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穿越煤系地層引水隧洞冒頂成因分析及處理措施

文檔作者：高奮飛卓國(guó)鋒文檔來(lái)源：貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年06月07日
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第53卷第11期甘肅水利水電技術(shù)V01．53，No．11
2017年1 1月GANSU WA'ImR RESOURCESAND HYDROPOWERⅡc硎0LoGY Nov．。2017
·設(shè)計(jì)與研究·
穿越煤系地層引水隧洞冒頂成因分析及處理措施
高奮飛．卓國(guó)鋒
(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550002)
摘要：以貴州省某水利樞紐工程?hào)|關(guān)隧洞冒頂為例，提出引水隧洞在穿過(guò)煤系地層且埋深較淺、水體豐富的地質(zhì)體時(shí)
容易出現(xiàn)冒項(xiàng)問(wèn)題。針對(duì)東關(guān)隧洞冒頂現(xiàn)象，采用地表地質(zhì)調(diào)查結(jié)合工程特點(diǎn)綜合分析冒頂原因及冒頂塌落帶、潛在
不穩(wěn)定帶的范圍，為工程處理提供了可靠的依據(jù)。采取灌漿+管棚施工的工程措施后隧洞掘進(jìn)順利通過(guò)了帽頂段。
關(guān)鍵詞：煤系地層；地下水；冒頂；灌漿
中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095—0144(2017)11--0054—04
1 工程概況
貴州省某水利樞紐工程輸水線路總干渠第一條
隧洞起點(diǎn)為潘家?guī)r腳大溝右岸山脊，取水口高程為
1 295 m，隧洞走向?yàn)镾El04。，總長(zhǎng)度為3．08 km。
隧洞半徑為3．5 m，為圓形有壓洞室。隧洞出口位于
巖溝，接巖溝渡槽，出口高程為1 295 m。東關(guān)隧洞
下穿梅花山以及東關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中隧洞穿越東關(guān)鄉(xiāng)段
為淺埋段，埋深約為30 m(圖1)。
2冒頂成因分析
2．1 冒頂概況
隧洞出口段開挖至樁號(hào)總干2+236處，掌子面圍巖
巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥質(zhì)頁(yè)巖，夾煤線二層，
厚度0．5～1 m。掌子面圍巖為v類，當(dāng)完成拱架施
工支護(hù)，在進(jìn)行超前小導(dǎo)管施工的時(shí)候，拱頂開始局
圖例回①圃②
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圖1 隧洞冒頂段與煤洞、泉水、裂縫等關(guān)系示意圖
收稿日期：2017—10—23
作者簡(jiǎn)介：高奮飛(1986一)，男，陜西佳縣人，工程師，碩士研究生，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估及治理。
E-mail：541599628@qq．com。
·54·
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第11期高奮飛：穿越煤系地層引水隧洞冒頂成因分析及處理措施第53卷
部掉塊并出現(xiàn)坍塌。坍塌空腔高度為4 m，縱向長(zhǎng)度
約6 m，環(huán)向?qū)挾燃s8 m，空腔周圍為煤系地層泥
巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥質(zhì)頁(yè)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育。塌陷空
腔出現(xiàn)地下水，水量約為8 L／s，掌子面間斷性坍塌
并繼續(xù)發(fā)展，次日隧洞突然發(fā)生涌泥，涌泥從掌子面
退回到總干樁號(hào)2+273處，長(zhǎng)度約37 m，涌泥主要
物質(zhì)組成為水與泥夾石混合物，流動(dòng)性較好。冒頂
段暫時(shí)穩(wěn)定后地表出現(xiàn)了一個(gè)直徑22 m的不規(guī)則
形狀的塌陷坑(近圓形)，深度為6～8 m。由于圍巖
自穩(wěn)能力差，有繼續(xù)坍塌的趨勢(shì)。
2．2基本地質(zhì)情況
隧洞樁號(hào)總干2+236 m處地表為緩斜坡地貌，
地形坡度為5。一15。，隧洞埋深30～41 m，為淺
埋隧洞，洞頂基巖厚度僅8～12 m。覆蓋層主要為粉
土夾碎石、塊石，碎石質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為30％，覆蓋層厚
度約15 m。下伏基巖為P31煤系地層，強(qiáng)風(fēng)化層厚
度為6。8 m。巖體強(qiáng)度低，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀為
NEl40 NW[18。。地表水系發(fā)育(圖1)，地下水類
型為覆蓋層孔隙水及基巖裂隙水，地下水位埋深一
般為2。3 m，最淺0．5 m，最深20．7 m。
2．3地表調(diào)查
2．3．1塌陷坑及周圍情況
冒頂段地表塌陷區(qū)為直徑22 in的不規(guī)則形狀
的圓坑，深度為6。8 m，淺表層土體為粉土夾碎石、
塊石，局部夾黏土，結(jié)構(gòu)松散。塌陷坑周圍有10余
條裂縫，裂縫寬度為3～10 cm，在塌陷坑周圍隨機(jī)
分布，一般長(zhǎng)度為1～3 m，不連續(xù)?？颖谟袧B水，流
量約為0．5 L／s，地下水位最高為2 m，通過(guò)地表抽
排走一部分地下水，但仍有部分地下水通過(guò)巖體裂
隙下滲。洞內(nèi)塌陷充填長(zhǎng)度約37 m，主要為黃色粉
土夾碎塊石及黏土，含水土體呈飽和狀態(tài)，局部黏土
為流塑狀，滲水量約為3 L／s。
2．3．2老煤窯分布
通過(guò)尋訪當(dāng)?shù)卮迕瘢醪搅私馑輩^(qū)附近有6
個(gè)煤礦，洞口均被封堵，其中1—4#煤礦開挖深度為
20。50 m，停挖超過(guò)50年，5-64煤礦開挖深度為數(shù)
百米，停挖約20年。由于都是小煤窯，無(wú)法收集準(zhǔn)
確資料。初步分析，其中4#煤礦開挖方向與隧洞走
向基本一致，開挖深度為20～30 m，煤礦未與隧洞
相交。
2．3．3地表及地下水分布
洞頂?shù)乇硭^發(fā)育，主要有蔡家寨沖溝，蔡家沖
溝枯季流量約為15 L／s，雨季流量達(dá)150 L／s。在地
表還發(fā)現(xiàn)的4個(gè)泉點(diǎn)，其中sl、s2直接排至洞內(nèi)，水
量為0．5 L／s。其余泉點(diǎn)均為當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟肮喔?
水源，綜合流量為2。3 L／s。
2．4冒頂形成原因分析
塌陷區(qū)覆蓋層厚度大，覆蓋層結(jié)構(gòu)松散，洞頂基
巖層厚度小，而且主要為煤系地層。據(jù)調(diào)查洞段地表
分布有6個(gè)煤洞，其中44煤洞走向與隧洞呈小角度
相交，可能存在煤礦老窯充水等情況，對(duì)洞室穩(wěn)定性
存在影響。隧洞穿越地段地表及地下水較為發(fā)育。煤
系地層遇水易軟化，自穩(wěn)能力差，掌子面基巖已出現(xiàn)
失穩(wěn)。圍巖垮塌后，地下水集中匯聚于垮塌處，覆蓋
層、強(qiáng)風(fēng)化帶基巖在自重和水壓力作用下，出現(xiàn)冒頂
現(xiàn)象，洞內(nèi)坍塌物為泥夾石。直至塌陷坑周圍巖土體
穩(wěn)定后，塌方規(guī)模不再擴(kuò)大并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。具體分
析如下：
洞頂覆蓋層厚度達(dá)到10～15 m，強(qiáng)風(fēng)化基巖厚
度為8 m左右，巖體遇水后容易軟化，強(qiáng)度差，容易
失穩(wěn)，地下水較為發(fā)育，洞內(nèi)塌落物主要來(lái)源于上覆
覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化基巖。
冒頂主要由直接塌落區(qū)、牽引塌落區(qū)以及潛在
塌落區(qū)三部分組成。直接塌落區(qū)處洞頂上方，最初形
成的塌陷坑，牽引區(qū)主要在洞室周圍3～5 m范圍
內(nèi)。據(jù)地表調(diào)查，位于蔡家寨沖溝的4#老窯，與隧洞
軸線小角度相交。受老窯影響，掌子面向蔡家寨沖溝
方向，可能存在不穩(wěn)定區(qū)。潛在不穩(wěn)定區(qū)范圍較大，
有延伸至蔡家寨沖溝一帶的趨勢(shì)。潛在不穩(wěn)區(qū)，向出
El方向延伸長(zhǎng)度約25 m(圖2)；橫向兩側(cè)地表影響
區(qū)域分別為上游測(cè)22 m，下游側(cè)14 m(圖3)。潛在
不穩(wěn)定區(qū)有再次塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，須及時(shí)采取支護(hù)措施。
3處理措施
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，冒頂成因?yàn)榈叵滤患?、?
蓋層結(jié)構(gòu)松散，洞頂基巖層厚度小且主要為煤系地
層，處理重點(diǎn)為地下水引排及松散巖土體的加固。具
體處理措施如下：
(1)加強(qiáng)地表排水，主要通過(guò)抽排塌陷坑內(nèi)積
水以及在塌陷坑周邊修筑截水溝(截水溝應(yīng)根據(jù)現(xiàn)
場(chǎng)地形具體布置)。
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2017年第11期甘肅水利水電技術(shù)第53卷
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①潛在不穩(wěn)定區(qū)②牽引塌落區(qū)③直接塌落區(qū)④覆蓋層界限⑤強(qiáng)風(fēng)化界限⑥弱風(fēng)化界限⑦巖層產(chǎn)狀⑧隧洞縱剖面⑨冒頂堆積物④殘坡積粉土夾塊石、碎石
圖2隧洞縱向冒頂影響區(qū)
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①潛在不穩(wěn)定區(qū)
⑧隧洞橫剖面
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②牽引塌落區(qū)
⑨冒頂堆積物
平距／m ③目④圉⑤目⑥
圈⑨團(tuán)⑩
③直接塌落區(qū)④覆蓋層界限⑤強(qiáng)風(fēng)化界限⑥弱風(fēng)化界限⑦巖層產(chǎn)狀
⑩殘坡積粉土夾塊石、碎石
圖3隧洞橫向冒頂影響區(qū)
(2)待截水溝修筑完成、塌陷坑內(nèi)積水抽排干
凈后，用開挖渣料回填塌陷坑壓實(shí)整平，然后實(shí)施地
表灌漿。
(3)對(duì)總干2+212～2+248共36 m段進(jìn)行地表
灌漿處理，灌漿孔沿軸線方向布置7排，間排距2 m，
梅花形布置(圖4)。灌漿孔以隧洞底部開挖高程以下
·56·
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2 m為底界，有效灌漿深度為17 m。漿液水泥為復(fù)
合硅酸鹽水泥P．C32．5(漿液是否摻加水玻璃應(yīng)根
據(jù)灌漿效果確定)。灌漿壓力初定為0．5 NPa，施工
過(guò)程中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際單耗和擴(kuò)散半徑進(jìn)行調(diào)
整。灌漿應(yīng)按先上游后下游，先坑外后坑內(nèi)的順序
實(shí)施。
圈困
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第11期高奮飛：穿越煤系地層引水隧洞冒頂成因分析及處理措施第53卷
圖4．地表灌漿孔平面布置示意圖
(4)完成地表灌漿后對(duì)隧洞內(nèi)坍塌體進(jìn)行清
理。清理至樁號(hào)總干2+242 m左右時(shí)采用大管棚支
護(hù)形式進(jìn)行開挖。大管棚選用4,108無(wú)縫鋼管，單根
長(zhǎng)20 m，布置在頂拱1300范圍，環(huán)向間距0．5 m，
傾斜角度2。。注漿漿液采用水泥一水玻璃雙漿液，
水泥為復(fù)合硅酸鹽水泥P．C32．5，注漿壓力為0．2～
0．5 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況隨時(shí)調(diào)整。
(5)大管棚支護(hù)形式先實(shí)施兩環(huán)，后續(xù)洞段的
臨時(shí)支護(hù)形式根據(jù)開挖后實(shí)際地質(zhì)情況確定。縱向
兩組大管棚間水平搭接長(zhǎng)度不小于5 ITI。
4結(jié)論
(1)煤系地層為軟質(zhì)巖，地下水及地表水較為
發(fā)育，軟巖遇水后容易出現(xiàn)軟化，圍巖自穩(wěn)能力差，
淺埋段施工應(yīng)做好支護(hù)措施，必要時(shí)做好超前支護(hù)。
(2)冒頂塌落范圍包含有塌落區(qū)以及周圍潛在
不穩(wěn)定區(qū)，潛在不穩(wěn)定區(qū)存在繼續(xù)塌落的風(fēng)險(xiǎn)，處理
冒頂應(yīng)包含潛在不穩(wěn)定區(qū)。
(3)隧洞埋深淺，洞內(nèi)處理風(fēng)險(xiǎn)較大，通過(guò)地表
化學(xué)灌漿處理能有效提高洞壁圍巖強(qiáng)度，為洞內(nèi)實(shí)
施管棚施工提供條件。
(4)采取灌漿+管棚施工能有效處理隧洞軟
巖(煤系地層)且地下、地表水豐富的淺埋隧洞的冒
頂事故。
(5)地表灌(注)漿處理后有效地凝固了松散崩
塌堆積體及松散圍巖，洞內(nèi)實(shí)施的管棚施工順利。地
表灌(注)漿有效地封堵了地表水的下滲，二次開挖
時(shí)，隧洞內(nèi)較為干燥。隧洞二次開挖已順利通過(guò)冒頂
段。
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-+-+·+-+-+-+-+·
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該工程堤頂按修復(fù)方案施工完成至今，堤頂再參考文獻(xiàn)：
未出現(xiàn)開裂，坡腳平臺(tái)也未出現(xiàn)隆起。說(shuō)明根據(jù)分[1j墨墮壬程嬰規(guī)范：GB 50286—20131S]．
析及按測(cè)量假定的滑弧是合理的，由此計(jì)算得出土心1輩薔案盍囂冀鬣蓊翌：墓一原理·方法。程前嗍北京：
體經(jīng)擾動(dòng)后的強(qiáng)度指標(biāo)是符合工程實(shí)際的。[3]木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50005—20031S]．
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