浅谈厦门北溪引水隧道下穿高速塌方治理与预塌技术

第１　１卷　第５ｚ期　２Ｏ１　１年　中　国水运　ＶｏＩ．１　１　Ｍａｙ　Ｎｏ　５　５月　Ｏｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔ　ｒａｎｓｐｏｒｔ　２０１１　浅谈厦门北溪引水隧道下穿高速塌方治理与预塌技术　王正水，　欧阳著　（浙江省隧道工程公司，　浙江杭州Ｉ　３１　０００５）　摘要：由于厦门北溪引水隧道线路较长，地质条件差、围岩变化大、地形复杂，在施工中隧道先后出现３次塌方。　主要介绍下穿高速塌方情况、原因分析以及治理措施和开挖过程中掌子面塌方的预防技术。　关键词：塌方处理；钢管桩；小导管加固；护拱　中图分类号：Ｕ４５６　３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１　１）０５—００８８—０３　一、工程概况及塌方介绍　（３）岩体风化　１．３－程概况　岩石风化深度明显受地形、岩性和断裂构造的控制，在　缓坡处岩石风化较深。全风化带下限埋深：为　１　１．５５￣２０．５０ｍ，强风化带下限埋深：为１　１．５５－２２．４７ｍ。　厦门九龙江北溪引水左干渠改造二期工程范围为江东进　水口一田边暗涵进口，改造段渠道长７．０７ｋｍ，采用新挖双孔　输水洞涵供水。新挖输水洞涵为两条无压自流洞涵，设计流　量１６ｍ。／ｓ，前段、中段为两条平行隧洞，后段为明挖箱涵　在残积土或全风化岩石中含有弱风化岩石的弧石。　（４）水文地质　地下水可分为孔隙潜水和裂隙潜水。孔隙潜水分布于第四　段。谈论段为穿越漳厦高速公路和鹰厦铁路，至田边暗涵进　口前出口。该隧道于２０１０年１１月１９日，施工过程中下穿　高速段发生塌方，对工程进度造成很大影响。　２水文气象和工程地质　系松散的坡残积层、人工填土及全风化岩体中，其含水量较小，　且季节性变化明显；裂隙潜水分布于断层破碎带及基岩裂隙　中。隧洞洞身处于地下水位以下，隧洞围岩多属弱透水～微透　水。隧洞过岩性分界线可能会出现较大的渗水和涌水。　３．塌方过程与围岩情况　该工程位于漳州地区，属亚热带海洋性气候，境内四季　如春，多年平均气温２１．Ｏ￣Ｃ，极端最高气温３８．Ｏ￣Ｃ，极端　最低气温２℃。多年平均降雨１２３６．ＯＯｍｍ，最大年降雨量　（１）塌方过程　１７０６．ｍｍ，最大月降雨量７００．８ｍｍ。年均相对湿度为　７８％；平均日照时数２３ｌＯｈ；风向多为东北风，年平均风速　为３．４ｍ／ｓ。　（１）地层岩性　２０１０年ｌ１月１９日该段下穿高速公路隧洞开挖已经施工　至厦漳高速公路右行行车道正下方约１７ｍ左右深度处，开挖　过程中严格按设计图施工，超前注浆小导管支护，每循环钢拱　架及时跟进，施工完成的钢拱架、喷射混凝土支护桩号为　６＋２７８．５，开挖面桩号６＋２７９．５，鉴于开挖面左右边墙与拱顶　不在同一桩号平面，无法实施钢拱架安设工作。于１９时对边　墙采用修小炮的方式修规爆破，现场施工员欧阳著按原计划在　爆破后先组织拱顶初喷混凝土封闭后再进行出渣。欧阳著进行　爆后检查时发现工作面拱顶出露的三块孤石已被震落，并不停　往下掉沙包土状的全风化粉砂岩，立即组织工人实施拱顶初喷　燕山晚期第一阶段第一次侵入的辉石闪长岩，第四系松　散堆积物。现由老至新分述如下：　①燕山晚期第一阶段第一次侵入的辉石闪长岩（ｖ８５３　（１）ａ）：灰黑色，矿物成分主要由斜长石和暗色矿物辉石、　黑云母组成。结构为半自形粒状，斜长石晶形一般较好，呈　板柱状，矿物颗粒均匀，块状构造。　②第四系松散堆积物：残积堆积（Ｑ　）（含砾）砂质粘　土，厚度９．１５－ｌ５．６ｍ；人工堆积（Ｑ　）碎石土、素填土等，　厚度２．５～５．Ｏｍ。　混凝土封闭，并第一时间通过洞内工作面程控电话将情况向项　目负责人汪宏兵汇报。汪宏兵立即带领项目总工胡光进和施工　员朱文魏赶赴工作面，并要求立即在喷混凝土中掺加钢钎维，　力争在最短时间内实行钢钎维混凝土封闭。经过近１小时的初　喷处理，未能起到封闭顶拱的效果，钢钎维混凝土附在顶拱没　过几秒就脱落，并不停的往下掉沙包土，１９时５０分顶部坍塌　已６ｍ多，现场局势已无法用初喷钢钎维混凝土控制。　（２）塌方处围岩情况　当时工作面地层正处于中风化与全风化交界面，顶拱岩　石岩性发生突变，上循环爆破后洞顶有二块可见面积约为　０．１—０．２ｍ。的孤石出露，孤石下部侵入设计开挖轮廓线内约　（２）地质构造与地震　工程区以断裂构造最为突出。断裂构造大多形成于燕山　期，岩浆岩侵入强烈。断裂构造以走向北西和北东者最发育，　其次是东西向和南北向，分布零散。北西向断裂规模一般较　小，形成时代较北东向断裂晚，切割北东向断裂带和燕山早、　晚期岩体，多集中分布于燕山晚期侵入岩体中。　据　中国地震动参数区划图＞）（ＧＢ１８３０６－－２００１），工　程区地震动峰值加速度为０．１５ｇ。相应的地震基本烈度为Ⅶ　度。　２０ｃｍ，边墙修规爆破震落孤石导致塌方后发现其上方为闪长　收稿日期：２０１　１－０４—１８　作者简介：王正水（１９７７一），浙江省隧道工程公司工程师。　欧阳著（１９７７一），浙江省隧道工程公司工程师。　第５ｚ期　王正水等：浅谈厦门北溪引水隧道下穿高速塌方治理与预塌技术　８９　岩经全风化而成的粉砂岩；围岩地质条件突变，中风化岩石　与全风化岩石之间过渡层很薄或缺失，全风化层为辉石闪长　岩全风化而成，呈致密砂砾状，无塑性并为富水饱和状态，　内部粘结力弱；尽管已采用超前注浆小导管固结，但是全风　化辉石闪长岩太致密，透浆性极差，压力灌注水泥浆的扩散　半径受限无法达到固结、止水效果。　交界面漏水很严重，最近一一组小导管孔成孔后、安装导　管前后水量均比较大，隧洞两侧边墙往拱顶轴线约１－２ｍ处　各有５—７根小导管管径的１／４是水，并一直在流淌，水质清　澈。　４塌方后存在问题　（１）塌方原因分析　１）围岩地质条件突变，中风化岩石与全风化岩石之间过　渡层很薄或缺失，全风化层为辉石闪长岩全风化而成，呈致　密砂砾状，无塑性并为富水饱和状态，内部粘结力弱；尽管　已采用超前注浆小导管固结，但是全风化辉石闪长岩太致密，　透浆性极差，压力灌注水泥浆的扩散半径受限无法达到固结、　止水效果。　２）现场实际实施的设计施工方案不适用于当前实际的围　岩地质条件，当前围岩条件下超前小导管注浆无法达到理论　上所应达到的预先加固周围岩体及堵住围岩裂隙水并在拱圈　上部形成一圈的有效防水层的预期效果。　３）孤石大小及其上部地层的岩性未做地质勘探仅凭经验　难以做出准确判断。　（２）塌方治理　２０：２０左右，项目负责人汪宏兵立即启动抢险救援应急　预案，并进行分工由汪宏兵负责到洞外进行抢险物资、人员组　织协调和外部联系；由胡光进和朱文魏在出险工作面负责领导　和组织抢险组织工人洞内就地取材，搬运枕木以封堵塌方工作　面，并负责将洞内抢险情况通过程控电话及时向洞外汇报；由　李仕春、汪仁标负责高速公路路面安全监测及警戒预备。　出洞后汪宏兵第一时间将险情通报业主、代建、设计、　监理单位，并要求紧急封闭漳州往厦门方向的高速公路，立　即往洞内增援人员、沙包、木料。２　１：１０北引张新民局长、　厦门水务集团副总张立勇、代建项目经理王元清、工程监理　部总监张瑞等各自带领所属单位工作人员赶赴工地现场指导　抢险工作，本项目３＃支洞工区负责陈玉泉、王正水接到增援　通知后带领一行２０多名工人和兄弟标段Ｃ２标增援的工人也　于２１：２０抵达工地投入紧张的抢险中。２２：Ｏ０时许在塌方　区下方渣土上填筑了由５～６层沙袋垒成的纵向宽度２ｍ、高　度１．５ｍ的沙袋垫层。然后采用方木、枕木垒成木垛直至隧　洞拱顶小导管位置，再往塌空区下方小导管上面充填了２—３　层方木和枕木以阻挡塌落物，随即一方面组织工人通过预埋　在塌方区的喷射管路往塌方空腔内充填了２￣３ｍ。喷射混凝　土，一方面继续填筑沙袋加强木垛侧压重，防止木垛支撑因　上方负重过大产生滑移。安装另外一条喷射管路在木垛支撑　和沙袋上喷射了厚度达２０￣３０ｃｍ的钢钎维混凝土，使形成　一个受力整体，防止产生滑移。经过５、６ｈ的紧张工作，在　２０日凌晨２：Ｏ０左右塌方工作面已完全封闭。　为确保万无一失，遵照抢险指挥部的指示，现场抢险加　固小组采用１　４样工字钢、厚度５　ｃｍ松木板对木垛支撑和沙袋　形成的围挡进行进一步的加固，使之与塌方前已施工完成的　工字钢喷射混凝土支护形成一个完整的受力体系，然后在围　挡后方采用洞渣回填的方式压重加固。２０日上午７：Ｏ０左　右通过预埋在塌方区的喷射管路往塌方空腔内充填了约４ｍ。　喷射混凝土，至此整个抢险工作完成。随后安排２个工人现　场巡查加固工作面的情况，组织监测人员对塌方区域后方进　行拱顶下沉、收敛变形量测，量测数据表明无明显变形，后　方是稳固的。　２０日下午１５时安排风钻工在塌方区后方塌方前已施工　完成的工字钢钢筋网喷支护上方钻凿深度为４ｍ的注浆孔２　个，采用ｌ：１水泥浆对塌方区内松散体进行加固注浆，分　别灌注７包、５包水泥的水泥浆，至２３：３０结束灌浆，灌　浆压力控制在０．２—０．３Ｍｐａ，终压０．３Ｍｐａ。　２０日２３：３０—２１日７：３０停工待凝。　２　１日上午组织风钻工重新钻凿深度为４ｍ的注浆孔２个，　采用１：１水泥浆对塌方区内松散体进行加固注浆，各灌注４包　水泥的水泥浆，至１５：３０结束灌浆，灌浆压力控制在　０．２—０．３Ｍｐａ，终压０．３Ｍｐａ。２　１时再组织工人对塌方区后方　拱顶钻凿深度为４ｍ的注浆孔６个，２２　Ｅｌ　０：Ｏ０开始采用１：　１水泥浆进行加固注浆，共灌注１５包水泥的水泥浆，至３：３０　结束灌浆，灌浆压力控制在０．２—０．３Ｍｐａ，终压０．３Ｍｐａ。　（３）后期治理过程注意问题　１）具体的处理措施　①在地表建立临时防排水设施。在高速路侧塌方附近设　置截排水沟，严防地表水灌入隧道。　②加强中隔壁左侧支护。在中隔壁左侧上、下导坑钢架　或木支撑中间加设环向封闭的型钢架进行支撑，钢架问采用　４２钢管进行纵向连接，钢管环向间距０．５ｍ。新增钢架与　既有支护体系密贴，确保新增钢架与既有支护体系能组成整　体受力体系。　③地表加固及回填处理。有必要在高速侧塌方区范围内　采用中４２钢花管对塌陷土体进行注浆加固。钢花管间距１．２　ｍｘ１．２　ｍ。注浆完成后将塌方可能存在的空腔回填密实，　以有效引排地表水，防止地表水下渗。　④施作超前注浆预支护。在地表回填注浆加固施工完毕　后，开始施作中隔壁右侧拱部超前长大管棚和超前小导管。　管棚采用中１２７钢管，钢管内设主筋为４根ｑ５２２钢筋的钢　筋笼以增加管棚强度，管棚长度为３０ｍ，环向间距０．４ｍ，　外插角５—１０。。超前小导管采用ｑ５４２钢花管，Ｌ＝３．５ｍ，　环向间距０．４ｍ，纵向搭接长度不小于２　ｉＴＩ，与大管棚环向　间隔设置。　⑤开挖塌方体。超前注浆预支护施工完毕后，开始进行　塌方处支护渣体的开挖和支护。　（６）塌方段开挖到原掌子面后，停止开挖，对掌子面进　行封闭处理，及时施作已开挖地段的仰拱及二次衬砌。　二、主要施工技术　１．地表注浆　（１）注浆施工前，先对陷坑表面进行平整，然后打设小　导管。　（下转第９１页）　第５ｚ期　四、安全防护措施　陈水和等：某隧道进洞段控制爆破技术总结　五、结束语　９１　该隧道工程洞口段爆破有害效应对周围环境的主要危害　为爆破飞石。为确保沈海高速公路行车安全，限制爆破飞石　飞出方向，在洞脸前方约５ｍ处设置遮挡排架，在洞脸与遮　挡排架问悬盖遮挡棚，遮挡排架、遮挡棚与边坡组合在一起　隧道进洞段爆破，其掏槽部分实质上是一个超强的抛掷　爆破，因为必须这样才能增加一个自由面，洞身围岩越硬，　其所需的抛掷力通常越大，在岩石均质的情况下，这不会造　成什么问题。而事实上，岩体部分脆弱结构面并不能被爆破　前获知，当爆破能更多的作用在脆弱面时，如果未对飞石采　取防护措施，飞石飞得距离是相当远的。个人认为，就飞石　对周围环境造成破坏的危险性而言，进洞段爆破比普通的露　天浅孔爆破要大的多，围岩越硬越要重视。在飞石防护措施　对爆破飞石进行封闭式围挡。遮挡排架高约８ｍ，由铁丝编　织旧毛竹片于钢管脚手架上形成，相邻毛竹片之间间隙不得　大于５　ｍｍ，毛竹片采用双层。遮挡棚两端支撑在边坡上，　另在洞脸上布置若干固定锚杆，用２２ｍｍ螺纹钢将遮挡排架　与固定锚杆焊接在一起，遮挡棚用钢管及２２ｍｍ螺纹钢作为　中，遮挡棚往往未被想到或不相信能这么做。事实上，每次　爆破过后，钢管脚手架遮挡排架破损严重，几乎需重新制作，　而遮挡棚除首次爆破外仅局部破损，修复后就可重新使用。　从破损情况看，遮挡棚只防护住了少量飞石，但实际上，飞　得最远的飞石往往由遮挡棚约束着。某类似工程进洞段爆破　施工时，仅设遮挡排架，未设遮挡棚，结果第１次爆破、第　骨架，其上满布废模板并用铁丝绑扎牢固。每次爆破前都必　须对遮挡排架、遮挡棚进行完好性检查，如有破损的必须在　联接起爆网络前修复完毕。进洞段爆破安全防护措施见图２。　２次爆破还好，第３次爆破时一块重２ｋｇ多的石块越过遮挡　排架和警戒人员共飞出２００多米才落下，差点砸中一正在浇　菜的老农，把警戒人员吓出一身冷汗。可见，进洞段爆破，　如果警戒距离不能大于３００ｍ，飞石防护措施必不可少，遮　图２进洞段爆破安全防护措施示意图　挡排架、遮挡棚和边坡组合是一种较好的飞石防护措施。　（上接第８９页）　（２）注浆采用自下而上式孔口封闭注浆法。注浆材料为　水泥浆，水灰比为０．８：１～１：１。注浆压力根据注浆深度控　制在０．１－０．６ＭＰａ。　（１）围岩条件复杂情况下，塌方地段均缺少地质超前预　报，加之施工打设炮眼、锚杆孔、超前支护眼孔过程对围岩　进行短距离超前探测重视不足和操作人员经验欠缺，且未进　行中长距离的超前地质预报，对前方围岩和拱部围岩情况无　法了解动态情况，造成无法及时调整施工工艺。因此，对超　前预报的手段，特别是地质复杂的特殊地段隧道应引起足够　重视。　（３）注浆顺序，先施工边缘帷幕孔，再施工加固孔。　２．大管棚施工　（１）主要设备：ＨＴＣ一１００管棚水平钻机、ｗＴ一２５０／７　泥浆机、ＳＲ一１电磁导向仪。　（２）钻孔方法：采用ＨＴＣ一１００管棚钻机楔形可变向钻　头带管钻进，管径为ｑ５１２７ｍｍ，管与管采用丝扣连接加电　（２）及时调整开挖方法。特别对围岩分布不均匀情况，　施工中如果采取如三台阶或上台阶半断面等方法，或许可以　避免塌方或降低坍塌规模。　（３）在松散、软弱、破碎围岩段，需局部爆破时，必须　严格控制炮眼深度、间距、装药量，减小对软弱破碎围岩的　扰动。　焊辅助的方式。钻进５－７ｍ后通过导向仪将钻头方向调整至　水平钻进，从而保证管棚钢管在开挖轮廓线以上，且不至太　高。钻进过程中采用自然钻进，必要时采用风冷钻进，严禁　水冷或泥浆冷却钻进。　（３）管内填充注浆：注浆采用水泥浆，注浆时分段保压，　使注浆尽可能饱满。注浆压力０．１—０．２　ＭＰａ。　３塌方体开挖　（４）合理安排部署，缩短各工序时间，选择合理的循环　进尺，采用如早强快硬材料快速封闭围岩面，减少围岩的暴　露时间很有必要。　（５）加强施工过程的质量，特别是超前支护的施工质量　控制是重点。　开挖分上下台阶进行，先开挖上台阶，后开挖下台阶。　上台阶开挖时预留核心，开挖后及时施作初期支护及临时支　护，打设拱脚锁脚锚管，并架设横撑，施作临时仰拱，尽早　封闭支护结构。下台阶开挖时先开挖边墙一侧，施作边墙初　（６）配备适当数量的应急物资，如钢管、钢拱架、快硬　水泥、编织袋等。此次塌方的特性是由掉块逐步扩大，最后　形成塌方。出现掉块后若能有效抑制围岩变形，将使出现大　范围塌方机会降到最小。　四、结语　期支护。打设墙脚锁脚锚管，并架设底部临时横撑，然后开　挖剩余部分。塌方体开挖时做到随开挖，随支护。支护结构　及时封闭成环。　三、预防塌方技术探讨　该隧道塌方虽当场得到有效治理，并未造成严重后果及　恶劣社会影响，但对工期和施工成本造成了巨大影响，但现　场治理措施是可行的，从量测情况看治理是成功的，同时也　给工程技术人员提供了一些经验。　从厦门北溪引水隧道发生的开挖过程中掌子面顶部塌方　情况看，塌方是可以避免的。但如何预防，笔者认为：