富水粉细砂层隧道突涌塌方处理方案

赵敬波

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京市 101300）

1 概述

2016年9月6日，山西小浪底引黄工程引水干线2#隧道土洞段开挖至里程56+434时，隧道拱顶出现直径约1 m的塌腔口，伴随着出水、拱部土体及细砂颗粒逐渐从塌腔口向掌子面塌落。

9:00，塌落体已堆满整个掌子面，且继续向后方堆积，于右侧边墙起拱线附近形成泥沙流。

10:40，泥沙已冲积至距离掌子面20 m左右位置，且仍旧向后方发展。

15:30，泥沙堆积物涌至距离掌子面70 m左右的位置，塌方体逐渐稳定。通过现场估算此次坍塌方量约为1400 m3左右。

2 工程水文地质

塌落物介于粉砂至粉土，含泥含水量大，遇水呈流体状，具有较大黏性，人员、机械行走困难。判断该段岩性以低液限黏土为主，洞顶存在粉细砂层，有地下水。

3 地表地物情况

里程56+434附近地表高程585 m，地势由西北向东南方向倾斜，略有起伏，附近存有一定数量的厂房、水池、民房、电线电杆等建筑物及电力设施，电力电线走向与洞轴线一致；隧道洞顶至地表深度为101 m，离里程56+434最近的地表建筑为一处混凝土结构蓄水池，距离约20 m，经沉降观测未发生地表塌陷现象。

4 处理方案

通过对洞内塌方现场进行详细踏勘，对塌落物进行分析，回看现场塌方发生的过程视频，初步推测该段塌方部位地层结构，如图1所示。

图1塌腔地层推断图

该方案优先考虑洞内处理，具体施工步骤如下。

4.1 泥沙清理

待洞内泥沙堆积物趋于稳定后，对泥沙堆积物进行清理，最大限度地减少扰动，采用机械配合人工的方式，从下游方向逐步向上游方向进行清理。清理至距离掌子面30 m的位置时（里程56+464），为防止后续清理过程中掌子面松散体向下滑落可能导致的二次坍塌，距离掌子面15 m（里程56+449）处设置密排小导管栅栏（此步骤可在前方泥沙清理过程中多次使用）[1]。具体步骤如下：

为方便人员出入，首先铺设竹胶板至里程56+449处，人工清理施工平台，架设横向支撑钢架，支撑钢架与初支钢架搭接牢固，并依托横向钢支撑施作密排小导管，小导管单根长度4.0 m，向下斜角30°直达隧道底部，尾部与钢架焊接牢固。小导管施作结束后，对栅栏前后附近抛填片石挤密松散体。

清理栅栏后方泥沙堆积物，及时进行土石反压回填，回填高度2～3.5 m，逐步清理泥沙并回填片石砂袋反压至距离掌子面15 m位置（里程56+449）。

自里程56+449开始，先清理上台阶泥沙，为防止在清理过程中发生二次滑塌，上台阶清理至距离掌子面10 m位置（里程56+444）时，设置C20喷射混凝土墙，厚度50 cm，拱部采用 108 mm管棚对前方松散体及塌腔口周边进行水泥-水玻璃固结注浆。管棚具体施工部位及间距根据现场施工条件确定，为确保管棚能够穿越前方塌方松散体并插入原状土体，此次管棚施工长度为16 m。管棚注浆固结之后继续清理上台阶塌方体至掌子面里程56+434，下台阶清理泥沙逐步跟进至距离掌子面5 m位置，台阶形成后采用C20喷射混凝土封闭掌子面，设置C20混凝土墙，厚度50 cm。

4.2 塌方及塌方影响段初支背后注浆固结加固

泥沙清理完成后对掌子面塌方及其影响段初支背后土体进行排水固结和注浆加固及止水，施工顺序为先拱部后侧墙；施作 42 mm径向小导管，长度3.0 m，环向间距0.8 m，纵向间距1m，梅花形布置；小导管穿透初支混凝土，深入初支背后土体，入土深度不小于2.5 m，利用小导管对初支背后积水进行降排，待排水充分后，为进一步固结初支背后土体，对 42 mm径向小导管进行固结注浆，并逐环向掌子面推进，采用水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为 0.5～1 MPa。

在不改变地层组成的前提下，将土层颗粒间存在的水强制挤出，使颗粒间空隙充满浆液并固结。其注浆特性是使该土层黏结力、内磨擦角值增大，使地层黏结强度及密实度增加，起到加固作用；颗粒间隙中充满不流动而且固结的浆液后，可以使土层透水性降低，从而形成隔水层。

为确保隧道掌子面的稳定，灌浆前对该段初支进行加固，利用已有平台，于起拱线附近架设钢横撑及斜撑，横撑与平台之间的间隙利用木板加固垫实。加固方式如图2所示。

图2 初支加固示意图

4.3 塌腔回填

洞内初支及背后土体注浆固结加固后，对坍塌里程地表进行测量放样，确定灌注孔及排气孔的位置，采用地质钻机对已测定好的孔位进行钻孔，孔径130 mm，钻孔方向垂直于隧道洞身，钻孔以钻杆到达空腔顶部作为结束条件，详细记录钻孔过程。

进行地表C25混凝土回填灌浆前，根据钻孔取得的数据，估算空腔体积、形状，确定理论灌注量；为减轻混凝土回填过程中隧道塌方段初支背后受力，整个地表回填灌浆分多次进行，首次灌注厚度不大于塌腔高度的1/3。为保证隧道后期运营及地上建筑物安全，需确保塌腔部位回填充分后方可结束灌注。

灌注过程中洞内应暂停施工，防止因灌浆过程中初支背后受力过大，导致隧道掌子面初支变形、塌方扩大等情况发生，且应保持洞内洞外联络畅通。

4.4 管棚超前加固施工

待回填混凝土达到设计强度70%后，首先拆除洞内临时钢支撑，搭建管棚施工平台，施作超前大管棚。此次采用跟孔钻进的施工方法进行管棚施工[2]。

自里程56+434开始在拱部180°范围内设置管棚，管棚长度12 m，管棚密排布置，管棚外插角为 5°～8°。

4.4.1 管棚施工参数

（1）施作范围：拱部180°，每环管棚长度为12 m，管棚搭接长度4 m。

（2）钢管规格：热轧无缝钢管 108 mm，壁厚6 mm。

（3）倾角：仰角8°（不包括隧道纵坡）。方向：与路线中线平行。

（4）管棚钢筋笼：钢筋笼主筋采用 20 mm螺纹钢，每根管棚内设3根，长度12 m，成等边三角形布置，三角形边长8 cm，箍筋采用 8 mm圆钢，纵向间距30 cm。

4.4.2 施工准备

（1）利用隧道洞口的现有场地实现“三通一平”。

（2）铺设钻孔平台。利用钢管搭建活动式管棚施工平台，宽度与隧道宽度相同，长度从掌子面向洞口方向铺设10 m，根据钻孔位置调整到合适高度，钻机要求与已设定好的孔口方向平行，钻机位置必须严格按照施工要求设置。

4.4.3 施工方法及顺序

（1）钻孔施工。拱部180°施作管棚，拱顶范围钢管以隧道中心线为基础上仰8°，用全站仪测定中线，水准仪配合垂球吊线的方法测定仰角，准确定位。根据现场实际情况，若边墙也需要施作则待拱部施工结束后再继续下挖，进行两侧管棚施工，直至结束。

开钻时先低速低压，等成孔几米后再加速加压。钻进过程中随时检查钻孔方向的准确度。

（2）按设计位置施工布置，钻机立轴方向必须准确控制，以保证孔口的孔向正确，钢管随着钻头的钻进入孔，钻进中应经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜及时纠正。

（3）入管。为使钢管接头错开，有必要对钢管进行钢节编号。

4.4.4 超前管棚注浆

采用一次全钻孔注浆，管棚注浆达到浆液扩散半径不小于0.5 m，根据土质情况选定注浆方式，水泥浆水灰比1∶1。配置水泥-水玻璃双液浆。注浆压力：初压0.5～1 MPa，终压2.5 MPa。

4.5 开挖及初支

管棚注浆施工结束后，采用三台阶法进行人工开挖，只清理自然滑下来部分，或对塌坑周壁进行喷射混凝土支护，厚度不小于10 cm。

初期支护采用I16型钢钢架，钢架间距50 cm；上台阶钢架设临时横撑，待下台阶钢架落底成环后再进行拆除。每榀钢架设置 25 mm锁脚锚杆，锚管长3 m，每榀设置8根。 8 mm钢筋网片，网格间距为15 cm×15 cm。采用 25mm纵向连接筋对钢架进行连接，环向间距0.5 m，喷射C20混凝土，厚度为15 cm。

为控制围岩收敛及沉降变形，初支完成后及时对底板进行封闭成环。底板扩挖20 cm，底板钢支撑及时封闭成环，并浇筑C25混凝土。

5 结语

（1）富水粉细砂层颗粒松散，无黏聚力，遇水极易液化，开挖过程中极易发生突涌塌方，对隧道结构和施工人员设备造成极大的危害。

（2）土质地层条件下，围岩变化快，为加强地质预见性，在进行地质勘察时应对勘探点进行加密，针对围岩变化及时进行方案调整。

（3）针对在富水粉细砂层等极软弱围岩条件下的隧道突涌塌方处理，在塌落体清理前应对其进行加固，避免发生二次突涌塌方。

（4）处理过程中应极其重视临时支撑的施作，避免隧道结构发生变形破坏，危及人员安全。