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摘要：浅埋隧洞开挖受不良地质条件、长时间降雨及施工不当等因素影响，易发生地表塌陷，导致隧洞冒顶事件。介绍了鄂北地区水资源配置工程花儿山隧洞冒顶塌方处理，根据现场地形地质情况综合分析，采取洞内掌子面处喷混凝土封闭后地表塌陷处回填压实，然后以超前大管棚和新奥法施工处理。实际施工中，开挖时能够安全通过此段隧洞。研究成果可为此类浅埋输水隧洞冒顶塌方处理提供参考。
关键词：浅埋隧洞;冒顶塌方;掌子面封闭;超前大管棚;鄂北地区水资源配置工程
中图法分类号：TV554 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.010
文章编号：1006 - 0081（2021）08 - 0048 - 04
1 工程概况
鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）是从丹江口水库清泉沟隧洞引水，向湖北省北部襄阳市、随州市和孝感市供水的大型调水工程，工程设计年引水量7.7亿m3，设计供水人口482万人，灌溉面积约24.23万hm2（363.5万亩），输水线路总长269.67 km，沿线主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各类水闸等，其中隧洞共55座，总长119.43 km。
花儿山隧洞位于湖北省枣阳市红花村以北约500 m，长0.27 km，布置于输水线路桩号137+330～137+600段，为无压输水隧洞，隧洞设计引水流量26.7 m3/s，设计纵坡为1∶11 000，底板高程119.51～119.49 m，断面为马蹄形，过水净尺寸为6.5 m×6.5 m（宽×高），开挖尺寸为7.7 m×7.7 m（宽×高）。花儿山隧洞沿线地面高程136～148 m，相对高差10 m左右，为垅岗地形，地形较为平坦，洞顶平均埋深20.3 m，约为2.6倍的开挖洞高，隧洞围岩类别为Ⅳ类，围岩不稳定，开挖状态下易失稳[1]。
2 隧洞冒顶塌方过程及原因分析
2.1 隧洞冒顶塌方过程
花儿山隧洞采用钻爆法开挖至桩号137+366处，掌子面围岩岩性为钠长片岩、透闪阳起片岩，呈强风化状，围岩类别为Ⅳ类。此段隧洞爆破施工每循环进尺长度为1.0 m。在完成该循环出渣作业后，发现掌子面及拱顶部位有少许掉块，且有明显渗水现象，施工单位立即组织人员与机械撤离，随后掉块迅速加快，洞顶出现坍塌后形成冒顶，地表有约4 m×5 m近似椭圆形的塌陷坑（图1），深度约为3.5 m。洞内桩号137+368处拱架被压变形，从塌落下来的土石看，围岩较为破碎，经抽排洞内积水，推测渗流量约3 L/s。由于围岩自稳能力差，加之雨水天气，有继续坍塌的趋势[2]。
2.2 工程地质条件
花儿山隧洞桩号137+360～137+370段地表为缓斜坡地貌（图2），地形坡度为5°～10°，桩号137+366处地表为一低洼汇流沟地，此处隧洞埋深约16 m，地表覆盖层厚度约3 m，覆盖层主要为第四系黏土（Q2ydl）。洞顶围岩厚度仅为13 m左右，岩性为震旦-青白口系耀岭河群（（Qn-Z1）yl）灰绿色、灰白色钠长片岩、透闪阳起片岩，呈强风化～弱风化状，其中强风化层厚度约为5 m。岩体透水率q=0.77～2.71 Lu，为微至弱透水。上覆岩体厚10～20 m。该段围岩单轴饱和抗压强度Rb=32.2 MPa（弱风化），饱和吸水率0.52 %，岩石强度为中硬岩。岩体完整性系数Kv=（3065/4228）2≈0.53，岩体完整性差。结构面状态平直粗糙，裂隙宽度1～4 mm且为闭合，地下水活动状态为有渗水或滴水现象，主要节理裂隙产状：①片理产状155°∠12°，隧洞走向120°，片理走向与洞线交角55°左右;②发育3组裂隙（钻孔岩芯），倾角：0～20°，30°～40°，60°～90°。
2.3 冒顶原因分析
隧洞塌陷区地表处为低洼汇流沟地，长时间雨水天气导致积水较多，且覆盖层厚度较大、结构较为松散，洞顶围岩厚度小，呈强风化-弱风化状态，强度较差、遇水后易软化，在自重和水压力作用下，加之钻爆施工时扰动导致失稳进而产生塌方冒顶，洞内坍塌物呈泥夹石状，主要来源于洞顶覆盖层及强风化基岩。
3 处理措施
3.1 地表处理及掌子面封闭
首先，在地表塌坑处附近设置安全警示标牌和防护围栏封闭现场，并安排专人看守现场，禁止非施工人员与车辆进入，确保周围村民安全。然后，在地表塌坑四周布置临时截水沟，同时为防止地面径流流入塌陷坑内，避免更大范围的坍塌，还需在较低位置处设置截水沟出口进行排水。
洞内应先抽排积水并清理淤泥，然后在掌子面坍塌体处回填一定厚度的开挖石渣并压实，坡度不应陡于1∶1，对堆渣体表面进行喷射10 cm厚C25混凝土封闭，堆积体坡脚采用反压沙袋进行加固。
待洞内堆渣体表面喷混凝土初凝后对地表塌陷坑内进行石渣回填，石渣可采用隧洞开挖料，最大粒径控制为150 mm，地表以下3.5 m 至地表以下1 m范围石渣回填要求分层夯实， 相对密度不小于0.65。石渣层以上回填50 cm黏土碾压密实防渗，压实度不小于0.91。塌坑处地表以下50 cm 至地表范围内采用耕植土回填，耕植土应满足当地耕作要求（图3）。
3.2 超前大管棚
布置超前大管棚前，需在137+375处原钢拱架顶部和底部分别安装副拱和反拱，材料为I16型工字钢，副拱和反拱与原拱架牢固焊接，反拱处喷射20 cm厚的C25混凝土进行回填（反拱拱架及混凝土不占二衬断面），确保封闭成环的钢拱架稳定。按同样的措施在137+374.2处原拱架布置安装副拱和反拱，两榀闭环的钢拱架作为管棚的支撑结构（图4）。
超前大管棚长30 m，布設范围为副拱拱顶120°，管棚注浆钢管采用管径?108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，由3 m和6 m两种规格标准件，采用15 cm长丝扣直接对口连接而成，纵向同一横面内的接头数不应大于50%，且相邻钢管接头错开。钢管管壁加工注浆花孔，孔径?16 mm，排距设置为10 cm，每排2孔，呈梅花形排列，前段作成15 cm的尖锥形，尾端3 m不做钻孔。 管棚注浆钢管环向间距为30 cm，上倾角为5°，注浆钢管与两榀副拱牢固焊接，角度偏差应控制不超过1°。管棚注浆材料为水泥浆，水泥浆水灰比为1∶1;注浆压力初压为0.5～1.0 MPa，终压为2.0 MPa，浆液扩散半径≥0.5 m，当注浆量达到设计数量或注浆终压达到2.0 MPa而浆液注不进时，再稳压3～5 min即可結束注浆。同时，注浆的浆压浓度及压力根据现场实际情况进行调整。注浆结束后立即清除管内浆液，并用M20水泥砂浆充填封孔密实[3]。
3.3 开挖及支护
塌方冒顶段隧洞开挖应遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，采用台阶法开挖，每循环进尺控制在0.5 m以内，在开挖过程中严格按照“边掘进边支护”的原则进行施工，开挖后及时进行支护[4]。
初期支护按照“先喷、后锚、再喷”的顺序施工，采用钢拱架支撑，材料为I16型工字钢，纵向间距为80 cm，钢架之间设纵向连接，钢拱架应在初喷混凝土后及时架设，拱脚应与锁脚锚杆焊接牢固。隧洞全断面布置M20水泥砂浆锚杆，杆体材料为直径22 mm HRB400级钢筋，锚杆长4 m、间排距1.0 m，梅花形布置，锚杆安装一般应采用“先注浆后插杆”的施工工艺，砂浆密实度应达70%以上，杆头与钢拱架牢固焊接。喷护采用挂?8@15×15cm钢筋网喷混凝土支护，采用25 cm厚C25混凝土喷护，与围岩的黏结强度不低于0.8 MPa，钢筋网宜在初喷混凝土后铺设，钢筋网应与锚杆及钢拱架牢固联结（图5）。隧洞永久支护采用70 cm厚C25钢筋混凝土衬砌，衬砌拱顶120°范围应进行回填灌浆，宜在混凝土衬砌强度达到设计强度的70%时尽早进行。回填灌浆完成后，对隧洞全断面进行固结灌浆，灌浆孔入岩4.5 m、间排距3.0 m，梅花形布置。回填灌浆和固结灌浆均采用硅酸盐水泥浆，浆液水灰比按1.0∶1.0，0.8∶1.0，0.5∶1.0三级分序加压，灌浆压力采用0.3～0.5 MPa[5]。
3.4 安全监测
为了及时观察隧洞冒顶段围岩的变形、隧洞支护结构应力及外水压力情况，在137+366及137+356处布置2个监测断面，分别埋设收敛计、多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计等对隧洞断面收敛变形、围岩内部变形、锚杆应力、衬砌钢筋应力、衬砌混凝土应力应变、外水压力等进行监测。根据监测的结果反馈，冒顶塌方洞段2个监测断面收敛变形为2.6～6.7mm，围岩深部位移为4.5～8.3 mm，并且在1个月左右逐渐趋于稳定（图6），锚杆、钢拱架、衬砌钢筋应力应变均在允许范围内，地表也基本无沉降变形。
4 结 语
本文基于鄂北工程花儿山隧洞冒顶塌方事件，采取洞内掌子面处喷混凝土封闭后地表塌陷处回填压实，然后采用超前大管棚及新奥法施工的处理措施，开挖时安全顺利通过此段，输水线路下游杨楼隧洞浅埋段发生冒顶塌方时，亦采用此处理措施安全完成施工。目前，鄂北工程已完成全线试通水，经现场查勘并结合相关监测资料分析，两处隧洞冒顶塌方段均处于安全运行状态。因此，浅埋隧洞施工前应及时查清地表情况，采取措施减小外水内渗，应提前做好地质预报，对有可能发生垮塌的洞段及时采用超前支护，一旦发生坍塌冒顶事件，应及时采取合理处置措施，确保人员安全和施工质量。
参考文献：
[1] SL279-2016 水工隧洞设计规范[S].
[2] 高奋飞，卓国锋. 穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施[J]. 甘肃水利水电技术，2017（11）：54-57.
[3] 常新忠. 隧道塌方冒顶中大管棚施工技术的应用[J]. 交通世界，2018（1）：182-183.
[4] 孙文杰，李云，朱国金，等. 不良地质区浅埋隧洞处理方案研究[J]. 人民长江，2013，44（12）：44-46.
[5] 单柏翔. 浅谈引水隧洞冒顶塌方处理方案[J]. 陕西水利，2018（5）：190-191.
（编辑：李 慧）
关键词：浅埋隧洞;冒顶塌方;掌子面封闭;超前大管棚;鄂北地区水资源配置工程
中图法分类号：TV554 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.08.010
文章编号：1006 - 0081（2021）08 - 0048 - 04
1 工程概况
鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）是从丹江口水库清泉沟隧洞引水，向湖北省北部襄阳市、随州市和孝感市供水的大型调水工程，工程设计年引水量7.7亿m3，设计供水人口482万人，灌溉面积约24.23万hm2（363.5万亩），输水线路总长269.67 km，沿线主要建筑物有隧洞、倒虹吸、明渠、暗涵、渡槽、各类水闸等，其中隧洞共55座，总长119.43 km。
花儿山隧洞位于湖北省枣阳市红花村以北约500 m，长0.27 km，布置于输水线路桩号137+330～137+600段，为无压输水隧洞，隧洞设计引水流量26.7 m3/s，设计纵坡为1∶11 000，底板高程119.51～119.49 m，断面为马蹄形，过水净尺寸为6.5 m×6.5 m（宽×高），开挖尺寸为7.7 m×7.7 m（宽×高）。花儿山隧洞沿线地面高程136～148 m，相对高差10 m左右，为垅岗地形，地形较为平坦，洞顶平均埋深20.3 m，约为2.6倍的开挖洞高，隧洞围岩类别为Ⅳ类，围岩不稳定，开挖状态下易失稳[1]。
2 隧洞冒顶塌方过程及原因分析
2.1 隧洞冒顶塌方过程
花儿山隧洞采用钻爆法开挖至桩号137+366处，掌子面围岩岩性为钠长片岩、透闪阳起片岩，呈强风化状，围岩类别为Ⅳ类。此段隧洞爆破施工每循环进尺长度为1.0 m。在完成该循环出渣作业后，发现掌子面及拱顶部位有少许掉块，且有明显渗水现象，施工单位立即组织人员与机械撤离，随后掉块迅速加快，洞顶出现坍塌后形成冒顶，地表有约4 m×5 m近似椭圆形的塌陷坑（图1），深度约为3.5 m。洞内桩号137+368处拱架被压变形，从塌落下来的土石看，围岩较为破碎，经抽排洞内积水，推测渗流量约3 L/s。由于围岩自稳能力差，加之雨水天气，有继续坍塌的趋势[2]。
2.2 工程地质条件
花儿山隧洞桩号137+360～137+370段地表为缓斜坡地貌（图2），地形坡度为5°～10°，桩号137+366处地表为一低洼汇流沟地，此处隧洞埋深约16 m，地表覆盖层厚度约3 m，覆盖层主要为第四系黏土（Q2ydl）。洞顶围岩厚度仅为13 m左右，岩性为震旦-青白口系耀岭河群（（Qn-Z1）yl）灰绿色、灰白色钠长片岩、透闪阳起片岩，呈强风化～弱风化状，其中强风化层厚度约为5 m。岩体透水率q=0.77～2.71 Lu，为微至弱透水。上覆岩体厚10～20 m。该段围岩单轴饱和抗压强度Rb=32.2 MPa（弱风化），饱和吸水率0.52 %，岩石强度为中硬岩。岩体完整性系数Kv=（3065/4228）2≈0.53，岩体完整性差。结构面状态平直粗糙，裂隙宽度1～4 mm且为闭合，地下水活动状态为有渗水或滴水现象，主要节理裂隙产状：①片理产状155°∠12°，隧洞走向120°，片理走向与洞线交角55°左右;②发育3组裂隙（钻孔岩芯），倾角：0～20°，30°～40°，60°～90°。
2.3 冒顶原因分析
隧洞塌陷区地表处为低洼汇流沟地，长时间雨水天气导致积水较多，且覆盖层厚度较大、结构较为松散，洞顶围岩厚度小，呈强风化-弱风化状态，强度较差、遇水后易软化，在自重和水压力作用下，加之钻爆施工时扰动导致失稳进而产生塌方冒顶，洞内坍塌物呈泥夹石状，主要来源于洞顶覆盖层及强风化基岩。
3 处理措施
3.1 地表处理及掌子面封闭
首先，在地表塌坑处附近设置安全警示标牌和防护围栏封闭现场，并安排专人看守现场，禁止非施工人员与车辆进入，确保周围村民安全。然后，在地表塌坑四周布置临时截水沟，同时为防止地面径流流入塌陷坑内，避免更大范围的坍塌，还需在较低位置处设置截水沟出口进行排水。
洞内应先抽排积水并清理淤泥，然后在掌子面坍塌体处回填一定厚度的开挖石渣并压实，坡度不应陡于1∶1，对堆渣体表面进行喷射10 cm厚C25混凝土封闭，堆积体坡脚采用反压沙袋进行加固。
待洞内堆渣体表面喷混凝土初凝后对地表塌陷坑内进行石渣回填，石渣可采用隧洞开挖料，最大粒径控制为150 mm，地表以下3.5 m 至地表以下1 m范围石渣回填要求分层夯实， 相对密度不小于0.65。石渣层以上回填50 cm黏土碾压密实防渗，压实度不小于0.91。塌坑处地表以下50 cm 至地表范围内采用耕植土回填，耕植土应满足当地耕作要求（图3）。
3.2 超前大管棚
布置超前大管棚前，需在137+375处原钢拱架顶部和底部分别安装副拱和反拱，材料为I16型工字钢，副拱和反拱与原拱架牢固焊接，反拱处喷射20 cm厚的C25混凝土进行回填（反拱拱架及混凝土不占二衬断面），确保封闭成环的钢拱架稳定。按同样的措施在137+374.2处原拱架布置安装副拱和反拱，两榀闭环的钢拱架作为管棚的支撑结构（图4）。
超前大管棚长30 m，布設范围为副拱拱顶120°，管棚注浆钢管采用管径?108 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢管，由3 m和6 m两种规格标准件，采用15 cm长丝扣直接对口连接而成，纵向同一横面内的接头数不应大于50%，且相邻钢管接头错开。钢管管壁加工注浆花孔，孔径?16 mm，排距设置为10 cm，每排2孔，呈梅花形排列，前段作成15 cm的尖锥形，尾端3 m不做钻孔。 管棚注浆钢管环向间距为30 cm，上倾角为5°，注浆钢管与两榀副拱牢固焊接，角度偏差应控制不超过1°。管棚注浆材料为水泥浆，水泥浆水灰比为1∶1;注浆压力初压为0.5～1.0 MPa，终压为2.0 MPa，浆液扩散半径≥0.5 m，当注浆量达到设计数量或注浆终压达到2.0 MPa而浆液注不进时，再稳压3～5 min即可結束注浆。同时，注浆的浆压浓度及压力根据现场实际情况进行调整。注浆结束后立即清除管内浆液，并用M20水泥砂浆充填封孔密实[3]。
3.3 开挖及支护
塌方冒顶段隧洞开挖应遵循“短进尺、弱爆破、强支护”的原则，采用台阶法开挖，每循环进尺控制在0.5 m以内，在开挖过程中严格按照“边掘进边支护”的原则进行施工，开挖后及时进行支护[4]。
初期支护按照“先喷、后锚、再喷”的顺序施工，采用钢拱架支撑，材料为I16型工字钢，纵向间距为80 cm，钢架之间设纵向连接，钢拱架应在初喷混凝土后及时架设，拱脚应与锁脚锚杆焊接牢固。隧洞全断面布置M20水泥砂浆锚杆，杆体材料为直径22 mm HRB400级钢筋，锚杆长4 m、间排距1.0 m，梅花形布置，锚杆安装一般应采用“先注浆后插杆”的施工工艺，砂浆密实度应达70%以上，杆头与钢拱架牢固焊接。喷护采用挂?8@15×15cm钢筋网喷混凝土支护，采用25 cm厚C25混凝土喷护，与围岩的黏结强度不低于0.8 MPa，钢筋网宜在初喷混凝土后铺设，钢筋网应与锚杆及钢拱架牢固联结（图5）。隧洞永久支护采用70 cm厚C25钢筋混凝土衬砌，衬砌拱顶120°范围应进行回填灌浆，宜在混凝土衬砌强度达到设计强度的70%时尽早进行。回填灌浆完成后，对隧洞全断面进行固结灌浆，灌浆孔入岩4.5 m、间排距3.0 m，梅花形布置。回填灌浆和固结灌浆均采用硅酸盐水泥浆，浆液水灰比按1.0∶1.0，0.8∶1.0，0.5∶1.0三级分序加压，灌浆压力采用0.3～0.5 MPa[5]。
3.4 安全监测
为了及时观察隧洞冒顶段围岩的变形、隧洞支护结构应力及外水压力情况，在137+366及137+356处布置2个监测断面，分别埋设收敛计、多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计等对隧洞断面收敛变形、围岩内部变形、锚杆应力、衬砌钢筋应力、衬砌混凝土应力应变、外水压力等进行监测。根据监测的结果反馈，冒顶塌方洞段2个监测断面收敛变形为2.6～6.7mm，围岩深部位移为4.5～8.3 mm，并且在1个月左右逐渐趋于稳定（图6），锚杆、钢拱架、衬砌钢筋应力应变均在允许范围内，地表也基本无沉降变形。
4 结 语
本文基于鄂北工程花儿山隧洞冒顶塌方事件，采取洞内掌子面处喷混凝土封闭后地表塌陷处回填压实，然后采用超前大管棚及新奥法施工的处理措施，开挖时安全顺利通过此段，输水线路下游杨楼隧洞浅埋段发生冒顶塌方时，亦采用此处理措施安全完成施工。目前，鄂北工程已完成全线试通水，经现场查勘并结合相关监测资料分析，两处隧洞冒顶塌方段均处于安全运行状态。因此，浅埋隧洞施工前应及时查清地表情况，采取措施减小外水内渗，应提前做好地质预报，对有可能发生垮塌的洞段及时采用超前支护，一旦发生坍塌冒顶事件，应及时采取合理处置措施，确保人员安全和施工质量。
参考文献：
[1] SL279-2016 水工隧洞设计规范[S].
[2] 高奋飞，卓国锋. 穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施[J]. 甘肃水利水电技术，2017（11）：54-57.
[3] 常新忠. 隧道塌方冒顶中大管棚施工技术的应用[J]. 交通世界，2018（1）：182-183.
[4] 孙文杰，李云，朱国金，等. 不良地质区浅埋隧洞处理方案研究[J]. 人民长江，2013，44（12）：44-46.
[5] 单柏翔. 浅谈引水隧洞冒顶塌方处理方案[J]. 陕西水利，2018（5）：190-191.
（编辑：李 慧）