导流隧洞塌方原因分析及处理技术

导流隧洞塌方原因分析及处理技术

刘遵亚张太国

身份证号码：37081119900503XXXX山东水总有限公司

摘要：平塘县擦耳岩水库工程导流隧洞工程在使用钻爆法施工过程中出现塌方，不仅给施工带来了很多困难，还严重的制约工期。本文结合实际，主要对围岩塌方的原因进行分析，并介绍如何快速的进行临时支护，从而防止了围岩进一步的塌方。

关键词：围岩塌方、原因分析、临时支护

Abstract：intheprocessofusingthemethodofdrillingandblastingintheprocessofrockbursttunnelconstruction，thecollapseofthetunnelisnotonlybroughtaboutmanydifficulties，butalsoseriouslyrestrictedtheconstructionperiod.Inthispaper，themainreasonsforthecollapseofsurroundingrockareanalyzed，andhowtoquicklycarryouttemporarysupport，soastopreventthefurthercollapseofthesurroundingrock.

Keywords：surroundingrockcollapse，causeanalysis，temporarysupport

前言

隧洞导流作为施工导流方式的一种，导流隧洞在其开挖后原有的地应力平衡被打破，受结构方面影响，加之裂隙水作用，围岩承受附加的渗透压力。在围岩完整性差的区段，极易发生塌方。加之洞线较长，施工作业面有限，如果处理不当可能影响整个工程的工期。所以对软弱地质灾害规律的认识及防治对策的研究显得尤为重要。

1、工程简介

擦耳岩水库导流洞工程位于河道右岸山体中部，导流洞全长466.97m（其中隧洞洞身段310.47m），为无压隧洞，断面为城门洞型，开挖断面直径6.9m×8.4m，一次喷锚支护10cm厚C20混凝土，二次现浇60cm厚C25钢筋混凝土衬砌，衬砌后断面直径5.5m×7.1m，进口高程710.0m，出口高程709.0m。

2、隧洞塌方区基本地质情况

导流隧洞0+030-0+090桩号。洞身围岩为P3d深灰色薄层硅质岩夹泥岩组成，硅质岩原生节理发育，呈碎裂状，岩层为薄层状，且以软岩为主，岩体抗风化能力弱，遇水易软化变形，洞身围岩稳定性差，使岩体完整性变差，围岩类别为Ⅳ类，局部因构造裂隙影响为Ⅴ类。

3、坍塌情况

流隧洞在施工至0+048m段出现塌方，初始表现为掉块，随之出现裂隙水滴落，节理发育带大面积剥落。塌方为拱顶上3m，宽度为4m。塌方出现后，施工人员及施工机具及时撤离至安全地带。塌方使正常的的开挖掘进工作一度中断一周以上。

4、隧洞施工塌方原因

塌方稳定后，通过察看围岩塌方情况。总结起来有以下几个原因：

（1）地质因素

受构造断裂带的影响，围岩极其破碎，部分区段呈现小褶皱，围岩自承能力极差。本区段围岩节理带发育，并且为深灰色薄层硅质岩夹泥岩组成，结构面的夹泥层为抗剪强度极低的塑性夹层，岩体结构面结合力低。并且洞线与主要断层走向接近水平。爆破开挖后岩体原有的受力平衡被破坏，岩体在自重的作用下，应力重新分布。是造成塌方的主要因素。

（2）水文因素

在施工前几日，贵州黔南连降几次大雨。导流隧洞穿过岩溶发育区。根据资料[1]，降水汇集到低洼的溶斗、落水洞，短时间内即可顺畅的达到岩溶水水面。我国南方岩溶发育的地区，降水渗透入渗系数达50%-80%。导流洞工程平均埋深为34m，属于浅埋隧洞。降水很快会到节理面，裂隙水在结构面上产生润滑作用，围岩沿构造带方向滑动。潜在的应力被释放，围岩失稳而发生坍塌。

（3）施工方法及措施不当

3.1在隧洞施工过程中由于施工人员对地下工程地质情况不了解，无法全面的对围岩自稳能力进行估计，没有及时采取合理的开挖方法，岩体失稳而来不及支护，因而产生塌方。

3.2爆破作业操作中，炮孔间距过大，单孔装药量过多。对围岩振动影响很大，造成围岩失稳。

3.3封闭不及时。围岩暴露时间过长，快速氧化，迅速发生塑性变形，引起了塌方。

5、新奥法理论基础

现阶段隧洞的开挖以新奥法理论[2]为指导。在实际施工中，通过对隧道地质预报、监控，采用支护结构，尽量利用围岩自承能力的施工方法。其特点是在开挖面附近及围岩及时喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。

新奥法其基本要点是：

（1）开挖作业宜采用对围岩扰动较少的控制爆破技术和较少的开挖步骤，避免过度破坏岩体的稳定；

（2）隧洞的开挖应尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；

（3）根据围岩特征，采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的支护如钢拱架、喷射混凝土和锚杆等，以控制围岩的变形和松弛；

（4）在软弱破碎围岩地段，爆破完成后，最快的喷射混凝土，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，保证隧洞的稳定性；

（5）尽量使隧洞断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中；

（7）通过施工中对围岩和支护结构的动态观测，合理安排施工程序，修正不合理的设计和进行日常施工管理。

通过了解新奥法支护结构设计原理，分析隧洞塌方以及已支护围岩受破坏的原因，并依据新奥法理论指导施工。

6、塌方处理方案的选择

格栅拱架支护的选择

方案对比及选择：在处理塌方地段考虑采用钢支撑（16#工字钢制作）支护和格栅拱架（主筋用Φ25钢筋制作）支护两种方案进行支护。首先对两种方案进行比较：

（1）制作与安装。施工时，型钢拱架用I16型工字钢需要在工厂弯制成拱形，有时会出现运输不及时现象。造成塌方地段支护不及时，错过最佳支护时机。而格栅钢架质量相对较轻，在厂区钢筋加工厂制作成型。通过装载机运输，人工协助安装，相对方便快捷。

（2）成本比较。项目所在贵州黔南州当地无钢拱架加工企业，需要到200公里以外的贵阳市进行加工，运输成本较高。加之塌方及支护的不确定性，无法统计准确的数量。定做多余的钢拱架容易造成极大的浪费。而钢筋格栅拱架可以在厂区自己加工，成本较低。

（3）效果情况。虽然钢拱架前期刚度较高，但是后期会出现喷砼剥落情况，隧洞中湿度比较大，裸露的钢拱架容易锈蚀，后期强度变低。而钢

筋格栅拱架虽然前期强度较低，但是能和混凝土结合好，形成一个受力整体，后期强度高。

所以在实际应用中我们选择钢筋格栅拱架作为临时支护的首选项。

7、处理步骤

现场观察坍塌趋于稳定后，即开始对塌方进行处理，步骤如下：

（1）清除个别危石：塌方成拱稳定后，对于拱顶存在的危石、悬石等情况，必须认真观察并清除；

（2）新形成的临空面在与空气、裂隙水的共同作用下，会迅速风化变软，层间粘结力迅速减弱；我们对已清除危石后的临空面喷射50～150mm厚素砼进行封闭，以减少空气对围岩的氧化作用。由于喷砼含有的粗骨料含量较少，收缩性较大，故喷砼厚度不小于50mm[3]。

（3）制作安装钢格栅拱架：钢筋格构架的由两片骨架构成。每片骨架由4根Φ25HRB400钢筋组成，箍筋采用HPB300φ12，固定弯起加强筋采用Φ14HRB400钢筋。接头采用长200mm厚10mm10#角钢进行连接，每块角钢用机械打φ25的螺栓孔；在两片骨架连接处焊接两根帮条焊焊。格栅拱架安装时紧贴于岩面以保证其能更好的受力。每榀格栅拱架间距为0.5m。

（4）安装钢筋网片：在钢格栅拱架上方铺设100mm×100mm定制网，分上下两层绑扎，上层与超前锚杆绑扎，下层与两拱架之间的环向连接筋绑扎。

（5）焊接连接筋：由于塌方后顶拱空腔较大，无法进行系统锚杆施工，为确保拱架的稳定性，对顶拱连接筋间距进行加密，采用Φ25的HRB400钢筋连接。钢筋格构架根据地质情况按环向间距50cm～100cm设置，钢架与纵向连接筋尾部采用焊接。连接筋采用Φ25，单根长度为1.2-1.5m；

（6）每侧拱脚处设置6根Φ25锁脚锚杆，长2-3.5m，间距1.0m，以确保下部开挖时侧壁的稳定；

（7）塌腔充填

塌方后拱顶上方会形成较大空腔。在施作拱架后，因为空腔较大，为防止塌落岩体冲击力过大对拱架进行破坏，需要对塌腔进行充填。由于充填物只是起到一个缓冲作用，在实际施工中采用重量较轻，并且施工方便的方木作为填充物，方木按井字形摆放。

（8）对塌腔、钢格栅拱架分次进行喷砼充填密实。让钢格栅拱架形成一个受力整体。该洞段喷护混凝土的标号为C20。喷混凝土采用湿喷法施工，喷护顺序为先喷边墙、后喷顶拱。喷护混凝土时将格栅拱架钢筋全部覆盖，厚度不小于40cm。两榀间距为50cm。在塌方较大的部位除填充方木外，需要进行回填灌浆，在安装拱架时，在拱顶预留灌浆孔，在拱脚处预留溢浆孔。待喷砼达到标准强度的75%后，开始进行回填灌浆。以溢浆孔出浆后30min后停止灌浆。

（9）超前锚杆：在已塌方段采用格栅拱架、系统锚杆、挂网和喷混凝土工序全部施工支护完成后继续进行后面洞段的开挖施工。为预防开挖过程中再次塌方，在隧洞开挖造孔前，先用超前锚杆对掌子面围岩进行超前锚固。向上倾角为12°～15°，超前锚杆采用Φ25螺纹钢，L=3.5m；间距依据岩层情况为20cm～50cm。焊接时，将超前锚杆和格栅拱架焊为一整体，使其更好的受力。

8、处理后效果

在对塌方段处理后，及时的布点，对塌方围岩段进行监测。监测的主要项目为拱顶下沉、周边收敛。

监测结果显示；由于1d内喷砼的轴心抗压强度较小，在喷砼1d内，拱架下沉较大，周边收敛值较大。2d以后，围岩达到一个相对稳定的状态。

9、结语

（1）围岩的塌方主要与围岩的岩性、结构面性质及地下水有关。在Ⅲ、Ⅳ类围岩中，初期的封闭、临时支护显的尤其重要。及时的封闭掌子面能避免围岩的快速氧化，从而避免围岩的塌落；及时的安装临时支护能使围岩重新进行应力分配，形成稳定的结构体。

（2）在隧洞爆破开挖中，根据围岩的类别，及时的修正爆破参数。在软弱围岩中要根据新奥法理论，遵循“短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”几大原则。遇到结构面发育或断层破碎带时，严格控制每孔装药量，避免因爆破振动诱导的塌方。

（3）对于钢格栅拱架拱顶等连接处要焊接牢固，防止连接不牢导致拱架不能发挥效用。

（4）针对不同类别围岩，制定针对性的支护措施，避免围岩大变形的再次发生。对于结构面特别破碎的情况下，后期选择刚度较高的钢拱架结合小导管方案通过软弱带。

参考文献：

（1）水文地质学基础（王大纯等）

（2）《新奥法设计施工与管理》冯紫良

（3）《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB50086-2015）