中部引黃工程石樓至隰縣段隧洞開挖特殊地質(zhì)情況的處理方法

王建文

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概況

1.1 工程范圍

中部引黃西干線石樓-隰縣段隧洞（主洞樁號西35+565.3～86+123.17）在石樓境內(nèi)主要由13#～18#支洞及交通洞進(jìn)入主洞，隰縣境內(nèi)主要由19#～24#支洞和主洞相連，最后與蒲大支線銜接，總長50.56 km。

1.2 工程地質(zhì)

施工區(qū)域內(nèi)覆蓋層主要為：第三系上新統(tǒng)低液限黏土、卵石混合土；下伏地層主要為三疊系中統(tǒng)二馬營組上段砂巖與泥巖互層、三疊系下統(tǒng)和尚溝組泥巖夾中細(xì)砂巖。施工支洞從覆蓋層進(jìn)入，穿越地表水位及地下水位線進(jìn)入主洞，沿線可能出現(xiàn)涌水、涌砂、隧洞不能自穩(wěn)的情況。進(jìn)入主洞后圍巖類別以Ⅳ、Ⅴ類為主，隧洞開挖后由于應(yīng)力釋放后的重新分布、節(jié)理裂隙面的影響、小型斷層破碎帶的控制可能出現(xiàn)局部坍塌和塌方。根據(jù)以上情況，需采取不同的施工方法予以處理，以保證工程的順利實(shí)施。

1.3 隧洞的斷面型式

隧洞支洞為城門洞型：凈寬3.65 m，高3.2 m；隧洞主洞巖石段為城門洞型：凈寬2.5 m，凈高3.24 m，直墻段高2.2 m，頂拱中心角135°，半徑1.35 m；隧洞主洞土洞段為馬蹄型：R1、R2分別為1.5 m、3 m。隧洞開挖過程中根據(jù)圍巖類別初襯和二襯的厚度予以控制開挖尺寸。

2 特殊地質(zhì)情況的地質(zhì)監(jiān)測

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

引水線路工程在施工前期地質(zhì)資料不可能把每一斷面的地質(zhì)情況詳細(xì)勘查，而在實(shí)施過程中需要動態(tài)掌握詳盡的地質(zhì)情況，特別對于富水段和地質(zhì)圍巖較差的地段要提前掌握，在西干線隧洞施工中對于不良地質(zhì)的洞段，首先采用了超前地質(zhì)預(yù)報辦法予以解決。

本線路段主要采用地球物理勘探中的超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)（TSP203）對掌子面前部巖體進(jìn)行探測：該方法屬于多波多分量高分辨率地震反射法，地震波的產(chǎn)生用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生，當(dāng)波束遇到波阻抗差異界面會將信號反射回來，經(jīng)過多次反射疊加形成比較明顯的信號反饋，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理便可了解前方地質(zhì)體的性質(zhì)（含水地層、斷層破碎帶、軟弱巖體等）。在得到準(zhǔn)確地質(zhì)資料的情況下，制定了確實(shí)可行的施工方法，保障了項(xiàng)目的安全實(shí)施。

2.2 變形觀測

隧洞開挖結(jié)束后，原有的地應(yīng)力會重新分布，正常情況下隨著時間的推移地應(yīng)力在7～10 d內(nèi)會逐步降低，故在隧洞開挖結(jié)束后12 d內(nèi)對圍巖變形觀測需嚴(yán)格按規(guī)范要求進(jìn)行，本項(xiàng)目采用雙分量收斂觀測儀進(jìn)行，當(dāng)圍巖變形呈逐步加大的情況，需立即停止施工，設(shè)備和人員撤離現(xiàn)場，待現(xiàn)場自然垮落穩(wěn)定后，再采用工程措施予以實(shí)施。

3 特殊地質(zhì)情況的處理方法

3.1 承壓水涌水的處理方法

在隧洞支洞開挖過程中，16#、19#支洞出現(xiàn)了水壓力大于0.5 MPa的承壓水，其中，19#支洞開挖至支洞樁號0+450處進(jìn)行風(fēng)鉆作業(yè)時瞬時涌水將施工器具淹沒，涌水倒流淹沒支洞150 m，因現(xiàn)場排水設(shè)施和用電負(fù)荷不能滿足要求，該洞口停工約1個月左右，在此期間邀請大水辦的專家及設(shè)計院進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，提出了以下解決辦法：

1）在支洞里程0+305處設(shè)立支洞集水坑容積120 m3泵站，泵站建設(shè)如下：泵站集水坑底面要低于支洞3 m左右，大小根據(jù)涌水水量來確定；基底采用噴射混凝土及土工布防滲，具體開挖尺寸為：8 m×5 m×6.5 m（長×寬×高），采用三臺75 kW、流量100 m3/h、揚(yáng)程120 m的泥漿泵（其中一臺備用），用桁架架立于集水坑內(nèi)，高于最高水位0.5 m的位置，抽水能力可以滿足需要；輸水管徑的選擇，根據(jù)水泵的設(shè)計出水管徑、排水量與抽水能力等確定，管內(nèi)平均流速在1.5～3 m/s時對管體磨損較??；本項(xiàng)目以200 m3/h的極限排水能力配備排水設(shè)施，采用兩根直徑200 mm的厚壁鐵管作為排水管道，才能夠滿足排水需要。同時每根管子上都安裝了調(diào)節(jié)水閥，平時排水量小的時候，可根據(jù)實(shí)際情況關(guān)閉一根作為備用，確保洞內(nèi)施工安全。

前期設(shè)計用電負(fù)荷不能滿足現(xiàn)場需求，經(jīng)研究決定擴(kuò)容，新增一臺400 KVA變壓器后才能滿足，故對于富水區(qū)要提前考慮架設(shè)專線確保現(xiàn)場用電負(fù)荷。

2）掌子面超前注漿

為了保證掌子面的正常施工，需要采用“排堵結(jié)合”的處理原則，首先對后續(xù)開挖段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報（TSP），結(jié)果顯示在0+405～0+431段巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙水較發(fā)育，在0+455～0+499、0+540～0+555裂隙水可能較發(fā)育，整體趨勢圍巖強(qiáng)度變化不是很大。根據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果和現(xiàn)場施工工藝，在0+405決定進(jìn)行28 m超前注漿，在0+453進(jìn)行47m超前注漿，在0+538進(jìn)行18 m超前注漿，在可能出現(xiàn)的涌水前2 m預(yù)留保護(hù)層，在鉆孔末端進(jìn)入完整巖層1 m，掌子面的鉆孔采用梅花形布置，孔間距1 m，對貼近洞壁的鉆孔預(yù)留20 cm，且沿洞軸線向洞外傾斜5°～10°。進(jìn)行鉆孔灌漿。

灌漿孔直徑不小于Φ50，采用水泥-水玻璃雙液注漿，其中水泥漿液水灰比為1∶1，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度采用51波美度，水泥漿與水玻璃體積比1∶1，根據(jù)鉆孔的位置和深度對水玻璃的濃度可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，灌漿壓力大于承壓水壓力0.5 MPa。保證洞壁5～8 m范圍內(nèi)裂隙充填水泥漿液達(dá)到止水目的。

3.2 對塌方段的處理方法

20#支洞控制主洞開挖過程中，主洞樁號64+302～64+289段在支護(hù)結(jié)束一周后，洞壁右側(cè)發(fā)現(xiàn)了明顯的變形，經(jīng)連續(xù)變形觀測發(fā)現(xiàn)收斂值達(dá)到11.3 mm/d，根據(jù)現(xiàn)場情況監(jiān)理工程師及時下達(dá)停工通知：要求人員和設(shè)備撤離現(xiàn)場，12 d后右側(cè)墻體全部垮塌，未造成人員和財產(chǎn)損失的重大損失。經(jīng)現(xiàn)場查勘該段圍巖巖性為三疊系中統(tǒng)二馬營組上統(tǒng)砂巖與泥巖互層，由于小型斷層的影響，巖石破碎且受應(yīng)力釋放沿薄弱處迸發(fā)，造成了本次塌方。

針對出現(xiàn)的問題，為防止該段巖體繼續(xù)滑塌，采取以下處理方案：

1）在64+302～64+289段自下導(dǎo)拱腳堆積高度為2m的渣體反壓。

2）對塌方體巖面進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片錨噴支護(hù)穩(wěn)定，保證巖面不再坍塌。

3）待圍巖穩(wěn)定不再滑塌后，補(bǔ)立I14鋼支撐，且設(shè)立底拱和拱架底焊接為一體。

4）為防止洞內(nèi)涌水對圍巖穩(wěn)定性及施工安全的影響，主洞64+302～64+289段采用水泥-水玻璃雙液漿注漿加。固結(jié)灌漿具體要求：在主洞塌方段輪廓線上布置注漿孔，注漿孔向外傾斜，與主洞壁夾角為15°。采用Φ42×3 mm鋼花管，L=350 cm。鉆孔孔徑為50 mm，孔深350 cm，縱環(huán)向間距100 cm，每環(huán)6根，共13環(huán)，梅花形布置，灌漿壓力0.3 MPa。

5）對主洞64+302～64+289段待鋼管支護(hù)處理完畢后，拱頂和拱腰初期支護(hù)開孔20 cm×20 cm，采用C20噴射混凝土對塌腔進(jìn)行分層回填處理，每層回填厚度不大于20 cm。

6）施工結(jié)束后對塌方體渣體及反壓渣體集中外運(yùn)至洞外渣場。

3.3 對涌砂段的處理方法

2016年3月30日20#施工支洞在隧洞支洞0+100右側(cè)拱腳處出現(xiàn)涌砂，且涌砂量有明顯加大趨勢，砂水量約7 m3/h，為避免鋼拱架上方流沙掏空，導(dǎo)致可能更大面積塌方情況出現(xiàn)，施工現(xiàn)場針對此情況及時向業(yè)主及監(jiān)理匯報了情況，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計、施工單位對現(xiàn)場做了詳盡的勘測，大家一致認(rèn)為在支洞0+065～0+150為砂卵礫石段，且隧洞穿越古河床，洞頂高程低于地表水位線，需盡快對0+100前后15 m共30 m范圍進(jìn)行工程處理，具體處理方案如下：

1）受地質(zhì)條件及環(huán)境因素的影響和控制，20#施工支洞采取“以堵為主，清水排放”的注漿堵水原則。

2）加強(qiáng)初期支護(hù)，初期支護(hù)拱腳用注漿錨管固定，一次支護(hù)加強(qiáng)。

3）初期支護(hù)底部空腔用C20混凝土回填，預(yù)留排水孔，排水管選用Φ50 PVC花管，一端用土工布包裹，一端用于排水，保證出水壓力能夠及時釋放。

4）在支洞0+85～0+115段初支與砂卵礫石間空隙采用注漿處理，灌漿漿液應(yīng)以雙液漿為主，輔以單液漿固結(jié)，做到回填密實(shí)。

5）施工過程中，采取必要的堵塞泥砂措施，避免出現(xiàn)流砂掏空。

6）對已施工段落掏空鋼拱架拱腳的部位，進(jìn)行澆筑混凝土護(hù)腳，以防因拱腳懸空，造成拱架失穩(wěn)。

4 結(jié)論與建議

針對隧洞開挖不同的特殊情況，需采取合理的措施，地質(zhì)監(jiān)測措施必須保障在前，施工方案落實(shí)在后，通過對以上施工方法的總結(jié)，為今后水工隧洞開挖工程提出新的合理化措施，與此同時，為項(xiàng)目安全順利實(shí)施提供著實(shí)有效的保障。