不良地质条件下小断面水工隧洞施工塌方处理

【摘要】水工隧洞工程施工由于受地形、地貌、地质和空间的约束，相对其它水工建筑物，具有施工难度较大、施工工期较长等特点。由于有些水工隧洞的地质条件比较差，尽管在工程实际中要求采用短进尺、强支护、快衬砌的施工措施，但也不可避免的发生不同程度的隧洞塌方。本文基于此对不良地质条件下小断面水工隧洞施工坍方处理进行了探究。

中图分类号： TV672+.1 文献标识码： A 文章编号：

小断面水工隧洞一般均采用全断面掘进法开挖。由于全断面开挖主要适用于石质坚硬、完整的围岩，但在比较松软的围岩条件下，对于较小的隧洞断面，为方便、快捷地施工，也不得不采用全断面掘进法开挖。对于比较松软的围岩，特别是Ⅳ--Ⅴ类及以上围岩，自身稳定性差，隧洞成型很困难，工程实际中要求采用边挖边衬的工程措施。尽管如此，在工程施工中也常常不可避免地发生不同程度的隧洞塌方。

不良地质条件下小断面水工隧洞坍方产生的原因

1、地质条件原因

（1）隧洞穿越不稳定的岩体松散地层，诸如饱和含水的黏土、壤土、湿陷性黄土、流砂、严重风化破碎带、堆积层等以及断裂、褶皱带；含有各种不利的软弱、破碎结构面的围岩；膨胀、岩溶溶洞、陷穴、暗河、偏压及高地应力等地质不良区域。

（2）地形、地貌上，当隧洞穿越垭口、冲沟、河谷或傍山地区，以及隧洞洞口埋深、覆盖较浅地段时，容易塌方。

（3）隧洞穿越地下水丰富区域也是重要因素，地下水丰富的土层、全风化及强风化围岩洞段极易发生塌方；具有较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中的破碎岩体和软弱充填物时，而产生不同程度的塌方。

2、支护方法和施工手段不当

（1）开挖后没能及时对稳定性差的围岩进行支护，让围岩长期暴露，在岩石风化、山体渗流的作用下，山体很容易出现塌方的情况。瀑布沟水电站工程其附属的引水隧洞工程在洞身开挖完成后，就曾因上述情况，在风化和地下渗水的作用下，小规模坍方事件多次发生。

（2）在隧洞前期爆破时，因强烈震动引发塌方，其原因是装药过多或采用强爆破所致，易采用弱爆破，适当调整爆破参数可以避免因爆破震动而引起的坍方事故。

（3）发生支护构件强度低、支撑的位置不当或支护结构不符合实际的情况时，在衬砌、支护的过程中必须拆除，否则会发生隧洞坍塌事件。

3、勘察设计的原因

（1）水工隧洞工程一般为长线状布置，且往往布置在山区地带，交通和施工条件相对较不便利，勘察设计点多、线长、面广，任务较为复杂繁重。在设计时，由于业主担心勘察费用过高或勘察设备方法的简陋、勘测设计受自然条件限制等，对洞线可能遭遇断层、富水、破碎、软弱等地质情况估计不足。

（2）地质勘察工作不深不细，或判断错误，设计洞线本应避绕的而错误地定位通过，对可能发生塌方的隐患没有查明。

（3）隧洞位置选择不当，没有绕避应当且可避绕的地质不良地段；或洞线方向与断层、裂隙、岩脉等破碎带夹角太小、甚至方向平行等等。

（4）有充分的技术、经济论证必须穿过不良地质区段时，设计提出的支护衬砌型式、技术措施不尽合理，结构强度偏低；另可能为减少工程投入，安全支护参数过小，未能取到支护稳定围岩的作用，而最终导致较大塌方的发生。

4、施工过程的原因

（1）在施工过程中由于施工人员对隧洞工程地质情况掌握不够，忽视围岩细微变形，对围岩自稳能力作过高的估计，造成思想上的麻痹大意，从而选择了不合适的施工方法，如不恰当地急于进洞、装药量过多、爆破方法选择不当、围岩暴露时间过长导致风化程度加剧、初期支护不及时不牢靠、永久支护落后过远、没有适当地调整工期等，并且未采取其它补救措施。

（2）选择了不适合围岩情况的施工方法，如本应小断面开挖的，采用了大断面开挖法；应采用先拱(上部)后墙(下部)法的，却采用了先墙后拱法等。对已塌方洞段处理支护不当，造成再次塌方。

二、不良地质条件下小断面水工隧洞塌方预防和处理措施

1、不良地质条件下小断面水工隧洞隧洞塌方的预防

（1）施工中应正确合理选择施工方法和防塌方技术措施，准备必要的材料和工具。防塌方技术措施有：搞好施工排水、采用弱爆破或不爆破开挖技术、合理掌握开挖进度、加强支撑和衬砌进度等。

（2）勘测设计过程中塌方预防

①地质勘察的科学性、准确性对预防隧洞的塌方起着至关重要的作用

设计时能够采取最优的洞线，对不良地质判断准确，使施工时能引起施工单位的重视，在通过不良地质洞段时，会有很好准备，从而选择合理开挖方法，及时采取有效的支护，预防塌方的产生。设计人员应做好地质勘察预报工作，掌握隧道所处区域的地质和水文地质资料，防止工程损失。

②合理的设计能有效避免和预防塌方的产生

在掌握隧洞区的宏观地质背景、构造特征、地质地貌特点和较为详细的其它地质资料，分析隧洞区域内的断层、破碎、富水带、高应力分布情况，合理进行隧洞的断面型式设计及支护参数设计。

围岩在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重新分布，应及时采取支护，在隧洞的设计过程中都要对最佳断面型式及支护参数进行设计，如何选定安全、有效、经济的断面型式及支护参数，对隧洞坍方的预防起着不可忽视的作用。若支护参数考虑的安全系数过大，会增加工程的投入；支护参数考虑过小，就可能因支护强度不够，再临时更换较大强度支撑，造成应力再一次重分布，而引起塌方。

（3）施工过程中塌方的预防

①加强施工过程中的地质预测

水工隧洞是一个线状的隐蔽工程，一些长隧洞往往穿越山峰沟谷，穿过多种岩类，多个构造，跨越几个地质单元，因而隧洞工程地质本身就十分复杂，勘测设计阶段的地质勘察只能从宏观上分析整个隧洞区域的基本地质情况，对埋深较大的洞段无法进行勘察，造成局部地质资料不足。因此，施工过程中的地质预测、预报必不可少，及时根据掌子面的地质情况进行未开挖洞段的地质情况预测、预报，对可能出现的局部地段围岩破碎引起失稳、塌方和遭遇的断层、涌沙、涌水能及时进行预测，以提醒施工人员采取合理的开挖和支护方法，预防塌方的发生。

②消除施工人员麻痹或冒进思想是预防塌方发生的前提

施工人员为了抢施工进度，对围岩的自稳能力过于乐观，或由于地质条件一直较好，思想上过于麻痹，对突然出现的断层等估计不足，准备不充分，很容易造成塌方。为此，在隧洞的施工过程中，要对工期作合理的安排，在思想上要有对可能出现的各种不良地质情况有打持久战的准备；在施工组织设计上要有对可能遭遇的塌方有详细对应的技术措施。当出现断层或其它不良地质现象时，不要慌张忙乱，要冷静地对地质情况作详细的分析，充分了解围岩和地质特性；在思想上、处理原则上一定要按照就低不就高的原则进行开挖和支护；加强对围岩的变形观测和分析，对超过允许范围的较严重变形洞段应及时采取相应的支护，抑制围岩的进一步变形，预防塌方的发生。

不良地质条件下小断面水工隧洞隧洞塌方的处理

根据塌方的规模和塌碴的补给情况，塌方可分为大塌方和小塌方。当塌方体厚度大， 范围长， 已将开挖坑道堵死，或塌方还继续不停的扩展、人员不能或不易进人塌穴的， 属于大塌方。当塌方体不足以将坑道全部堵塞、在较长时间内不再发展或基本停止，人员有可能进入塌穴观察处理的，则属小塌方。无论是大塌方还是小塌方，都应认真对待，并根据塌方的实际情况制定相应的塌方处理技术措施。

在处理方法上，应按“小塌先支后清”和“大塌先棚后穿” 的原则快速进行。“小塌先支后清”就是指当塌方量不大时，应将塌方的顶部支撑牢固，避免继续坍塌，防止洞顶掉块砸伤施工人员，因为当隧洞发生第一次塌方后， 自然拱范围内的围岩还有继续坍塌的可能，塌方坑道的两侧边坡常不稳定，先清除塌碴可能会使侧壁失去平衡而松动塌落，塌方坑道进一步增宽，自然拱进一步增高而再次塌方；如此反复，极有可能引发大塌方。当然，若围岩地质条件较好，塌方只是局部的松软夹层，且范围不大，经观察分析不会继续坍方时，也可先对塌碴进行清除处理，再进行支撑或不支撑。“大塌先棚后穿”就是指当塌方量很大，一时难以清除，塌穴形状和大小无法查明时，可将塌方体视为松散破碎的地层，采用超前管棚固结灌浆和径向固结灌浆形成棚顶。在棚顶的保护下，人工开挖、钢拱架加强支护的方法穿越塌方体。

工程实例

四川省大渡河瀑布沟水电站移民安置永定桥水利工程主体工程CⅢ（输水工程）标段石岗山隧洞出口特殊地质地段。石岗山隧洞共长2122m，断面型式为城门洞型，开挖断面为(宽×高)2.6mx2.9m；本工程为石岗山出口K17+639.673-K18+139.673，在进入隧洞桩号K18+139.673后，洞内围岩破碎（主要是为覆盖层中块石夹泥），地下水丰富，地质条件很差，隧洞顶拱垮塌十分严重，严重威胁施工人员的安全。经工程建设业主、设计、监理、施工四方现场察勘，一致同意确定该段为特殊地质条件，经多方论证最后采用了管棚+型钢拱架支护进行施工处理，最后顺利地完成了施工任务。由于在具体施工操作中爆破造孔困难大，易卡钻，所以管棚采用直进式中空锚杆。具体施工方法：

1.开挖前支护

（1）直进式锚杆的加工

根据隧洞出口围岩的具体情况，决定采用直径为32mm中空锚杆，以便注浆。中空锚杆选用质优的生产厂家进行生产加工。

（2）直进式锚杆的安装

在隧洞起拱线以上布置两排超前的直进式锚杆，长度为4m，间距为10cm，环向布设，交错布置，采用风动凿岩机进行钻进，再用高压风清除孔内杂物。

（3）注浆

中空锚杆安装后，连接注浆管，用塑胶泥封堵孔口，同时配制浆液，调试注浆机，进行压水试验，检查机械设备工作是否正常，管路连接是否正确。确定无误后，将配制好的水泥浆液倒入注浆机储浆筒内，水泥浆液浓度为0.5-0.7∶1单液水泥浆，开动注浆机，通过小导管向周边围岩压注水泥浆。

注浆按照由低到高隔孔预注或群孔注浆的方法进行。单孔注浆时，首先以初压注浆，然后在终压下进行注浆并保持10min再卸荷，保证注浆量及扩散半径达到设计要求，达到超前加固的目的。注浆过程中，对浆液应不停搅动，避免沉淀分层，影响浆液浓度。

（4）施工工艺

管棚的施工工艺流程见图1

（5）施工注事项

A、注浆前应做好清孔及封堵。

B、过滤浆液杂物，防止堵塞注浆管和中空锚杆。

C、严格控制注浆压力控制在0.2mpa，以防压裂开挖面，同时不宜上升过快，压力达到规定时稳压一定时间，以利浆液进一步渗缝。

D、一个导管注浆时，相邻导管应打开止回阀，以利管中储存的裂隙水从相邻导管流出。

E、注浆浆液应在规定的时间内用完。

2、洞室开挖后支护：

（1）底板采用C20砼厚30cm，边墙采用喷C25砼20厚。

（2）钢拱架施工

钢拱架采用I14工字钢拱架，纵向间距考虑每1榀/0.3-1m；紧接钢筋混凝土暗洞之后开始，根据具体的地质情况实施。

a钢拱架加工：

出口钢拱架按设计要求，预先在洞外综合加工厂加工成型；加工时先将加工场地用C15混凝土硬化，按设计放出加工大样。

将工字钢冷弯成形，要求尺寸准确，弧形圆顺 。允许误差为：沿隧洞周边轮廓误差不应大于±3cm； 钢拱架平放时，平面翘曲应小于±2cm。

石岗山隧洞出口钢拱架适用于出口段及支洞洞室段、主洞后期浇筑钢筋混凝土衬砌洞段的Ⅴ类及以下围岩洞段

b钢拱架安装

为确保隧洞围岩的稳定，钢拱架安装的时间应该安排在拱顶小导管注浆完毕之后、隧洞开挖期间，并且是边向洞内开挖、边安装钢拱架。

为增强钢拱架的整体稳定性，将钢拱架与锚杆焊接在一起。沿钢拱架设直径为ф22cm的纵向连接钢筋，并按环向间距15cm设置。

为使钢拱架准确定位，钢拱架架设前均需预先打设定位系筋。系筋一端与钢拱架焊接在一起，另一端锚入围岩中2m并用砂浆锚固，当钢拱架架设处有锚杆时尽量利用锚杆定位。

钢拱架架立后尽快喷混凝土作业，喷射顺序应从下向上对称进行，先喷射钢拱架与围岩间的空隙，后喷射钢拱架与钢拱架之间的混凝土，并将钢拱架全部覆盖，其保护层厚度不得小于4cm，使钢拱架与喷混凝同受力。

喷射混凝土分层进行，每层厚度5～6cm，侧向厚度20cm。先从拱脚或墙脚处向上喷射以防止上部喷射料虚掩拱脚（墙脚）不密实、造成强度不够而使拱脚（墙脚）失稳。

（3）钢拱架施工工艺

钢拱架施工工艺流程参见图2

管棚（直进式锚杆注浆）施工方案图

总结

不良地段的地质条件很差，塌方后更容易再次发生塌方情况，若不及时采取合理的措施，小塌方极有可能会演变为大塌方。所以，隧洞施工时临时支护具有重要意义。除此之外，对衬砌以外的空洞采取合理的措施处理如回填、灌浆等方法使之密实，力求从根本上杜绝可能出现的塌方，保证施工安全、提高经济效益。

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