水底隧洞遇斷層帶鉆灌一體灌漿施工技術

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

國內外修建水底隧道過程中發(fā)生大流量突涌水的工程案例屢見不鮮，一旦發(fā)生突涌水，往往會帶來人員、設備的重大損失，導致建設成本的大幅度增加、工期拖延，甚至還會造成工程被迫改線的情況。

隨著新技術、新手段在水底隧道工程中的應用，突涌水風險防范能力得到了顯著改善。如超前地質預報準確性、鉆孔及灌漿設備功能和效率的提高，使得各種突發(fā)情況下的現(xiàn)場應對能力有顯著的提升。

本文以杭州市第二水源千島湖配水工程分水江穿江隧洞工程為例，介紹穿江隧洞施工過程中通過運用多種超前地質預報手段，準確掌握了掌子面前方圍巖條件，根據(jù)實際情況進行了有針對性的鉆灌一體注漿施工工藝。本工程選用鉆灌一體機配合常規(guī)灌漿設備進行注漿，順利完成了穿江段施工。該設備曾在廈門翔安海底隧道中成功完成了海底風化囊槽鉆灌一體灌漿。

杭州市第二水源千島湖配水工程輸水線路全長112.34km，為Ⅰ等工程。分水江穿江隧洞段起訖里程為55+360.500～56+519.500m，洞段長度1159m。穿江隧洞底板結構高程-50m，千島湖正常蓄水位高程108m，靜水壓力158m，是目前國內內壓最高的大直徑穿江鋼襯輸水隧洞。

穿江隧洞河床段約200m范圍河床段上覆巖體厚度薄，最薄處僅16m，且斷裂構造發(fā)育，巖石破碎，圍巖類別一般為Ⅳ類，工程地質條件差，存在突水等影響施工安全的地質隱患。特別是左岸山腳揭露有一系列陡傾斷裂，影響帶寬約50m，地下水補給豐富，透水性好，輸水隧洞通過該斷層帶時施工風險大。

分水江穿江隧洞縱剖面布置詳見圖1。

圖1 穿江隧洞縱剖面布置

2 總體施工方案

考慮到穿江隧洞段上覆巖體厚度薄,且發(fā)育一系列斷層和導水構造，突涌水、坍塌冒頂同江水聯(lián)通的風險大，為確保施工安全，擬定施工方案如下：

?江底水平段約200m段長范圍內全段進行TSP超前地質預報、地質雷達、紅外探水、水平鉆孔取芯。

?長大斷層破碎帶部位采用臺階法開挖，其余洞段采用全斷面短進尺法開挖。

?每開挖循環(huán)布置5～7個加深炮孔探水，孔深6m，每開挖循環(huán)進尺控制在2m以內。

?采用RPD-150C鉆灌一體機進行灌漿，出水量較大時直接灌漿止水，出水量較小時換用常規(guī)灌漿設備堵水灌漿，以便加快施工進度。

?為確保分水江穿江隧洞段安全、快速掘進，在施工期間成立由參建各方組成的技術小組，在地質超前預報和超前鉆孔的基礎上根據(jù)實際情況，確定前方灌漿及掘進參數(shù)。

3 鉆灌一體灌漿設計

3.1 灌漿參數(shù)

a.超前灌漿加固圈厚度。

?根據(jù)水工隧洞設計規(guī)范，固結灌漿深度應根據(jù)圍巖情況分析確定，可取0.5倍隧洞直徑(或洞寬)，灌漿壓力可采用1～2倍內水壓力。本工程隧洞開挖跨度7.3m，灌漿圈厚度7.7m，滿足規(guī)范要求。

?水工隧洞封堵體設計中，堵頭長度一般按照水力梯度5～10控制，本工程防洪度汛標準按照20年一遇洪水考慮，相應水位高程15.8m，隧洞底板高程-50m，按照全水頭考慮為65.8m，灌漿圈厚度7.7m，水力梯度為8.5。

b.漿液類型及灌漿壓力。輸水隧洞穿江段擬采用普通水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿為主要灌漿材料。漿液配合比詳見表1。灌漿壓力暫定2～3MPa，具體需根據(jù)施工情況進行調整。

表1 漿液配合比

3.2 灌漿布置

鉆灌一體灌漿在地質超前預報和超前鉆孔的判定基礎上實施，根據(jù)分水江穿江段地質條件，分為長距離鉆灌一體灌漿和短距離鉆灌一體灌漿兩種類型。

?長距離鉆灌一體灌漿在江底斷層影響帶(長度約50m)實施，單循環(huán)灌漿長度30m，開挖24m，預留6m作為下一循環(huán)止?jié){巖盤，直至通過斷層影響帶。灌漿示意圖及灌漿孔布置詳見圖2。共計88個鉆孔，鉆孔總長度2218m。

?短距離鉆灌一體灌漿在規(guī)模較小的孤立斷層實施，單循環(huán)灌漿長度13.5m，開挖10m，預留3.5m作為下一循環(huán)止?jié){巖盤，直至通過孤立斷層。灌漿示意圖及灌漿孔布置詳見圖3。共計52個鉆孔，鉆孔總長度762m。

圖2 長距離鉆灌一體灌漿施工示意及布孔設計 (單位：cm)

圖3 短距離鉆灌一體灌漿施工示意及布孔設計 (單位：cm)

3.3 灌漿進度分析

長距離鉆灌一體灌漿施工強度見表2。

表2 長距離鉆灌一體灌漿施工強度

續(xù)表

短距離鉆灌一體灌漿施工強度見表3。

表3 短距離鉆灌一體灌漿施工強度

4 現(xiàn)場實施

根據(jù)超前地質預報成果，穿江段共實施了兩次系統(tǒng)鉆灌一體灌漿：

4.1 輸水隧洞56+026～55+996m洞段

該段地下水較發(fā)育，五個鉆孔(含超前取芯孔、超前探孔、檢查孔)內揭露多個水點，最大水量為65L/min，穩(wěn)定水壓力為0.51MPa，與江水聯(lián)通，現(xiàn)場實施了系統(tǒng)鉆灌一體灌漿。考慮到單個鉆孔內出水量較小，水壓較低，因此布置一環(huán)灌漿孔，孔數(shù)24個，孔深24m，孔底距離開挖邊線約3m，灌漿孔末端孔距1.72m。鉆灌一體灌漿孔布置詳見圖4。

4.2 輸水隧洞55+987～55+970m洞段

根據(jù)超前地質預報成果，55+972.5～55+985.55m段巖體完整性差～破碎，地下水較發(fā)育，在55+976.85～981.4m洞段鉆孔內集中出水水量達70L/min，壓力0.3MPa，存在較大突涌水風險，需對該段進行全斷面鉆灌一體灌漿。

現(xiàn)場討論后商定開挖至K55+987m后，對55+987m～K55+970m段實施鉆灌一體灌漿施工，鉆灌一體灌漿孔數(shù)為24個、孔深17m。

上述兩處出水帶經(jīng)鉆灌一體灌漿后，開挖過程中洞壁以滲滴水為主，灌漿效果極佳。

圖4 56+026～55+996m洞段鉆灌一體灌漿孔布置 (單位:m)

5 結 語

分水江穿江隧洞于2016年12月18日順利實現(xiàn)貫通，比原計劃提前28天(原計劃2017年1月15日貫通)，施工期間未發(fā)生圍巖穩(wěn)定導致的安全事故，也未出現(xiàn)不可控突涌水的情況。

穿江隧洞施工過程中根據(jù)超前地質預報成果對鉆灌一體灌漿參數(shù)進行動態(tài)設計，實際鉆灌一體灌漿費用比按原設計鉆灌一體灌漿方案費用節(jié)約178萬元，抽排水費用節(jié)約90萬元。

總結穿江段施工，高水平的技術人員、流暢的工作流程、全面的地質預報、合理的灌漿參數(shù)、先進的施工設備、謹慎的掘進策略均起到了積極的作用。

?施工現(xiàn)場有數(shù)名專業(yè)的地質工程師和水工結構工程師，另外施工操作人員也都經(jīng)過專門培訓，具有水底隧洞施工經(jīng)驗。

?針對穿江隧洞施工而成立的聯(lián)合技術小組涵蓋參建各方，可以根據(jù)現(xiàn)場遇到的各種突發(fā)情況及時決策，指導現(xiàn)場施工。

?現(xiàn)場分層次實施了超前地質預報工作：TSP超前地質預報、地質雷達、紅外探水等物探手段宏觀判斷；超前地質鉆孔取芯驗證；超前加深炮孔近距離探查。可以準確掌握掌子面前方圍巖情況，合理確定灌漿參數(shù)。

?灌漿參數(shù)是否合理直接影響到工程的安全、進度、成本等各方面，本工程鉆灌一體灌漿參數(shù)經(jīng)過詳細討論、外部專家評審，根據(jù)不同出水構造進行動態(tài)設計，選取有針對性的鉆灌一體灌漿方案，實施效果良好。

?本工程鉆灌一體灌漿實施采用鉆灌一體機配合灌漿泵施工的方案，出水量較大時直接用該設備灌漿止水，出水量較小時換用常規(guī)灌漿設備堵水灌漿，加快施工進度。

?穿江段施工嚴格踐行新奧法的“管超前、嚴灌漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”原則，施工監(jiān)測成果表明各項數(shù)據(jù)均在安全范圍內。