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穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施

文档作者：高奋飞卓国锋文档来源：贵州省水利水电勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2024年06月07日
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第53卷第11期甘肃水利水电技术V01．53，No．11
2017年1 1月GANSU WA'ImR RESOURCESAND HYDROPOWERⅡc硎0LoGY Nov．。2017
·设计与研究·
穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施
高奋飞．卓国锋
(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳550002)
摘要：以贵州省某水利枢纽工程东关隧洞冒顶为例，提出引水隧洞在穿过煤系地层且埋深较浅、水体丰富的地质体时
容易出现冒项问题。针对东关隧洞冒顶现象，采用地表地质调查结合工程特点综合分析冒顶原因及冒顶塌落带、潜在
不稳定带的范围，为工程处理提供了可靠的依据。采取灌浆+管棚施工的工程措施后隧洞掘进顺利通过了帽顶段。
关键词：煤系地层；地下水；冒顶；灌浆
中图分类号：TV554 文献标志码：B 文章编号：2095—0144(2017)11--0054—04
1 工程概况
贵州省某水利枢纽工程输水线路总干渠第一条
隧洞起点为潘家岩脚大沟右岸山脊，取水口高程为
1 295 m，隧洞走向为SEl04。，总长度为3．08 km。
隧洞半径为3．5 m，为圆形有压洞室。隧洞出口位于
岩沟，接岩沟渡槽，出口高程为1 295 m。东关隧洞
下穿梅花山以及东关乡镇，其中隧洞穿越东关乡段
为浅埋段，埋深约为30 m(图1)。
2冒顶成因分析
2．1 冒顶概况
隧洞出口段开挖至桩号总干2+236处，掌子面围岩
岩性为泥岩、泥质粉砂岩及泥质页岩，夹煤线二层，
厚度0．5～1 m。掌子面围岩为v类，当完成拱架施
工支护，在进行超前小导管施工的时候，拱顶开始局
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图1 隧洞冒顶段与煤洞、泉水、裂缝等关系示意图
收稿日期：2017—10—23
作者简介：高奋飞(1986一)，男，陕西佳县人，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电工程地质勘察、地质灾害评估及治理。
E-mail：541599628@qq．com。
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万方数据
第11期高奋飞：穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施第53卷
部掉块并出现坍塌。坍塌空腔高度为4 m，纵向长度
约6 m，环向宽度约8 m，空腔周围为煤系地层泥
岩、泥质粉砂岩及泥质页岩，节理裂隙发育。塌陷空
腔出现地下水，水量约为8 L／s，掌子面间断性坍塌
并继续发展，次日隧洞突然发生涌泥，涌泥从掌子面
退回到总干桩号2+273处，长度约37 m，涌泥主要
物质组成为水与泥夹石混合物，流动性较好。冒顶
段暂时稳定后地表出现了一个直径22 m的不规则
形状的塌陷坑(近圆形)，深度为6～8 m。由于围岩
自稳能力差，有继续坍塌的趋势。
2．2基本地质情况
隧洞桩号总干2+236 m处地表为缓斜坡地貌，
地形坡度为5。一15。，隧洞埋深30～41 m，为浅
埋隧洞，洞顶基岩厚度仅8～12 m。覆盖层主要为粉
土夹碎石、块石，碎石质量分数约为30％，覆盖层厚
度约15 m。下伏基岩为P31煤系地层，强风化层厚
度为6。8 m。岩体强度低，岩体破碎，岩层产状为
NEl40 NW[18。。地表水系发育(图1)，地下水类
型为覆盖层孔隙水及基岩裂隙水，地下水位埋深一
般为2。3 m，最浅0．5 m，最深20．7 m。
2．3地表调查
2．3．1塌陷坑及周围情况
冒顶段地表塌陷区为直径22 in的不规则形状
的圆坑，深度为6。8 m，浅表层土体为粉土夹碎石、
块石，局部夹黏土，结构松散。塌陷坑周围有10余
条裂缝，裂缝宽度为3～10 cm，在塌陷坑周围随机
分布，一般长度为1～3 m，不连续。坑壁有渗水，流
量约为0．5 L／s，地下水位最高为2 m，通过地表抽
排走一部分地下水，但仍有部分地下水通过岩体裂
隙下渗。洞内塌陷充填长度约37 m，主要为黄色粉
土夹碎块石及黏土，含水土体呈饱和状态，局部黏土
为流塑状，渗水量约为3 L／s。
2．3．2老煤窑分布
通过寻访当地村民，初步了解塌陷区附近有6
个煤矿，洞口均被封堵，其中1—4#煤矿开挖深度为
20。50 m，停挖超过50年，5-64煤矿开挖深度为数
百米，停挖约20年。由于都是小煤窑，无法收集准
确资料。初步分析，其中4#煤矿开挖方向与隧洞走
向基本一致，开挖深度为20～30 m，煤矿未与隧洞
相交。
2．3．3地表及地下水分布
洞顶地表水较发育，主要有蔡家寨冲沟，蔡家冲
沟枯季流量约为15 L／s，雨季流量达150 L／s。在地
表还发现的4个泉点，其中sl、s2直接排至洞内，水
量为0．5 L／s。其余泉点均为当地居民饮用水及灌溉
水源，综合流量为2。3 L／s。
2．4冒顶形成原因分析
塌陷区覆盖层厚度大，覆盖层结构松散，洞顶基
岩层厚度小，而且主要为煤系地层。据调查洞段地表
分布有6个煤洞，其中44煤洞走向与隧洞呈小角度
相交，可能存在煤矿老窑充水等情况，对洞室稳定性
存在影响。隧洞穿越地段地表及地下水较为发育。煤
系地层遇水易软化，自稳能力差，掌子面基岩已出现
失稳。围岩垮塌后，地下水集中汇聚于垮塌处，覆盖
层、强风化带基岩在自重和水压力作用下，出现冒顶
现象，洞内坍塌物为泥夹石。直至塌陷坑周围岩土体
稳定后，塌方规模不再扩大并趋于稳定状态。具体分
析如下：
洞顶覆盖层厚度达到10～15 m，强风化基岩厚
度为8 m左右，岩体遇水后容易软化，强度差，容易
失稳，地下水较为发育，洞内塌落物主要来源于上覆
覆盖层及强风化基岩。
冒顶主要由直接塌落区、牵引塌落区以及潜在
塌落区三部分组成。直接塌落区处洞顶上方，最初形
成的塌陷坑，牵引区主要在洞室周围3～5 m范围
内。据地表调查，位于蔡家寨冲沟的4#老窑，与隧洞
轴线小角度相交。受老窑影响，掌子面向蔡家寨冲沟
方向，可能存在不稳定区。潜在不稳定区范围较大，
有延伸至蔡家寨冲沟一带的趋势。潜在不稳区，向出
El方向延伸长度约25 m(图2)；横向两侧地表影响
区域分别为上游测22 m，下游侧14 m(图3)。潜在
不稳定区有再次塌陷的风险，须及时采取支护措施。
3处理措施
根据现场情况分析，冒顶成因为地下水富集、覆
盖层结构松散，洞顶基岩层厚度小且主要为煤系地
层，处理重点为地下水引排及松散岩土体的加固。具
体处理措施如下：
(1)加强地表排水，主要通过抽排塌陷坑内积
水以及在塌陷坑周边修筑截水沟(截水沟应根据现
场地形具体布置)。
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万方数据
2017年第11期甘肃水利水电技术第53卷
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①潜在不稳定区②牵引塌落区③直接塌落区④覆盖层界限⑤强风化界限⑥弱风化界限⑦岩层产状⑧隧洞纵剖面⑨冒顶堆积物④残坡积粉土夹块石、碎石
图2隧洞纵向冒顶影响区
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②牵引塌落区
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③直接塌落区④覆盖层界限⑤强风化界限⑥弱风化界限⑦岩层产状
⑩残坡积粉土夹块石、碎石
图3隧洞横向冒顶影响区
(2)待截水沟修筑完成、塌陷坑内积水抽排干
净后，用开挖渣料回填塌陷坑压实整平，然后实施地
表灌浆。
(3)对总干2+212～2+248共36 m段进行地表
灌浆处理，灌浆孔沿轴线方向布置7排，间排距2 m，
梅花形布置(图4)。灌浆孔以隧洞底部开挖高程以下
·56·
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2 m为底界，有效灌浆深度为17 m。浆液水泥为复
合硅酸盐水泥P．C32．5(浆液是否掺加水玻璃应根
据灌浆效果确定)。灌浆压力初定为0．5 NPa，施工
过程中应根据现场实际单耗和扩散半径进行调
整。灌浆应按先上游后下游，先坑外后坑内的顺序
实施。
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万方数据
第11期高奋飞：穿越煤系地层引水隧洞冒顶成因分析及处理措施第53卷
图4．地表灌浆孔平面布置示意图
(4)完成地表灌浆后对隧洞内坍塌体进行清
理。清理至桩号总干2+242 m左右时采用大管棚支
护形式进行开挖。大管棚选用4,108无缝钢管，单根
长20 m，布置在顶拱1300范围，环向间距0．5 m，
倾斜角度2。。注浆浆液采用水泥一水玻璃双浆液，
水泥为复合硅酸盐水泥P．C32．5，注浆压力为0．2～
0．5 MPa，根据现场施工情况随时调整。
(5)大管棚支护形式先实施两环，后续洞段的
临时支护形式根据开挖后实际地质情况确定。纵向
两组大管棚间水平搭接长度不小于5 ITI。
4结论
(1)煤系地层为软质岩，地下水及地表水较为
发育，软岩遇水后容易出现软化，围岩自稳能力差，
浅埋段施工应做好支护措施，必要时做好超前支护。
(2)冒顶塌落范围包含有塌落区以及周围潜在
不稳定区，潜在不稳定区存在继续塌落的风险，处理
冒顶应包含潜在不稳定区。
(3)隧洞埋深浅，洞内处理风险较大，通过地表
化学灌浆处理能有效提高洞壁围岩强度，为洞内实
施管棚施工提供条件。
(4)采取灌浆+管棚施工能有效处理隧洞软
岩(煤系地层)且地下、地表水丰富的浅埋隧洞的冒
顶事故。
(5)地表灌(注)浆处理后有效地凝固了松散崩
塌堆积体及松散围岩，洞内实施的管棚施工顺利。地
表灌(注)浆有效地封堵了地表水的下渗，二次开挖
时，隧洞内较为干燥。隧洞二次开挖已顺利通过冒顶
段。
参考文献：
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讯．201l，8(2)：98—99．
[2]韩光钦．煤素地层不良地质条件下隧道施工技术研究叨．
公路．2016，52(1)：234—237．
[3]王占鲁．煤系地层不良地质条件下公路隧道支护设计方
法叨．地下空间与工程学报2015，11(增刊2)：601—606．
[4]余继光，蔡振雷，左清泉．化学注浆加固技术在巷道大冒
落带的应用阴．中州煤炭．2008，20(2)：71—72．
-+-+·+-+-+-+-+·
(上接第24页)
该工程堤顶按修复方案施工完成至今，堤顶再参考文献：
未出现开裂，坡脚平台也未出现隆起。说明根据分[1j墨堕壬程婴规范：GB 50286—20131S]．
析及按测量假定的滑弧是合理的，由此计算得出土心1辈蔷案盍嚣冀鬣蓊翌：墓一原理·方法。程前嗍北京：
体经扰动后的强度指标是符合工程实际的。[3]木结构设计规范：GB 50005—20031S]．
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