某輸水隧洞工程不良地質(zhì)洞段施工處理

閔建忠

(中國葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710065)

某輸水隧洞工程，全長41.823km，進(jìn)口段約9km采用鉆爆法施工，其余約32km由2臺開敞式TBM施工，TBM開挖直徑6.5～6.8m。TBM施工隧洞巖石抗壓強(qiáng)度30～180MPa，III類圍巖占比約53%，IV類及V類圍巖占比約29%。隧洞最大埋深約2300m，縱坡坡度為0.18%；洞徑5.3m，圓形斷面，無壓流，現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，采用開敞式TBM掘進(jìn)和鉆爆法相結(jié)合的施工方式，一次開挖及支護(hù)完成后再進(jìn)行二次襯砌，特殊地質(zhì)洞段根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行二次襯砌。

大埋深、大坡度、長洞段是該隧洞典型的工程條件特征。該隧洞施工難度大，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，存在大變形、高地壓、高承壓水、突涌水等施工風(fēng)險，需穿越斷層破碎帶、蝕變帶等不良地質(zhì)洞段。本文就TBM掘進(jìn)洞段遇蝕變帶不良地質(zhì)條件采取的施工措施及取得的效果進(jìn)行簡要論述。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 設(shè)計地質(zhì)

根據(jù)設(shè)計圖紙可知該段屬山間壓陷盆地，地形起伏大，物探測試此段為高阻區(qū)，構(gòu)造帶處視電阻率明顯較低，大部分洞段蝕變巖不發(fā)育，破碎帶附近存在蝕變巖問題；存在一處英安斑巖(英安質(zhì)晶屑熔巖)與二長花崗巖(花崗閃長巖)的不整合接觸帶，此段為Ⅳ-Ⅴ類圍巖。

1.2 揭露工程地質(zhì)

圍巖巖性為花崗巖，灰白色，巖體破碎，夾雜大量的較大石塊，石塊強(qiáng)度較高，石塊間充填大量松散體，松散體以巖屑、砂、泥等細(xì)顆粒為主，穩(wěn)定性差，受掘進(jìn)擾動隨滲水大量涌出后，石塊形成鑲嵌結(jié)構(gòu)。

此段不良地質(zhì)洞段圍巖整體出水嚴(yán)重，出水以線流、股狀為主，隧洞出水主要分布于頂拱及右側(cè)，最大出水量達(dá)141.3m3/h，目前水量穩(wěn)定至50～70m3/h。

1.3 超前地質(zhì)預(yù)報情況

隧洞掌子面前方段存在斷層破碎區(qū)，圍巖整體逐漸變差，存在較大的斷層導(dǎo)水突泥風(fēng)險。

1.4 地表踏勘情況

通過對掌子面地表一帶地質(zhì)踏勘，出露地層情況復(fù)雜，北側(cè)為灰白色中細(xì)?；◢忛W長巖，巖石地貌上呈高山，巖體較為完整，向南變?yōu)闇\肉紅色中粒二長花崗巖，二長花崗巖內(nèi)破碎程度大于花崗閃長巖，且在接觸部位存在有蝕變現(xiàn)象。灰黑色英安斑巖主要呈脈狀侵入于北側(cè)二長花崗巖與南側(cè)大理巖之中，英安斑巖工程性質(zhì)較好，巖石硬度大，抗風(fēng)化侵蝕能力強(qiáng)。地表有溪流經(jīng)過，與隧道軸線方向幾乎垂直，流量約為0.2m3/s，與隧道交叉處下游約2km處地表徑流消失，根據(jù)地表徑流情況，洞內(nèi)出水疑受地表水補(bǔ)給。

1.5 不良地質(zhì)洞段預(yù)測

根據(jù)采用三維地震與激發(fā)極化法探測結(jié)果及TRT方法、單孔聲波檢測法、全孔壁數(shù)字成像法等超前地質(zhì)預(yù)報檢測手段的預(yù)報結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，綜合認(rèn)為前方不良地質(zhì)長度在60m以上。

2 采用管棚施工方法

2.1 第一循環(huán)

自進(jìn)入不良地質(zhì)洞段開始，TBM掘進(jìn)過程中從人孔處涌出的泥石混合物數(shù)量急劇增加，期間多次啟動刀盤時人孔均流出大量混合物，并將TBM主機(jī)區(qū)域1號皮帶壓停，其中，某日凌晨啟動刀盤過程中(尚未推進(jìn)，轉(zhuǎn)速為0.2rpm)主梁人孔瞬間涌出約80m3泥石混合物(如泥石流)，將主梁下部填滿。采用正常模式啟動刀盤時，人孔瞬間涌出大量泥水混合物，約150m3，TBM掘進(jìn)被迫停止。為保障施工安全，防止出現(xiàn)大面積坍塌，開始進(jìn)行管棚施工。

采用化學(xué)灌漿和HC注漿材料對護(hù)盾尾部圍巖加固完成后，對護(hù)盾尾部的隧洞進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖后安裝DMY- 135頂錘式管棚鉆機(jī)打設(shè)長8mΦ51自進(jìn)式管棚35根，進(jìn)行護(hù)盾及刀盤上部圍巖化灌固結(jié)，固結(jié)完成后打設(shè)Φ76自進(jìn)式管棚36根，并進(jìn)行HC灌漿施工，施工完成后對擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，TBM設(shè)備掘進(jìn)通過。

2.2 第二循環(huán)

在護(hù)盾尾部擴(kuò)挖長3.5m鉆機(jī)工作室，采用阿特拉斯1838鑿巖機(jī)沿隧洞上半圓，按間距70cm，施做11根長8mΦ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，注化學(xué)漿液，起到保護(hù)刀盤和護(hù)盾作用。

采用ZM- 90鉆機(jī)依次施做11根，長8m，Φ146跟管，間距70cm，外插角2°，完成后依次穿過跟管向前鉆進(jìn)，每段長6m，分段進(jìn)行灌漿加固，反復(fù)掃孔和灌漿，直至加固范圍到達(dá)40m左右。

根據(jù)注漿完成后探測孔的檢查情況，施作Φ146跟管，跟管長度為30m，跟管施工完成后插入Φ108管棚，拔出Φ146跟管后對Φ108管棚進(jìn)行注漿。

2.3 第三循環(huán)

第二循環(huán)掘進(jìn)過程中揭示圍巖情況為：圍巖巖性主要為花崗巖，并伴有不同程度蝕變現(xiàn)象，巖石顯性節(jié)理和隱性節(jié)理極發(fā)育，且雜亂無章，自穩(wěn)能力極差，強(qiáng)度較高的小塊孤石、飄石較第一循環(huán)圍巖數(shù)量減少，巖石間空隙由大量小顆粒物質(zhì)填充，根據(jù)顆分報告顯示，渣樣的基本均在10mm以下。

掘進(jìn)過程中刀盤內(nèi)局部位置有線狀和股狀出水現(xiàn)象，但幾乎沒有出現(xiàn)水流引起的涌泥、涌砂現(xiàn)象，證明第二循環(huán)注漿起到一定固結(jié)圍巖和止水并改變水路的作用。

通過總結(jié)第一、第二循環(huán)經(jīng)驗，繼續(xù)調(diào)整施工方法，采用阿特拉斯1838鉆機(jī)鉆孔對護(hù)盾上方與刀盤部位采用化學(xué)灌漿進(jìn)行固結(jié)，采用ZM- 90管棚鉆機(jī)施工管棚，管棚安裝完成后進(jìn)行大循環(huán)注漿施工，施工完成后對擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，TBM設(shè)備掘進(jìn)通過，根據(jù)情況重復(fù)進(jìn)行此項施工。

3 施工總結(jié)

3.1 第一循環(huán)

管棚注漿共分7次施工完成，施工中采用間隔注漿方式，共計施工Φ76管棚22根，Φ42管棚13根，共計注入HC材料75.65t，其中最大注入量為9.5t，最小注入量為0.45t，注漿施工共計耗時38.5h，其中最長、最短耗時分別為：330min、13min，最大注漿壓力為5.6Mpa，管棚施工注漿情況如圖1所示。

圖1 第一循環(huán)管棚施工注漿量分布(單位：m3)

根據(jù)護(hù)盾后方圍巖情況，原12點(diǎn)與1點(diǎn)半位置均滲水嚴(yán)重，均為股狀出水，其中12點(diǎn)位置滲水大于1點(diǎn)半，注漿施工完成后滲水得到了明顯的封堵，緊貼護(hù)盾后方基本無滲水，滲水較多地出現(xiàn)于擴(kuò)挖段位置。管棚施工完成后掘進(jìn)時人孔無石渣流出，拱頂?shù)魤K塌落深度較管棚施工前出現(xiàn)明顯改善，盾尾出漏圍巖可以見明顯的漿液固結(jié)圍巖情況。

上述情況說明：采用HC雙液漿進(jìn)行灌注，達(dá)到堵水、改變水流路徑的目的，采用的柱塞泵+計量泵設(shè)備和相配合的灌漿工藝很適合巖層破碎并伴有出涌水的地質(zhì)加固；高壓注漿達(dá)到了預(yù)期效果。第一循環(huán)管棚施工總耗時63d，掘進(jìn)11.7m。

3.2 第二循環(huán)

第二循環(huán)管棚施工共計完成鉆孔41根，其中：護(hù)盾與刀盤上部固結(jié)鉆孔11根(Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，共88.5m)、超前圍巖改良預(yù)注漿鉆孔11根(成孔445.5m，其中Φ146跟管82.5m，Φ100裸孔363m，加上反復(fù)掃孔共計鉆進(jìn)1518m)、探測孔8根(共212m，Φ146跟管15m，Φ100裸孔197m)、管棚鉆孔11根(共309m，Φ146跟管108m，Φ108跟管54m，Φ108裸孔(內(nèi)插108鋼管24m)147m)，累計注入化學(xué)灌漿材料5.87t、HC材料78.64t(47.18m3)、水泥5.85t(4.1m3)。

圖2 第二循環(huán)化學(xué)灌漿注漿量分布

管棚施工完成后在TBM掘進(jìn)過程中刀盤主梁人孔基本無石渣流出，掘進(jìn)完成后可看到漿液擴(kuò)散的痕跡，施工中仍出現(xiàn)護(hù)盾頂部管棚下部圍巖塌落后形成的三角區(qū)域，同時掘進(jìn)過程中刀盤內(nèi)出現(xiàn)管棚鋼管。第二循環(huán)管棚施工共計耗時55d，完成掘進(jìn)18.3m。

3.3 第三循環(huán)

(1)第三循環(huán)管棚施工共計完成鉆孔39根，其中：護(hù)盾與刀盤上部固結(jié)鉆孔20根(Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，共210m)、超前圍巖改良預(yù)注漿鉆孔19根(成孔585.2m，Φ130裸孔431.2m，Φ146裸孔154m，孔內(nèi)插入Φ108跟管570m)、探測孔3根(共71.6m，Φ130裸孔10m長1根，30.8m長2根)、累計注入化學(xué)灌漿材料16.05t(其中護(hù)盾上部圍巖固結(jié)14.85t、管棚與裸孔間隙封孔1.2t)、HC材料99.825t(59.9m3)。

圖3 第三循環(huán)化學(xué)灌漿注漿量分布

圖4 第三循環(huán)管棚注漿量統(tǒng)計

(2)與第一、二循環(huán)管棚施工對比。①化學(xué)灌漿。根據(jù)化學(xué)灌漿量與第一、二循環(huán)管棚施工對比(化學(xué)灌漿對比如下表)，結(jié)合護(hù)盾上部裸孔鉆進(jìn)情況，化灌錨桿間距縮小后，護(hù)盾上部化學(xué)灌漿固結(jié)總體有所增強(qiáng)，見表1。②管棚注漿。第一循環(huán)管棚施工HC注漿總量為75.65t，加固長度為30m，平均2.52t/m；第二循環(huán)管棚施工共計注入HC材料與水泥漿84.49t，加固長度為40m，平均2.11t/m；第三循環(huán)管棚施工共計注入HC材料99.825t，加固長度為30m，平均3.33t/m。在灌漿過程中多次出現(xiàn)串漿現(xiàn)象，因此初步推斷第三循環(huán)管棚注漿施工效果較好，后續(xù)將根據(jù)施工情況實時調(diào)整管棚方案，直至通過不良地質(zhì)洞段，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

表1 第一循環(huán)與第二循環(huán)化學(xué)灌漿對比

4 結(jié)論及建議

實際施工情況證明，管棚施工方法能夠保證在安全的前提下使TBM機(jī)通過不良地質(zhì)洞段，但施工工期較長，成本較高，需對地質(zhì)變化情況實時監(jiān)測，并根據(jù)實際情況總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，及時調(diào)整施工方法，加強(qiáng)各施工工序之間的配合，在保證施工質(zhì)量安全的前提下，盡量縮短施工工期和減少施工成本。