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      小斷面隧洞塌方的預防與處理措施

      [摘要]對水利工程小斷面隧洞中塌方的原因作了詳細的分析,提出了塌方的類型、預防和處理措施。隧洞塌方處理的問題中,提出了“鋼支撐結合噴混凝土法”的措施,并對該施工處理措施進行實例的論證說明。

      [關鍵詞]小斷面水工隧洞工程   塌方   原因分析   預防   處理措施

      小型水利工程設計的隧洞斷面通常都比較小,一般采用人工鉆爆法施工,選用全斷面掘進法開挖。此方法主要適用于揭露圍巖堅硬、成型較好,殘孔率較高的地質條件。若遇到圍巖比較松軟、屬于散體結構且嚴重破碎的地質條件時,常會發生巖體塌落現象,造成了嚴重超挖,尤其在頂拱部位。

      圍巖類別在IV類及其以上,自身穩定性差,開挖爆破后成型很困難,因為斷面小,施工操作空間有限,安全因素不高,這種情況下,目前也只能采用全斷面掘進法施工。所以有關工程施工技術要求采用及時開挖及時支護的措施,穿越嚴重破碎段或斷層帶時,要求二次混凝土進行襯砌。盡管如此,在工程施工中常不可避免要發生不同程度的隧洞塌方,因為地下工程中地質情況千變萬化,設計階段不可能正確無誤的進行地質勘察,也是難以預料的。

      1 隧洞塌方主要原因分析

      在隧洞施工中發生塌方的原因很多,大部分是地質勘察資料提供與實際揭露的不符造成,當然,不能排除施工技術方案和施工不當的因素。根據隧洞施工中發生塌方事故的實例進行分析,塌方原因主要體現在幾個方面:

      1.1 地質因素是造成塌方的主要原因。

      工程投標中提供的地質勘察資料與工程實際揭露的不相符,圍巖變化較大,開挖施工中對前方將要揭露的圍巖無法預估,之前無法制定可靠的預防措施。圍巖突然變化,遇到軟弱、破碎帶地層,散體結構中夾有粒徑(1m以上)較大的固石,往往措手不及造成了塌方。2008年5月3日,山西省坪上應急引水工程引水隧洞Ⅰ標引水隧洞在開挖過程中發生塌方事故,塌方范圍較大,塌方長度約8m,最高塌方深度達7m,經現場勘察分析,就屬此種情況。

      1.2  設計承載力不夠引起的塌方

      對地質中的嚴重破碎段、滲水段和斷層段的隧洞襯砌結構設計厚度不夠,不能滿足超出設計范圍外的承載力要求,不能承受突然出現的巖體釋放壓力,結構遭到破壞,引起了塌方。

      1.3 設計考慮不周引起的塌方。

      在隧洞工程設計時,為了節省工程投資,選擇了最短的洞軸線,以便減少隧洞長度,往往將洞軸線選在山坡邊處,求得良好的經濟效益,負面上選擇了山體中穩定性最差的圍巖,加長了洞臉開挖的深度和正面仰坡的高度,由于山坡邊處表面土卵石覆蓋層較厚,洞頂巖體厚度不夠容易引起塌方,同時對進入洞身的施工會產生不利因素,這種設計考慮不全面在隧洞施工中極可能發生塌方。

      1.4  地質勘察不全而造成的塌方

      為了節省建設投資,工程設計階段的地質勘察工作不到位,缺乏隧洞所在地段的地質和水文地質資料,或勘察時選擇地質探孔距離較遠,從而資料準確性不高使工程設計人員靠推測來進行隧洞設計,將隧洞坐標軸線選在不良的地質區域,沒有避開飽和土、流沙、堆積層、斷裂、褶皺帶、節理裂隙發育帶等不良地層,這其中也可能會有各種不利的軟弱、散體結構的圍巖和溶洞、陷穴等地質不良區域。當隧洞施工穿越上述不穩定地層時,很容易發生塌方。特別是地下水發育和地表水滲漏明顯的地段,隧洞圍巖就會降低強度,如果出現了裂隙水,隧洞開挖中發生坍塌冒頂的可能性極大,必須采取有效的施工技術措施,以免因塌方造成安全事故。

      隧洞塌方的次要原因分析

      由于施工技術的不規范,可能造成隧洞塌方,主要體現在以下幾點:

      (1)隧洞施工中對于巖石完整,殘孔率較高的Ⅲ類圍巖及其以上,開挖后可裸露或經簡單的噴護再一次性襯砌完成,對于穩定性差的圍巖或更為不好的地層段時,開挖后沒有及時支護襯砌,由于長期暴露使巖體風化,應力釋放,壓力增大引起了塌方。

      (2)爆破技術原因引起的塌方,其中含兩個因素:一是鉆孔角度超出設計開挖范圍,破壞成型結構,二是爆破技術水平,單位藥量控制不好,局部藥量較大,因強烈震動引起塌方。

      (3)支護措施不合理,支撐構件強度不夠,位置和受力點不勻而引起塌方。

      (4)施工條件不當而引起塌方。對于涌水隧洞,施工排水不到位,使圍巖長期浸泡達到飽和狀態,強度下降,失去穩定性,施工中一旦不慎,便會引起塌方。

      隧洞塌方的預防措施

      工程建設中,要堅持“安全第一,預防為主”的施工原則,特別是地下隧洞工程,搞好了安全事故的預防工作,就會取得良好的經濟效益。根據不同類別的圍巖情況,著重從以下幾個方面采取預防措施:

      3.1 做好工程的勘測設計工作,提供正確的地質資料。

      勘測設計工作中,要深入細致的調查研究隧洞工程區域的地理、地質和水文情況,詳細勘察隧洞軸線和進、出口的地質資料,對隧洞軸線可能穿越的不良地質認真分析,收集有關方面資料和經驗,全面考慮導致塌方的不利條件,設計洞軸線時,盡量避開軟弱破碎帶、飽和粘土、堆積體流沙、斷層褶皺帶、節理裂隙發育和地下水等不良地層,如果必須穿過,應同時考慮相應的技術措施和施工方法,制定正確的施工組織設計。

      3.2 正確選擇施工方案和預防措施,做好應急方案的物資和設備。預防措施主要有:

      (1)做好工程地質鉆孔探測、地質編錄和沉降觀察標志工作,加強觀察地質變化情況;

      (2)提高爆破施工技術水平,根據圍巖變化及時調整爆破方案和參數;

      (3)圍巖變化較大時,要提高支護參數,可采取“短進尺,強封閉”的施工方法;

      (4)不要過分節約工程投資導致頻繁的設計變更;

      (5)合理控制開挖、支護和襯砌進度等。

      (6)搞好施工排水工作;

      (7)保證工程的施工質量;

      隧洞塌方的處理措施

        在塌方事故發生后,要采取現場緊急措施,不要慌亂,要有次序地保障現場安全,先加固相鄰的未塌方地段,以防塌方蔓延,保證搶險工作有一個安全操作空間。同時要組織相關人員查明現場塌方的部位大小、性質及該地段的地質構造和地下水活動情況,認真分析形成塌方的原因,及時制定出有效的處理方案。

      4.1 根據塌方的規模和延續情況,塌方可分為大塌方和小塌方。當塌方高度和范圍較大,將開挖通道堵塞,部分還繼續不停的塌落,人員不易進入塌方范圍的為大塌方;當塌方未將通道堵塞,塌方在較長時間內不再延續或基本停止,人員能進入塌方范圍觀察處理的為小塌方。根據塌方的危害程度,塌方也可分為嚴重塌方和輕微塌方。對于塌方后造成較大的人員傷亡或損失為嚴重塌方。相反,為輕微塌方。

      凡是塌方,都應認真對待并制定相應的塌方處理措施。在處理方法上,總結隧洞塌方處理方法,有幾種情況:

      (1)當塌方量不大時,先在安全地帶利用較長的工具,對塌方面由上而下、逐步排險處理,避免掉塊傷人,確保圍巖穩定后將塌方全部清除,再由外向里進行支撐。根據塌方的大小調整支撐間距,要求支撐必須緊貼巖面,對超出設計的異形斷面采取增加小范圍支撐處理。

      (2)當塌方量較大時,先利用塌方保證安全,從安全地帶開始由外至里短進尺逐步處理,以逐米清除逐米全斷面支撐作為一個循環,支撐間距取設計榀距的1/2~1/3,要求支撐必須緊貼巖面,同樣對超出設計的塌方部分,在標準斷面上采取增加小范圍支撐處理。這樣形成一個能夠保護的封閉的棚頂,最好每完成一個循環進行一次噴混凝土的固結,保證了支撐的整體受力性。

      4.2 舉一個工程實例:山西省坪上應急引水工程引水隧洞Ⅰ標出口段,在開挖過程中發生塌方事故,經參建各單位有關技術人員現場勘察,發現塌方的范圍較大,塌碴堵滿整個工作面,不斷有巖體塌落發生。該段地質地層巖性為寒武系上統崮山組青灰色薄層灰巖,發育多處夾泥、巖屑軟弱帶、雜色泥團及節理裂隙密集帶,致使圍巖自穩能力極差,造成頂拱的塌方,長有8m巖層產狀N30~65°W/SW∠50~55°,強風化,圍巖呈碎裂狀結構,節理裂隙極發育,原生結構面及次生裂隙錯綜復雜,無規律性,主要以構造型及風化型節理為主,節理間距多數小于0.2m,多張開或被粘性土充填,剪切節理面多見擦痕,局部塌方高度達7m之多。針對這種不利情況,經過各參建單位有關技術人員的研討,最后確定采用“鋼支撐結合噴混凝土法”的施工方案對該段隧洞塌方進行了處理。處理方法及步驟如下:

      鋼支撐選用160mm工字鋼,其它附屬筋采用¢25mm鋼筋和¢50mm鋼管,回填采用與設計同標號的C20混凝土。

      (1)對處理部分排險后,在以噴護的安全拱架上采用¢50mm鋼管沿隧洞軸線斜向頂部頂入塌方巖面中,鋼管之間鋪設¢8網筋,間距10cm×10cm的鋼筋網形成安全頂棚。

      (2)逐榀清除塌渣,支撐用160mm工字鋼制作的標準拱架,榀距為0.6m(設計間距為1.0m采用¢25mm鋼筋作為聯系筋,聯系筋間距為1.0m~0.6m,頂拱超出設計部分增加小范圍的支撐,之間同樣用¢25mm鋼筋連接加固。

      (3)每一榀支撐完成后,對支撐的空間利用噴混凝土進行回填,與塌方巖面固結為一體,噴護完成后保留二次混凝土結構尺寸,各個支撐構件均不外露,在襯砌前不再拆除。

      (4)重復每循環操作工序,循序漸進,逐步推進,約十天的努力,安全穿過塌方段,完成了塌方處理任務。

      5 結束語

      隧洞工程是一項復雜的埋深大的地下工程,做好隧洞的施工地質工作尤為重要。盡管隨著科技的發展,地質探測水平也不斷提高,但地質圍巖變化在工程中難以預估,因此遇到的地質問題層出不窮,對工程的安全、進度造成影響。

      隧洞發生塌方的地質條件很差,雖然施工中采取了技術處理,但塌方周圍的圍巖會變得松軟、錯亂,造成巨大的巖體壓力。因此,加強施工的支護和襯砌非常重要。而且應對塌方段襯砌以后周圍的空洞和圍巖進行密實回填并固結灌漿。

       

      作者簡介:郝文進,男,1975年生,2002年畢業于太原理工大學,助理工程師。

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