隧洞開挖中斷層和透水層的處理方法

張雪花

（新疆匯通水利電力工程建設(shè)有限公司，烏魯木齊 830000）

某二級水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)沙灣縣境內(nèi)，裝機(jī)容量24MW。主要由引水渠首、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、電站廠房和尾水渠組成，為?。?）型IV等工程，其中發(fā)電引水隧洞為4級建筑物。發(fā)電引水隧洞全長 5.583km，發(fā)電引水隧洞地處金溝河左岸，從攔河引水渠首進(jìn)水閘引水，經(jīng)過42.5m長矩形槽、排沙漏斗、進(jìn)水池、事故閘進(jìn)入發(fā)電引水隧洞。

隧洞走向北偏西，為有壓隧洞，隧洞縱坡1/500，圓形斷面D=3.6m，設(shè)計流量18.2m3/s。在引水洞末端設(shè)置調(diào)壓井，型式為阻抗式，底高程1534.872m，頂高程1568.00m，阻抗孔為圓形斷面，直徑為 1.8m，調(diào)壓井直徑為 7m，調(diào)壓井最高涌浪水位1566.32m，最低涌浪水位1540.786m。

以引水隧洞1+055-3+255段隧洞開挖、襯砌為例。隧洞開挖、支護(hù)及襯砌視圍巖情況確定，Ⅳ類圍巖橫斷面情況如圖1所示。為確保施工進(jìn)度，在引水隧洞 2+061.898 處設(shè)置了 1＃施工支洞。支洞長 380m，斷面形式為城門洞形，斷面開挖面積為11.58m2。在 1#支洞施工過程中遭遇了兩個 30m的大斷層和一個50多米厚的有壓透水層。

1 地質(zhì)簡況

1#施工支洞（引水隧道+062）沒有進(jìn)行實(shí)質(zhì)性地質(zhì)勘探工作，引水隧洞地質(zhì)情況如圖 2。1#支洞與洞軸線夾角45°。引水隧道1+450～2+250段地質(zhì)情況如下：洞軸走向1+935處由350°轉(zhuǎn)為13°，洞室上覆巖體厚度100～170m,巖性為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粗砂角礫巖。

該段通過斷層有：1+530處 f9破碎帶寬約0.5m，與洞軸線夾角約 35°，1+770處F5破碎帶寬約10m，與軸線夾角約40°，2+190處f10破碎帶寬約3m，與洞軸線夾角約60°，傾角均大于65°，帶內(nèi)主要為擠壓破碎巖，斷層通過處巖體較破碎，容易匯積基巖裂隙水并可能掉塊，需即時支護(hù)。

受斷層影響，本段節(jié)理發(fā)育，主要有3組，產(chǎn)狀分別為：①290°～300°SW∠65；②350NE°∠～30～35°；③60°～80°NE∠35°～45°；圍巖穩(wěn)定性主要受巖體結(jié)構(gòu)面的控制，大多為碎裂結(jié)構(gòu)或鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。2+000～2+050處地表為II號溝，溝底沖積有厚達(dá)18m的漂卵礫石層，溝內(nèi)常年流水，洞頂有地表入滲水的影響。

圖1 隧洞典型斷面開挖、支護(hù)、襯砌圖

2 實(shí)際地質(zhì)情況及出現(xiàn)的問題

1#施工支洞實(shí)際開挖過程中遭遇二個斷層和一個透水層（如表1）。

經(jīng)過地質(zhì)勘察設(shè)計人員跟蹤認(rèn)定：二個斷層處于復(fù)雜的地質(zhì)中,所開挖的圍巖是由擠壓而形成的扭曲和揉碎所組成的斷層帶，且其中0+183～0+223的斷層界面與左側(cè)設(shè)計開挖線平行；層間水是與緊鄰洞軸線且洞頂覆蓋層140m多2號溝中的溪間流水屬同一水源，由于節(jié)理發(fā)育 0+268～0+320間的開挖頂部已是蓄滿水的大面積水庫。

圖2 1#施工支洞區(qū)間隧洞地質(zhì)情況圖

表1：1#施工支洞斷層統(tǒng)計表

3 施工組織和施工措施

具體施工中由于前期地質(zhì)沒有反映二段擠壓而形成的扭曲、揉碎斷層帶和一段層間涌水資料。對此突發(fā)事件我標(biāo)段立即全方位的組織，打破各工種界限和管理層與施工層的界限，調(diào)動各工種的積極性。當(dāng)天迅速調(diào)集材料和組織起由管理層與施工層混合的臨時支護(hù)班組。進(jìn)行超前支護(hù)、短進(jìn)尺、快速立拱、鉆設(shè)錨桿、噴射混凝土的初期支護(hù)。

地下工程的突發(fā)事件要果斷和迅速，因?yàn)閿鄬訃鷰r的變化由穩(wěn)定到開挖后的不穩(wěn)定必須快速的使其穩(wěn)定，向上反映等待方案不僅給施工單位帶來一定信譽(yù)度及其他的損失，更主要的是給業(yè)主造成投資上的損失。

對于擠壓而形成的扭曲、揉碎斷層帶的施工：每循環(huán)首先進(jìn)行鋼支撐的支立，隨后進(jìn)行超前小導(dǎo)管和系統(tǒng)錨桿的鉆設(shè)，最后進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片及噴射混凝土的初期支護(hù)。

根據(jù)現(xiàn)有11.58m2小斷面的設(shè)計開挖，每循環(huán)的初期支護(hù)如圖4所示：鋼支撐選用￠22羅紋鋼為主筋的格柵拱架，拱架為三角形邊長 0.25m、拱架間距為 0.8m、拱架之間用￠22羅紋鋼進(jìn)行連接，連接筋的間距為1m。超前小導(dǎo)管是在緊靠開挖斷面支立好第一榀拱架后立即進(jìn)行 3.5m長、間距為0.35m、搭接1m的拱部鉆設(shè)。系統(tǒng)錨桿此時要從格柵拱架間鉆設(shè)并與格柵拱架焊接, 環(huán)向錨桿間距為1.5m。噴射C25混凝土、厚度為0.35m。

對于斷層扭曲、揉碎圍巖的鉆爆，常規(guī)不超過1.5 m。在工期緊和施工進(jìn)度與成本成反比的首要前提下，在扭曲、揉碎圍巖的布眼裝藥鉆爆中，2.5m的鉆孔僅能爆出 0.6～0.7m。在上述初期支護(hù)的前提下對于這樣的進(jìn)尺根本不能滿足工期要求和實(shí)際成本要求。

經(jīng)過幾個循環(huán)的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)隧道鉆爆中掏心創(chuàng)造臨空面的基本原理，在12.5m2的開挖斷面積中采取八字掏心法（如圖 3所示），并增加掏心孔，每排5個孔計8排，且每個孔炸藥量增加三分之一，成功的達(dá)到了每循環(huán) 2.3m的進(jìn)尺要求，同時也滿足了每天2個循環(huán)4.6m的進(jìn)度與成本要求。

在層間涌水段的施工中,對于突發(fā)鉆爆后的涌水所造成的損失及鉆成孔中的涌水, 導(dǎo)致開挖斷面每個鉆孔均有水涌現(xiàn),其中三分之一鉆孔的涌水能把插入的鉆桿沖出。斷面水量用浮標(biāo)法測得120m3/h。對此采取5m超前鉆孔排水的方法，避免了再次爆后涌水造成的再次損失。鉆孔涌水的炸藥選用提前包裝、并防水的巖石硝胺炸藥。裝藥采取￠10鋼筋捆綁炸藥再加雙雷管的方法。在拱頂如大雨的情況下，采取后勤的飲食、醫(yī)療、勞保的保證和增加開挖人員及進(jìn)尺與報酬掛鉤的組織和措施, 在層間涌水段的施工中每天保持著2.5個循環(huán)且每循環(huán)2.2m的進(jìn)度。

圖3 1#施工支洞鉆爆布孔圖

圖4 1#施工支洞初期支護(hù)示意圖

4 結(jié) 論

該隧洞穿過的二條斷層及層間水地段，其施工難度取決于突發(fā)事件后的果斷決策和組織、斷層的性質(zhì)、斷層破碎帶的寬度、填充物、含水性和斷層活動性以及隧洞軸線和斷層構(gòu)造線方向的組合關(guān)系（正交、斜交或平行）。此外，與施工過程中圍巖自身的承載能力給開挖后圍巖自身的破壞程度、工序銜接的快慢、施工技術(shù)措施是否得當(dāng)及施工作業(yè)面狹寬大小等，均有很大的關(guān)系。

只要決策果斷、組織得力、勤細(xì)觀察、措施正確、分工明確、責(zé)任到人、獎罰及時和分明，穿越不同斷面積及不同性質(zhì)的斷層及有水巖層都可克服并能順利通過。

雖說不可遇見的在 11.5 m2小開挖斷面有如此長且如此復(fù)雜的地質(zhì)狀況，在二段扭曲、揉碎圍巖的施工中,使原工期計劃每天 5.5m的進(jìn)尺要74.4m/5.5m計 13.5天完成, 實(shí)際 74.4m/4.6m計16.2m僅延期了2.7天。原計劃每天不變成本4650元增加至5650元成本共計增加2700元，但是產(chǎn)值增加了 30多萬。同時由于及時處理沒有出現(xiàn)塌方和冒頂?shù)氖鹿?給業(yè)主減少了投資損失。更主要的是我們鍛煉了隊(duì)伍取得了一定寶貴的經(jīng)驗(yàn),同時在信譽(yù)程度上得到了業(yè)主及其他方面的認(rèn)可和好評。