小浪底引黄工程土洞段塌方冒顶处理探析

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小浪底引黄工程土洞段塌方冒顶处理探析
张君
(山西小浪底引黄工程有限公司，山西垣曲043700)
[摘要]以小浪底引黄工程土洞段冒顶塌方为例，根据实际情况结合其他工程塌方处理经验，选用明挖塌体结
合拱架、钢筋混凝土回填加固施工方案，成功解决了该工程土洞段冒顶塌方问题，可为类似隧洞工程施工提供
参考。

[关键词]塌方冒顶；混凝土浇筑；钢拱架支护；挂网喷护；小浪底引黄工程
[中图分类号]TV674 [文献标识码]C[文章编号]1004-7042(2016)04-0046-02
1工程概况
小浪底引黄工程是山西省“两纵十横”中的第九 横，主要解决运城市中东部大部分地区的工农业用 水难题。

2号引水隧洞是小浪底引黄工程的主干线工 程，全长53 km，其中桩号47+430—59+590段为2号 引水隧洞末端，是2号引水隧洞中唯一的土洞段，长 12.16 km,位于运城市闻喜县境内。

桩号52+966—59+ 590段为小浪底引黄工程施工！标，总长6.6 km，采 用人工开挖，为无压引水隧洞，设计断面为城门洞型，尺寸3.8 mx5.0 m(宽X高），设计流量16.25 m3/s，设计 纵坡1/3 000,洞内水深2.97 m，隧洞全线采用钢筋混 凝土衬砌。

2冒顶区地质条件及塌方冒顶原因
2.1冒顶区地质条件
该段隧洞位于涑水河河谷左岸的岸坡处，主要通 过地层为第四系上更新统坡洪积低液限黏土夹低液 限粉土，局部夹砂卵石，土层厚度较薄。

此段隧洞洞身 多位于湿陷土层中，隧洞周围土层遇水易产生湿陷变 形，且该层多具中等压缩性，易产生压缩变形，成洞条 件相对较差。

经现场地质钻孔勘察，该段含砂层较多。

砂层厚度0"4.5 m，其中59+332—59+350段地表有建 筑垃圾，建筑垃圾最高处约12 m。

根据取样室内土工试验资料，其干密度为1.22"
1.69 g/cm3,平均值1.40 g/cm3;天然压缩系数为0.06"
0.85 MPa-1，平均值0.23 MPa-1，具中等压缩性;饱和压 缩系数为0.06"1.30MPa-1，平均值0.33 MPa-1，具中等压 缩性;饱和压缩模量为2.4"11.9 MPa,平均值7.6 MPa;垂直渗透系数平均值为1.32x104 cm/s，多具中等透水 性;水平渗透系数平均值为1.16x104 cm/S，多具中等透水性；黏聚力11.8"32.9 kPa，平均值20.1 kPa;内摩擦角17.0。

"23.0。

，平均值20.2#。

钻孔标贯击数5" 14击，一般在7"9击，基承载力80"100kPa。

本段隧 洞洞身位于湿陷性土层中，遇水易产生湿陷性变形，且该段含砂层较多，成洞条件相对较差。

2.2冒顶原因
施工！标出口段埋深较浅，粧号59+240—59+ 375段地势低洼，为地表雨水汇集处，且围岩厚度较 薄，洞顶土层最薄处不足8 m,从2014年10月施工到 该段出现局部坍塌，随即采用直径108 mm的大管棚 施工，施工结束清理掌子面堆积体时出现二次冒顶坍 塌（粧号59+332—59+337)。

究其原因主要是该段顶 部厚8 m的土质覆盖层均为混凝土块、砖块等建筑垃 圾，起不到顶部支撑保护作用。

另外，在施作管棚过程 中，跟管钻进施工工艺缺陷，接头套管连接不牢固，造 成接头部位相对薄弱，管棚内未设置钢筋笼，导致 已施工的部分管棚在接头处断裂，造成原地表二次 坍塌。

3塌方冒顶处理措施
3.1 方案比选
塌方发生后施工单位及时采取了撤离人员、设备 等应急措施，并通知各参建方尽快到达施工现场，对 本次坍塌冒顶进行现场查看。

根据以往处理塌方经验 提出了三种可选方案：超前小导管注浆施工方案，迈 式锚杆注双液浆施工方案和明挖塌体结合拱架、钢筋 混凝土回填加固施工方案。

超前小导管注浆施工方案具有施工速度快、成本 低、操作简单等优点，但由于小导管直径较小，承受上 部压力有限，并且要求小导管前部未开挖岩体具有一
山西水利
山西水利
定的自稳支撑能力，不能满足现场情况。

迈式锚杆注双液浆施工方案施工速度较慢、成本 高、操作难度大，需要专业钻具及专业施工队伍，但迈 式锚杆管棚较长、刚度强、注浆加固长度范围较大，前 部未开挖岩体支点经注浆后有一定的自稳能力，承受 上部压力的能力较强。

明挖塌体结合拱架、钢筋混凝土回填加固施工方 案具有施工速度较快、成本较低、操作简单且无需专 业设备和专业队伍即可施工的优点。

综合比较，确定采取明挖塌体结合拱架、钢筋混 凝土回填加固方案进行处理。

3.2冒顶塌方处理
3.2.1冒顶塌体处理
冒顶区生活垃圾处理：由于冒顶区地表有生活垃 圾堆积，首先对其进行清理，清理范围为隧洞边线外 围3~4 (清理完成后对坑底周围进行围挡防护，并设 置警戒标志，安排专人看守，防止发生意外。

洞内塌体清理:地表清理完成后对洞内坍塌体进 行清理，只清理自然滑落部分，清理到露天后对自然 滑动出来的塌坑周边进行排险工作。

3.2.2洞内外加固处理
塌体处理清理到露天后对自然滑动出来的塌坑 采用钢结构铺设钢板，在塌坑上方形成防护体，或对 塌坑周壁进行厚度不小于10 cm的混凝土喷射，防止 落石伤人。

清理出1~2榀钢架范围后，及时施作工字 型20,型钢拱架，钢拱架间距不大于30 cm，可根据实 际情况放至25~35 cm,拱架间纵向连接筋为直径25 mm的钢筋，环向间距1m，在钢拱架外侧布设双层 直径8 mm,间距150 mmxl50 mm的钢筋网片，钢拱 架要封闭成环，并临时布设I 16横撑、竖撑型钢，喷射 C20混凝土进行初支，本段处理完成后，继续按以上 原则进行清理跟进，直至处理完整个塌坑范围（桩号 59+338—59+333 )，露天段侧直墙喷射C20混凝土，厚 度不小于50 cm。

由于侧墙为粉砂层，清理过程会出现 坍塌，须将坍塌空腔用混凝土回填密实，严禁出现 空洞。

塌方段开挖支护处理:塌坑处理完成后，在掌子 面管棚间及后续在2次进洞掌子面(15 m范围，桩号 59+333—59+318)范围内插打直径42 mm的超前小导 管，再对未塌方部分进行开挖，超前小导管长度4.5 m，环向间距30 cm,纵向搭接长度不小于1.5m。

人工开 挖，每次开挖以50 cm为宜，打设长2 m,直径25 mm,间距1m的系统锚杆，并及时支护I20,钢拱架，钢拱 架间米用直径25 mm的连接筋进行连接，布设直径
技术与应用_2016年第4期
8 mm,间距150 mmx150 mm的钢筋网片；米用直径42 mm的锁脚锚杆，每根长3 m,待初期支护完成2~3 榀钢拱架后对未成环初期支护底板进行横撑封闭成 环，封闭过程中采用短进尺，一次仅开挖一榀钢拱架 的距离。

首先将横撑部位人工开挖成20 cm宽的槽 状，然后将横撑安装完成，横撑采用I16型钢，并与边 墙工字钢连接牢固，然后再人工开挖两榀工字钢之间 的底板土，开挖深度不小于25 cm，开挖完成后人工夯 实，纵向横撑之间米用直径25 mm的钢筋连接，连接 筋环向间距1m，之后用C25混凝土浇筑，混凝土厚 度不小于 25 cm。

塌方段混凝土回填处理:为保证隧洞塌方段安全 及后期承压稳定，需对塌坑腔进行井字形型钢支撑，并对塌坑腔进行混凝土回填处理。

待塌坑腔段初支强 度达到一定强度后，采用原施作的井字形型钢进行支 护，井字形横梁距离初支拱架顶部50 cm，中间浇筑 C20混凝土，横梁上方浇筑50 cm厚的C20混凝土。

井字形型钢两腿坐落在初期支护侧墙上，横梁长 6.5 m，直腿长3.11 m，纵横向各设2根，并焊接牢固，再分层回填C20混凝土，每层回填厚度不大于50 cm,且两侧需同时进行回填处理。

混凝土回填至洞顶以上 1m范围，待达到设计强度的807后再回填土，分层 回填至原地面，每层土回填厚度不大于2 m。

回填土至 地表后做47的斜坡，将外水引至路侧，防止再次积水 引起渗水。

3.3 处理效果
本次冒顶处理历时短，耗费人力物力较少，截至 2014年10月底，发生冒顶塌方的59+240—59 + 375段已开挖支护完毕，后期未再发生掉块或塌方现 象，冒顶塌方处理效果显著。

经后期定期跟踪监测与 地质雷达检测，均未发生收敛变形，说明上述塌方冒 顶段处理方案可行。

4结语
在水利工程引水隧洞工程施工过程中，由地质原 因引起的塌方在所难免，且塌方情况各有不同，土洞 塌方情况难以处理。

因此在隧洞开挖时应及时做好以 下工作:一是加强地质预报工作。

尤其是在土洞段遇 有涌水情况时，要引起高度重视，并制定合理的开挖 方式；二是遇到塌方时及时制定切实可行的处理方 案;三是塌方处理时要注意安全，支护时遵循“宁强勿 弱”的原则，不可盲目追求进度。

[作者简介]张君（1977-)，男，2005年毕业于河海大学工程管理专业，工程师。

[收稿日期]2016-02-07 =[修回日期]2016-03-12
2016 年 4 月47。