水工隧洞穿越典型斷層破碎帶加固施工技術(shù)

李 娟

（山西中部引黃水務(wù)開發(fā)有限公司，山西 太原 030002）

1 工程概況

中部引黃工程總干4號(hào)留子局村隧洞進(jìn)口樁號(hào)165+926.27，出口樁號(hào)200+217.17，總長(zhǎng)34.29 km，設(shè)計(jì)流量16.31 m3/s，縱坡1/3000。工程總干4號(hào)隧洞樁號(hào)199+607掌子面出現(xiàn)斷層破碎帶，由塊徑不一的灰?guī)r塊體堆積而成，塊徑為0.1～1 m不等，巖體結(jié)構(gòu)組織完全破壞，結(jié)構(gòu)面多張裂，空腔裂縫極為發(fā)育，無(wú)填充物。巖體破碎，松散，開挖后，圍巖自穩(wěn)能力極差，形成拱頂坍腔，變形破壞十分嚴(yán)重。為確保施工質(zhì)量與施工安全，需對(duì)50號(hào)主干下游K 199+607斷層破碎帶采取初期支護(hù)加固處理。

2 工程地質(zhì)分析

2.1 總干4號(hào)隧洞工程地質(zhì)

總干4號(hào)隧洞工程引水線路主要是經(jīng)過呂梁山土石區(qū)，地面主要以山區(qū)為主，且起伏較大，溝壑縱橫，沖溝較多發(fā)育；河流較少，主要有東川河，河谷寬約1 km，河床高程1 016 m；較大的沖溝有火石溝、蘇村溝等。沿線山頂最高高程為1 415 m，留子局村隧洞進(jìn)口最低高程977 m，相對(duì)高差約438 m。

巖芯取樣鉆孔6個(gè)，鉆孔巖心采取率及RQD（巖石質(zhì)量指標(biāo)）值統(tǒng)計(jì)情況見表1。需要說明的是，由于已完成的鉆孔數(shù)量較少，且揭露到所統(tǒng)計(jì)地層的鉆孔數(shù)量不均勻（如下馬家溝組地層僅有1孔揭露），加之鉆孔大多位于溝內(nèi)，可能受到構(gòu)造及應(yīng)力影響，故該項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表有一定片面性。

從表1中可以看出，下馬家溝組采取率及RQD值相對(duì)較高，上馬家溝組、峰峰組、本溪組地層采取率及RQD值相對(duì)較低。

表1 總干4號(hào)隧洞鉆孔巖芯采取率及RQD值統(tǒng)計(jì)匯總表

鉆孔巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

工程所在區(qū)域地層依次為奧陶系O2x3、O2s3、O2f1，區(qū)域內(nèi)主要是溶蝕裂隙形態(tài)巖溶，伴有溶洞和其他巖溶情況。在斷層破碎帶、節(jié)理密集帶及軟弱層間撓曲等處，也可能有較為發(fā)育的溶洞，其中有棕黃色粘土（低液限、碎石）半充填或充填。

2.2 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

工程總干4號(hào)隧洞樁號(hào)199+346—200+217段，地面高程1 169～1 320 m，洞底埋深215～366 m，洞身穿過奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組下段泥灰?guī)r，該段巖溶地下水位于洞底以下。泥灰?guī)r巖性較為軟弱，圍巖各項(xiàng)系數(shù)見表3。

圍巖工程地質(zhì)分為V類（見表4），圍巖不能自穩(wěn)，如果不采取有效措施，變形嚴(yán)重有破壞效果。該洞段的地下巖溶較為發(fā)育，施工過程中極有可能有溶洞的存在。在地應(yīng)力作用下，可能產(chǎn)生軟巖變形。

表2 鉆孔巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果匯總表

表3 圍巖各項(xiàng)系數(shù)表

表4 樁號(hào)199+346—200+217地段圍巖分類評(píng)分表

2.3 掌子面地質(zhì)揭示

工程總干4號(hào)隧洞樁號(hào)199+607時(shí)出現(xiàn)斷層破碎帶，由塊徑不一的灰?guī)r塊體堆積而成，雜亂無(wú)章，塊徑為0.1～1 m不等，巖體結(jié)構(gòu)組織完全破壞，結(jié)構(gòu)面多張裂，空腔裂縫極為發(fā)育，無(wú)填充物。巖體較為破碎且松散，如果在開挖后不采取有效措施，圍巖不能自穩(wěn)，形成拱頂及側(cè)墻塌方等情況，后果十分嚴(yán)峻。為確保施工質(zhì)量與施工安全，需對(duì)樁號(hào)199+607斷層破碎帶采取初期支護(hù)加固處理。

3 工程處理措施

3.1 初期支護(hù)加固處理措施

首先需要對(duì)掌子面進(jìn)行確認(rèn)找頂，排除險(xiǎn)情，之后對(duì)掌子面進(jìn)行噴混凝土封閉，可選用C 20或者標(biāo)號(hào)更高的混凝土，如果掌子面有水，可選用快速凝結(jié)的混凝土，一般噴射10 cm厚。

施工前，采用加長(zhǎng)炮孔取樣法，探明掌子面前方地質(zhì)情況，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法探明底板以下10 m范圍內(nèi)是否存在空洞。

沿掌子面在開挖輪廓線全斷面（包括底板），布置5 m長(zhǎng)直徑42 mm花孔鋼管進(jìn)行預(yù)注漿加固，布設(shè)間距80 cm，鉆孔傾角45°，采用1：1水泥漿對(duì)輪廓線外3 m范圍巖體進(jìn)行注漿固結(jié)，每循環(huán)注漿固結(jié)圍巖長(zhǎng)度約3m。

該段破碎帶施工應(yīng)提高該段支護(hù)質(zhì)量，確保施工安全，采用I 20工字鋼進(jìn)行鋼架支護(hù)，底部增設(shè)I 20工字鋼底橫梁。為保證斷面凈空，開挖時(shí)，邊墻及頂拱輪廓外放4 cm，底板開挖下放20 cm。

根據(jù)試驗(yàn)確定，注漿固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求后，采用超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破掘進(jìn)。頂拱范圍按設(shè)計(jì)采用5 m長(zhǎng)直徑42 mm超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，每循環(huán)開挖采用弱爆破方式控制進(jìn)尺50～60 cm，根據(jù)開挖進(jìn)尺，隨機(jī)間距布設(shè)鋼架，拱腳處加設(shè)工字鋼底橫梁（原工字鋼架支腿各延長(zhǎng)20 cm），每榀鋼架設(shè)置長(zhǎng)3 m的注漿鎖腳錨管12根（起拱線、支腿腰部、拱腳處），鋼架間按50 cm間距布設(shè)鋼架縱向連接筋。

在頂拱及邊墻按設(shè)計(jì)進(jìn)行錨網(wǎng)噴護(hù)，掛設(shè)雙層直徑8 mm鋼筋網(wǎng)片（15 cm×15 cm），噴射C 20混凝土20 cm厚。

開挖過程中，遇局部塌方形成的坍腔采用噴射C 20混凝土回填密實(shí)。

現(xiàn)場(chǎng)必須嚴(yán)格按照此方案進(jìn)行施工，過程中及時(shí)反映該段圍巖變化情況，直至圍巖情況好轉(zhuǎn)后，及時(shí)上報(bào)監(jiān)理、業(yè)主單位相關(guān)人員，并終止該方案，按正常設(shè)計(jì)掘進(jìn)施工。

3.2 施工安全措施

所有施工人員必須佩戴安全帽，防塵口罩進(jìn)行作業(yè)。該段為破碎帶，及時(shí)做好監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)。介于該段為斷層破碎帶，需要嚴(yán)格按照“弱爆破，短進(jìn)尺，緊（強(qiáng)）支護(hù)，勤測(cè)量”的施工原則。洞內(nèi)施工時(shí)應(yīng)多進(jìn)行變形測(cè)量，發(fā)現(xiàn)變形和其他安全隱患需要及時(shí)解決，以防止變形的發(fā)展和事故發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)中部引黃輸水隧洞穿越典型斷層破碎帶，采用混凝土封閉掌子面，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，全斷面布置鋼管進(jìn)行預(yù)注漿加固，工字鋼進(jìn)行鋼架支護(hù)，錨網(wǎng)噴護(hù)，噴射C 20混凝土回填密實(shí)的施工措施的工藝。

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和安全通過得出以下結(jié)論：對(duì)不良地質(zhì)洞段采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是非常必要的，其預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性將直接影響施工工藝的制定。通過預(yù)報(bào)結(jié)果，選擇合理的開挖方法是施工安全的重要保證。采用超前管棚并注漿對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)，使的圍巖固結(jié)保持穩(wěn)定，有效防止和減少了拱部圍巖發(fā)生掉塊、塌方和變形，保證了施工過程的安全。穿越斷層破碎帶的施工過程中要按照“早預(yù)報(bào)、短進(jìn)尺，弱爆破，緊、強(qiáng)支護(hù)，勤測(cè)量”的原則。

針對(duì)不同的地質(zhì)圍巖情況，應(yīng)做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，制定合理的開挖措施、支護(hù)方式和監(jiān)測(cè)方案是十分必要的，使得穿越斷層破碎帶施工過程更加安全穩(wěn)妥。