小断面有压引水隧洞塌方处理技术

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081)

1 工程概况

山西省小浪底引黄工程位于山西省运城市，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。工程年引水量为2.47亿m3，设计流量20m3/s。工程主要解决运城市区及其周边县城的生活、农业灌溉、工业用水，工程社会效应和意义重大。

小浪底引黄工程(引水干线部分)施工II标负责的引水压力管道是连接调压井和地下泵站之间的有压引水隧洞，主管段的施工范围为S5+853.966～S6+011.142，长157.176m，设计径向尺寸为2.90m，开挖断面为马蹄形。隧洞反向掘进施工至S5+880.00桩号时处于断层破碎带内，断层破碎带影响范围大，开挖过程中S5+881.00～S5+873.80段顶拱及侧壁坍塌严重，最深处垮塌约6.0m～7.0m，两侧壁底部有多处浑浊涌水，并且洞室结构极不稳定，存在很大的安全隐患。

2 地质情况说明

引水压力管道地处板涧河下游与黄河小浪底库区交汇的三角形地带，隧洞围岩岩溶发育，多中等透水性。引水压力管道桩号S5+880.00～S5+870.00洞段处于断层破碎带，围岩以浅黄色薄层～厚层含泥质白云岩、泥质条带白云岩夹泥质软弱夹层，较软岩～中硬岩，结构破碎，剪切破坏很严重，剪切面平直粗糙，沿断层破碎带多处涌水，涌水点主要集中在掌子面两侧下部，涌水量大于200m3/h，受断层影响顶拱连续坍塌严重，孤石悬空，最大塌空区约长6m、宽7m、高6.5m，围岩极不稳定，为特殊不良地质洞段；桩号S5+870.00～S5+853.966洞段围岩为灰黄色浅灰色中厚层白云岩，中硬岩，围岩结构破碎，裂隙发育，裂隙面平直粗糙，泥质物充填，掌面左侧底部较大涌水，顶拱坍塌严重，围岩极不稳定，为Ⅴ类围岩。

3 方案对比和介绍

塌方后，参建各方高度重视，立即安排人员进行值守和观察。由于塌方体极不稳定，在出渣过程中顶拱及侧墙出现掉块、垮塌现象，需立即采取封闭和脱空处理措施。

3.1 管棚超前支护法处理

在常规的塌方处理中采取“管棚超前支护法”施工，是将掌子面封闭后，在隧洞起拱线以上布设管棚(φ108mm×6mm，L=12.0m，采用花管注浆)，管棚采用压注水泥浆进行围岩加固。管棚施工及注浆施工难度大，耗时较长，造价高，处理完成后再进行掘进开挖施工，无法满足节点目标要求。

3.2 混凝土回填配合超前小导管加固处理技术

由于小浪底引黄工程施工工期紧张，同时引水压力管道S5+880.00～S5+853.966段围岩条件差，已开挖掌子面随时可能出现掉块、垮塌现象，存在较大安全隐患，作业人员无法直接进入掌子面进行施工。为保证施工安全，经参见各方现场研究，考虑隧洞断面小，采取“先稳定塌方区域，再稳定推进”的原则，进行引水压力管道剩余洞段的施工。即将塌方段空腔及底部采用用C20混凝土回填完成后，再重新钻爆开挖，出渣完成后加强支护，并在塌空区往前掘进开挖时采用I16工字钢加强支护和在顶拱起拱线以上增设超前小导管的措施进行处理。

4 小断面隧洞塌方处理技术

根据现场实际情况及工期要求，项目部经研究决定采取了混凝土回填配合超前小导管加固处理的措施。

4.1 塌方回填处理

(1)由于塌方部位地质条件差，在掌子面两侧下部涌水点集中，涌水量>200m3/h，为避免S5+881.00～S5+873.80段侧墙再次出现垮塌，同时鉴于洞渣孔隙率大，排水性能好，有利于地下水的排出，垮塌渣体暂时不进行清除，采用挖掘机将垮塌渣体修整形成约2m高的施工平台。

(2)为方便塌空区域泵送C20混凝土回填，在塌空区域布设2根φ125mm泵送混凝土管(L=9.0m，外露3m，高度方向错开布置)，泵送混凝土管深入顶拱垮塌区域，保证回填的密实程度。由于隧洞为有压引水隧洞，隧洞支护质量直接影响后期运行安全，故同时在塌空区域预埋设5根φ48mm(L=8.0m)回填灌浆管，保证后期回填灌浆质量。

(3)为了确保施工人员安全，从已完成钢支撑支护的位置回退1m进行模板安装，并在回退范围内环向布设EVA复合防水板，确保新浇混凝土与原喷射混凝土分隔开，便于后期混凝土拆除。

(4)由于隧洞塌方量大，若全部采用混凝土回填，回填成本及后期开挖工程量都较大，为减少混凝土回填以及后期混凝土开挖量，在布设EVA复合防水板下部区域堆积约2m高沙袋，同时达到减少模板安装工程量的作用。

(5)通过预埋的φ125mm泵送混凝土管对塌空区域采用C20混凝土泵送回填浇筑，将整个塌空区域回填密实，回填时先采用坍落度较大的混凝土回填深入较低的泵送混凝土管，有利于填充空隙。

4.2 回填混凝土开挖和一期支护

(1)混凝土回填完成14d后，采用钻爆法对回填成整体的塌方区重新进行爆破开挖，为保证设计净空半径，同时对该区域加强支护，开挖时适当进行扩挖。为保证施工安全，采取短进尺、弱爆破的方式施工，每轮进尺控制在0.5m～1m。开挖径向尺寸由原来的2.9m调整为3.1m；钢拱架由原设计的I14工字钢调整为I16工字钢，同时紧跟掌子面支护，钢拱架间距调整为30cm；连接筋采用φ32螺纹钢，环向间距调整为0.2m，将钢拱架焊接成整体；每榀钢拱架布设12根φ22、L=3.0m锁脚锚杆与拱架焊接牢固，锁脚锚杆间排距1.0m。

(2)开挖完成后及时进行回填灌浆，将顶拱可能存在的空腔回填密实，保证后续施工安全。

(3)加强监控量测工作，埋设变形观测点，以监测数据指导施工，如发现异常及时采取相应应急措施，及时撤离并研究解决方案。

图1 塌方区域处理示意(单位：m)

4.3 小断面隧洞加固处理技术

4.3.1 超前小导管支护原理

超前小导管是稳定开挖工作面的一种非常有效的辅助施工方法。在软弱及破碎岩层施工中，超前小导管对松散岩层起到加固作用，注浆后增强了松散、软弱围岩的稳定性，有利于完成开挖后与完成初期支护时间内围岩的稳定，不至于围岩失稳破坏直至坍塌。

超前小导管注浆适用于隧道拱部软弱围岩，松散、无粘结土层、自稳能力差的砂层及砂砾(卵)石层级破碎岩层。

通过超前小导管注浆能改变围岩状况及稳定性，浆液注入软弱、松散地层或含水破碎围岩裂隙后，能与之紧密接触并凝固。浆液以充填，劈裂等方式，置换土颗粒间和岩石裂隙中的水分及空气后占据其位置，经过一定时间凝结，将原有的松散土颗粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水性能良好的固结体，使得围岩松散破碎状况得到大幅度改善。

4.3.2 隧洞开挖施工措施

(1)自塌方掌子面桩号开始，为避免再次出现塌方现象，造成成本、进度、质量等损失，在顶拱起拱线以上增设一排超前小导管(φ42，L=4.5m)，环向间距20cm～30cm，外倾角5°～10°，搭接长度不小于1.0m。

(2)采取短进尺、弱爆破的方式施工，每轮进尺控制在0.5m～1m。开挖径向尺寸由原来的2.9m调整为3.1m；钢拱架由原设计的I14工字钢调整为I16工字钢，同时紧跟掌子面支护，钢拱架间距调整为50cm；连接筋采用φ32螺纹钢，环向间距0.2m，将钢拱架焊接成整体；每榀钢拱架布设12根φ22、L=3.0m锁脚锚杆与拱架焊接牢固，间排距1.0m；挂设钢筋网φ8@20cm×20cm。

(3)小导管和拱架施工后，人工将洞壁两侧石渣清理干净，并采用喷C20混凝土20cm回填密实，以确保上部回填混凝土结构稳定。

(4)加强监控量测工作，以监测数据指导施工，如发现异常及时采取相应应急措施，并研究解决方案。

(5)后期衬砌时，扩挖部分与二期衬砌同时浇筑完成。

图2 塌空区前方施工示意(单位：m)

5 塌方处理结果

在施工过程中进行变形观测，该地段围岩为Ⅴ类，埋深50m～300m，最大允许变形值U0=0.005×5.8m=29mm。根据一个月的实测数据显示，累计变形值U=1.54mm，小于Uo，变形速率小于0.2mm/d，且趋于稳定，根据《水利水电工程锚喷技术规范》(SL 377-2007)监控设计规定，围岩趋于稳定，可进行下道工序施工。

通过以上施工技术措施历时25d成功穿越塌方段，在后续洞段施工中，再未发生塌方情况。在塌方段处理投入情况见表1。

表1 塌方段处理工程量

对预埋回填灌浆管，进行回填灌浆，灌浆成果如表2。

表2 回填灌浆成果

6 结语

隧洞塌方是一种常见的工程现象，塌方会给施工带来很大安全隐患和重大经济损失，塌方一旦发生，要及时采取合理的处理方法和措施，避免塌方扩大。本次塌方处理后，经监控量测分析最大变形值和日变形值均满足规范要求，围岩及支护结构处于稳定状态，同时在施工过程中未发生任何安全事故，在保证施工进度的同时，保证了隧洞施工安全。回填混凝土配合小导管进行小断面塌方处理，具有工序简单、安全可靠、进度快、成本低的特点，可为类似工程塌方处理提供借鉴。