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飽水黃土隧洞開挖支護施工中變形坍塌處理措施

文檔作者：汪精云文檔來源：甘肅省水利水電勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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第53卷第3期甘肅水利水電技術V01．53．No．3
2017年3月GANsUWATERRESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY Mar一2017
·施工技術-
飽水黃土隧洞開挖支護施工中變形坍塌處理措施
汪精云
(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅蘭州730000)
摘要：飽水黃土隧洞圍巖穩定性極差，開挖后毛洞不能自穩，易發生掌子面及頂拱變形塌方、邊墻及墻角滑動流土、支
護變形下沉等問題，施工難度大。引洮供水二期工程總干渠27#隧洞部分洞段圍巖為飽水黃土，開挖支護施工出現坍
塌變形，采用長大超前鋼管管棚及注漿、砂礫石換基及集中排水、必要的地基加固、預留核心土開挖及強支護等綜合技
術措施后，成功解決了飽水黃土隧洞施工中的難題，確保了工程施工進度，也為解決類似工程問題積累了實踐經驗。
關鍵詞：飽水黃土；隧洞；變形坍塌；處理措施
中圖分類號：U455．49 文獻標志碼：B 文章編號：2095—0144(2017)03—0059—03
1 工程概況
引洮供水二期工程是甘肅省中部干旱地區的
一項重要水利基礎設施，其建設任務是以城鄉生
活、工業供水為主，同時兼顧農業灌溉，促進當地群
眾脫貧致富和生態環境改善。工程供水范圍涉及定
西市安定區、隴西縣、通渭縣、白銀市會寧縣、天水市
武山縣、甘谷縣、秦安縣及平涼市靜寧縣4市8個縣
區，發展灌溉面積29．2萬畝，年調水量3．13億m3。工
程于2015年8月正式開工建設。
初步設計報告批復的工程主要建設內容包括
二期總干渠，6條干渠，2條分干渠和18條供水管
線等，其中總干渠線路全長95．09 km，自引洮供水一
期工程總干渠末端馬河開始，沿渭河和祖厲河的分
水嶺布置，經會寧黨家峴以北的馬家河溝，再沿葫
蘆河與祖厲河分水嶺西北側至會寧縣大山川結束。
總干渠共布置隧洞20條，總長90．58 km。
總干渠27*隧洞位于會寧縣侯川鄉廟坪村附
近，隧洞總長1．945 km，洞線沿分水嶺上已有西蘭公
路走向布置，穿越黃土斜梁，隧洞洞身圍巖主要為
磚紅色粉砂質泥巖、馬蘭黃土(eolQ32)和黃土狀土
(plQ，-)，其中黃土狀土洞段長295 m，主要位于隧洞
進、出口段，結構稍密一中密，土質不均，屬中低非
壓縮一輕微濕陷性土，洞身位于地下水位以下，土
體持水呈軟塑狀，處于飽和狀態，圍巖穩定性極差，
開挖后毛洞不能自穩，易發生掌子面及頂拱變形塌
方、邊墻及墻腳滑動流土、支護變形下沉等問題，施
工難度大。
274隧洞于2016年7月正式開始掘進，進入飽
水黃土洞段后，多次出現上述問題，施工進展緩慢，
因此，研究確定飽水黃土隧洞開挖支護施工中的變
形坍塌處理對策及措施，對保證引洮供水二期工程
隧洞安全施工，確保建設工期至關重要。
2飽水黃土隧洞設計支護襯砌方案
274隧洞設計最大過流量為11．5 m3／s，根據水力
學計算結果，結合隧洞圍巖地質特性，隧洞斷面形式
采用能較好適應圍巖變形和山巖壓力的三心圓拱形
斷面(蛋形斷面)，隧洞襯砌后凈寬3．05 m，凈高
3．129 m，毛洞開挖斷面寬4．05 m，高4．279 m。為了
適應飽水黃土圍巖的變形，對其支護襯砌方案，設計
采用“新奧法”(NATM)地下工程設計理論與技術原
則，即復合式支護襯砌形式做為隧洞的支護襯砌結
構體系的原則進行工程設計。一次支護采用掛網(鋼
筋網)、噴(噴砼)結合系統鋼拱架(鋼軌、工字鋼及其
他型鋼)，開挖時輔以管棚(小導管短管棚及長管
棚)；二次襯砌采用現澆模筑鋼筋砼，構成復合式的
支護襯砌結構聯合體系。具體如下：
一次支護方式為頂拱及側拱范圍內噴C20砼
厚150 mm；頂拱及側拱范圍內砼噴層中部設4,6．5
ran．1×200 lain×200 mm鋼筋網；緊貼巖面架設
I 14@0．5。O．8 m全封閉系統鋼拱架，兩榀鋼拱架之
收稿日期：2017—03—10
作者簡介：汪精云(1984一)，男，甘肅景泰人，工程師，學士，主要從事水利水電工程設計，E—mail：283766142@qq．COITI。
萬方數據 ·59·
2017年第3期甘肅水利水電技術第53卷
問設+25 mm環向間距500 mm的連接筋；頂拱
180。范圍內加4,42超前系統管棚(環向間距300
mm。三=3 000 mm)。為免施工機械對開挖后的底板造
破壞，加強支護結構的整體性，在開挖底拱表面鋪設
干硬性砼墊層，厚250 mm。
二次襯砌頂拱及側拱現澆C25鋼筋砼厚350
mm，底拱現澆C25鋼筋砼厚400 mlTl，每10 ITI設一
條永久縫，縫內設置“652”型橡膠止水帶。二襯結束
后，在隧洞頂拱1200范圍內進行回填灌漿。
隧洞開挖支護施工時要求做到短進尺、快循環、
快支護、強支護，以及勤觀察、勤排水，一次支護必須
緊跟掌子面，及早封閉開挖掌子面；對富含地下水洞
段，應加強排水措施。
3隧洞實際施工中的變形坍塌現象及原因分析
27*隧洞掘進進入飽水黃土地層后，開挖支護極
其艱難，在開挖至掌子面樁號59+631．00 m時，在完
成初支但鋼拱架尚未安裝時，掌子面突發坍塌，同時
導致已支護好的超前小導管鋼管管棚坍塌損壞；臨
近掌子面已完成支護的20榀鋼拱架發生嚴重變形，
經實測頂拱頂拱最大下沉量為22 cm，左側最大變
形量16 em，右側最大變形量18 em；噴射混凝土開
裂，形成3道環向裂縫。經現場多次含水量檢測，洞
底土體含水量26．18％。28．65％，處于飽和狀態，洞頂
土體含水量22．86％～25．34％，含水量較大。
278隧洞變形坍塌的主要原因是由飽水黃土穩
定性差的特性造成的。對飽水黃土而言，當圍巖土
體中黏粒含量較高時，土體的顆粒較細，孔隙率較
小，含水量較低，基本無重力水析出，或析出量很少，
且明顯滯后，土體呈硬塑狀，隧洞施工開挖后洞壁掌
子面比較穩定；當圍巖土體中的黏粒含量較低，粉、
砂粒含量較高時，土體顆粒較粗，孑L隙率較大，含水
量較高，大于塑限，多在25％左右，土體由于相對持
水而呈軟塑狀，隧洞施工開挖后，洞室周圍土體處于
lI缶空狀態，土體應力重分布，地下水向洞內集中滲流
排泄，其水力坡度發生變化，在動、靜水壓力作用下，
圍巖土體結構受到破壞，強度降低，發生變形破壞，
掌子面無自穩性，常在頂拱發生塌方、邊墻發生滑
動、墻腳流土(泥)、底板鼓出等變形破壞現象；破壞
嚴重時，可造成流土(泥)堵塞隧洞，塌方冒頂至地
表。另外，土體中發育陡傾角裂隙，洞壁沿裂隙面有
掉塊、坍塌現象。
雖然針對飽水黃土自穩能力差的特性，對隧洞
的開挖支護方案作了有針對陛的加強措施，如頂拱
采用超前管棚保護下進行短進尺開挖，盡量減少對
圍巖的擾動，及時進行掛網噴混凝土及鋼拱架支護，
在鋼拱架拱腳加設墊片，洞底鋪筑干硬性混凝土墊
層，采取各種排水措施等等。但從引洮供水二期工程
以及已建成通水的引洮供水一期工程中飽水黃土隧
洞的實際施工情況分析，即便是在超前保護且噴混
凝土及鋼拱架支護緊跟掌子面的情況下，掌子面或
已完成的支護仍經常會發生變形坍塌及流土(泥)等
破壞現象；含水量較大時，還會發生較大塌方、冒頂
或突泥。因土體成份及含水量的不同，表現出來的問
題也各不相同，處理對策及措施需具體問題具體分
析。
4飽水黃土隧洞實際施工中的變形坍塌處理原則
及措施
4．1 變形坍塌處理原則
對于飽水黃土的隧洞，洞室開挖后，周邊地下水
向洞內集中滲流排泄，隨著時間的延長，周邊土體含
水量越來越高，土體強度越來越低，對土體結構的破
壞也越強烈。因此，無論是正常開挖還是開挖后的變
形坍塌處理，首要的原則是快速施工，快速通過，快
速支護；在此前提下，對已開挖支護并發生變形的洞
段采取加強處理措施，然后針對坍塌體進行加固，再
進行開挖及強支護。坍塌體開挖時必須遵循短進尺、
強支護、快支護，一次支護緊跟掌子面．，同時做到勤
觀測、勤排水。
4．2變形坍塌處理措施確定．
針對274隧洞掌子面坍塌，超前鋼管管棚損壞，
已完成支護的20榀鋼拱架發生嚴重變形下沉的實
際情況，結合飽水黃土特性及確定的處理原則，制定
變形坍塌處理措施如下。
4．2．1已完成支護變形處理措施
(1)加強排水措施，降低洞室周邊土體地下水
位，以提高圍巖的自穩能力。排水措施為：對隧洞底
拱設計開挖線以下50 em深度范圍內的飽水黃土采
用砂礫石進行換基，在換基范圍內洞室側墻處每
5—10 m設置一處集水井，利用砂礫石良好的透
水性及時進行排水，降低洞室周邊地下水位。為
萬方數據
第3期汪精云：飽水黃土隧洞開挖支護施工中變形坍塌處理措施第53卷
防止施工設備碾壓造成底板土體泥化及支護變
形，在換基層上部鋪設25 em厚干硬性混凝土
墊層。
(2)根據快速處理的原則，在變形洞段合理布
設觀測點，加強觀測，及時對觀測數據整理、分析，待
收斂變形穩定后，對變形超限的鋼拱架進行逐榀進
行拆除更換。如變形長時間不收斂，剛對該洞段底
板土體進行固結加固處理，加固措施采用生石灰樁，
具體參數為：鉆孑L孔徑1 10～200mm，孑L距05。1．Om，布
置于兩榀鋼拱架之間，垂直深度約3．0 m(確保砂礫
石換基基礎面以下2．0 m深度)。處理完成后，即進
行鋼拱架置換。
(3)為防止支護好的鋼拱架再次出現下沉，在
拱架側拱拱腳下鋪設C20混凝土預制塊(厚度>20
cm，寬度>40 om)，以增大拱腳受力面積。拱架安裝
后澆筑25 cm厚干硬性混凝土(可增加適量速凝
劑)，對側拱拱腳部位可根據現場施工條件加厚為
500 mm。施工時須高度重視混凝土初期保護，同時
增加鋼拱架縱向連接象}ji獺，以提高鋼拱架整飾靛|生。
4．2_2坍塌體加固處理措施
掌子面坍塌體主要為松散的土體，結合類似事
件處理經驗，采用在洞室側頂拱2450范圍內架設
咖108超前鋼管管棚并利用管棚進行注漿的加固措
施(管棚環向間距300 mm，長度L=9 000 mm)，漿液
采用水泥漿或水泥水玻璃雙液漿，具體根據現場試
驗選擇采用，控制注漿壓力不超過0．5 MPa。加固前，
采用砼可靠封閉掌子面，緊貼封閉面設置116全封
閉工字鋼鋼拱架，將管棚架設于拱架外側。
4．2．3坍塌體開挖支護處理措施
坍塌體加固完成后，即可按原設計開挖支護方
案進行開挖支護。為確保施工安全，掌子面開挖時，
應采取預留核心土的方法進行開挖；鋼拱架型號由
原114加強為116，間距加密至每0．5 m一榀。考慮
坍塌體變形較大的因素，在隧洞側頂拱位置擴挖
200 mm以預留圍巖變形沉降量。開挖完成后，為提
高側頂部土體的整體性，對支護外側1．5 m范圍的
土體進行注漿加固，以防止坍塌形成的空腔掉塊造
成一次支護的損壞。
4．2．4做好施工期變形觀測工作
做好施工期現場變形觀測工作，是確保施工
安全、指導施工的重要手段，現場觀測包括隧洞內
目測觀察、支護變位變形量測、頂底板下沉等內
容。
4．2．5變形坍塌洞段的二次襯砌措施
變形坍塌洞段開挖支護完成后，二次襯砌按隧
洞進出口加強段襯砌形式考慮。二次襯砌混凝土達
到設計強度后，對變形坍塌洞段洞頂空腔應考慮采
用洞內或地面灌注黏土漿(或砼)進行密實充填，以
確保隧洞長期運行安全。上述隧洞變形坍塌處理措
施如圖1所示
l頂拱245。范圍內架設,／,108超前鋼管管棚并注漿
l(環向間距300 mm，L=9000 mm)
I緊貼巖面架設116@0．5 m全封閉鋼拱架
爛蘭二二三墨二二蘭娑／mm
5 結語
引洮二期總干渠27。隧洞變形坍塌洞段，采用
上述的各項處理措施后，成功穿越了坍塌體，恢復了
正常施工。從實際施工效果看，在飽水黃土隧洞變形
坍塌處理及正常施工中，采用長大超前鋼管管棚及
注漿、砂礫石換基及集中排水、必要的地基加固、預
留核心土開挖及強支護等綜合技術措施，可快速穿
越飽水黃土地層及坍塌體，有效解決飽水黃土隧洞
施工中的難題，確保工程施工進度。

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