ)；同時(shí)由于大量超挖,鋼支撐支撐懸空未緊貼頂拱巖面[1],施工時(shí)未進(jìn)行縮腳錨桿固定鋼支撐,鋼支撐未能與圍巖成一個(gè)整體分擔(dān)圍巖壓力,導(dǎo)致圍巖進(jìn)一步松弛,圍巖壓力增大,使鋼支撐后期變形嚴(yán)重。

2.3.3隧洞變形監(jiān)測缺失

在隧洞冒頂塌方發(fā)生前,冒頂塌方部位圍巖往往會(huì)發(fā)生較大位移變形,本工程未根據(jù)規(guī)范要求加強(qiáng)對圍巖的監(jiān)控量測,未根據(jù)“巖變我變”的原則實(shí)施動(dòng)態(tài)管理,致使支護(hù)參數(shù)與施工方法不及時(shí)調(diào)整；此外,施工作業(yè)人員的安全與質(zhì)量意識差,對于施工中可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識不足等,也是導(dǎo)致隧道坍塌的重要原因。

圖3 隧洞坍塌現(xiàn)場照片

圖4 工字鋼變形嚴(yán)重

2.4 隧洞冒頂塌方處理方案

地表警戒→地面冒頂區(qū)域搭蓋雨棚→雨棚周邊做截水溝→洞內(nèi)冒頂塌方掌子面噴C20 混凝土（20 cm）→長管棚+超前小導(dǎo)管注漿→洞內(nèi)出渣→短進(jìn)尺鋼支撐+錨噴支護(hù)→地表陷坑回填夯實(shí)及防滲處理。其中主要施工工藝流程如下：

1）冒頂塌方臨空面噴C20 砼（厚20 cm）封堵。

2）防止施工過程中上部松散巖土坍塌,保證施工安全,需設(shè)置超前注漿長管棚（輔以超前小導(dǎo)管）,注漿長管棚利用Φ100 潛孔鉆,打設(shè)Φ95 的超前大管棚孔,沿拱部及邊墻一定范圍布置。

圖5 管棚注漿工藝流程圖

長管棚注漿參數(shù)設(shè)計(jì)如下：①水泥漿液水灰比（質(zhì)量比）1∶1,水泥漿液與水玻璃漿液比1∶0.5（體積比）,其中水玻璃濃度為35 波美度,模數(shù)2.4；注漿壓力建議值：初始壓力0.5 MPa～1 MPa,終壓2.0 MPa,根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)調(diào)整。②注漿結(jié)束后采用M10 水泥砂漿充填鋼管,根據(jù)實(shí)際情況決定鋼管內(nèi)是否安裝鋼筋籠以增強(qiáng)管棚抗彎強(qiáng)度。③單根鋼花管的注漿量根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：

式中：r為漿液擴(kuò)散半徑,取R=0.6Lo（Lo為鋼管中心間距）；L為管長； 為注漿飽滿系數(shù),取0.85；η為空隙率,%。

3）從里程0+052 m 處開始向冒頂塌方方向頂拱120°范圍內(nèi)進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿。

4）采用小型挖機(jī)清理封閉冒頂塌方斷面的松碴,每清理60 cm 支立2 榀I16 型鋼支撐封閉,圓拱腰部設(shè)4 排2.5 m 長Φ25 鎖腳錨桿,焊接牢固,拱架間采用Φ22 螺紋鋼筋相連,間距25 cm,拱架內(nèi)外雙層Φ10 mm@20 cm×20 cm 鋼筋網(wǎng),噴C20 填滿鋼支撐。

5）鋼支撐變形較大使二期永久襯砌斷面尺寸不夠的部位, 需徑向灌漿加固變形較大部位,提高圍巖抗剪參數(shù)后重新鑿除和錨噴支護(hù)處理。設(shè)計(jì)固結(jié)灌漿深度2.5 m,間排距2.0 m,初始灌漿壓力0.5 MPa～1.0 MPa,根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)調(diào)整。

圖6 冒頂塌方處理后現(xiàn)場圖

3 結(jié)論

（1）地下工程受目前地質(zhì)勘察技術(shù)限制,在初步設(shè)計(jì)階段不能完全掌握工程地質(zhì)情況,施工階段應(yīng)做好施工地質(zhì)詳細(xì)勘察,設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)施工監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

（2）對泥巖地層隧洞施工,盡量避免在汛期地下水豐富時(shí)段施工。

（3）隧洞施工應(yīng)選擇有豐富經(jīng)驗(yàn)的施工班組,控制爆破質(zhì)量避免對圍巖造成較大松動(dòng),嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范,保證施工安全與質(zhì)量。

（4）施工過程中應(yīng)按規(guī)范短進(jìn)尺開挖,及時(shí)做好錨噴支護(hù),抽排地下水,防止圍巖進(jìn)一步松弛；對一期支護(hù)鋼支撐,應(yīng)及時(shí)噴早強(qiáng)混凝土填充鋼支撐后空洞,保證鋼支撐與圍巖結(jié)合共同分擔(dān)圍巖壓力。

（5）施工過程中應(yīng)嚴(yán)格對隧洞變形進(jìn)行監(jiān)測,對變形較大部位及時(shí)提出預(yù)警,及時(shí)加固處理。