淺論復(fù)雜地質(zhì)條件下引水隧洞的施工技術(shù)

羅昌民

重鋼西昌礦業(yè)有限公司 四川 西昌 615041

前言

1 工程概況

某礦山尾礦庫工程截排洪系統(tǒng)引水主隧洞全長2375m，主隧洞采用圓拱直墻式斷面，凈斷面尺寸為底寬4.5m×高5.0m，開挖毛斷面尺寸為6.2m×高6.7m，采用型鋼拱架+錨噴聯(lián)合初期支護(hù)、現(xiàn)澆C25砼二次襯砌的組合式支護(hù)方式。全線巖土層在空間分布和力學(xué)性能上存在巨大差異，隧洞圍巖地質(zhì)條件十分復(fù)雜突變，斷層發(fā)育，圍巖破碎，富水性強(qiáng)，圍巖開挖后極不穩(wěn)定。

其中K0+000至K2+079段均為Ⅴ類圍巖，隧洞洞身段將穿過土質(zhì)為含卵石砂質(zhì)粉土、粉砂、卵石、含塊石砂質(zhì)粉土、塊石及粉砂質(zhì)泥巖等土層。圍巖多變，極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)冒頂、塌方現(xiàn)象。

且場地內(nèi)有四條斷層通過，其中兩條呈近南北走向（F1、F2），兩條呈北東東走向（F3、F4），F(xiàn)1、F2斷層平面上與南溝截排洪隧洞相交，斷層上下盤均為含角礫凝灰?guī)r，近斷層巖石相對破碎，對隧洞施工將產(chǎn)生不利影響。

整個(gè)隧址區(qū)內(nèi)地下水發(fā)育，特別是在斷層破碎帶、凝灰?guī)r與玄武巖接觸帶、F1、F2、F3、F4斷層帶附近地下水較豐富。初探南溝隧洞最大涌水量達(dá)到每天10000方以上，后經(jīng)過2019年補(bǔ)充勘察，最大涌水量也要達(dá)到每天700方以上，施工極度困難[1]。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下引水隧洞的施工技術(shù)

2.1 冒頂段隧洞施工

2018年5月，主隧洞施工到K0+147時(shí)拱部出現(xiàn)涌水、突泥，拱頂出現(xiàn)冒頂，垮空區(qū)約5m長，0.5～2m高，該段圍巖為第四系中更新沖積含卵石粉土、粉砂為主，涌水量較大。為順利通過該區(qū)域，施工采取以下措施：

（1）強(qiáng)支護(hù)：加密φ42×4超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)，間距由250mm加密到100～150，單層改雙層，注漿由單液漿變雙液漿或兩種漿液結(jié)合。鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，間距由850mm加密到400～600mm。鋼筋網(wǎng)片鋼筋間距由200×200mm改為120×120mm。

（2）早封閉：掌子面一出來馬上初噴一層50～80mm厚噴射混凝土，初支完成立即噴射混凝土封閉。

解析：小磁針靜止時(shí)N極向左，則由同名磁極間相互排斥、異名磁極間相互吸引可知螺線管左側(cè)為S極，右側(cè)為N極；由安培定則可知電流由右側(cè)流入螺線管，即電源右側(cè)為正極。如圖所示：

（3）隧洞掘進(jìn)“短掘短支”：在超前管棚的掩護(hù)下進(jìn)行“短掘短支”，每400～600mm施工一榀，根據(jù)圍巖掘進(jìn)情況隨機(jī)布置；不冒進(jìn)，直至圍巖轉(zhuǎn)好。

（4）加強(qiáng)排水工作：在噴射混凝土前先預(yù)埋4～5根φ150mm塑料盲管外包土工布排水管引水，噴射混凝土封閉后拱部、墻部均埋2～3根DN42排水管，釋放水壓力。

（5）弱爆破：針對該類圍巖地段，采取弱爆破或不爆破施工，盡量減少爆破對掌子面的破壞。

2.2 富水段隧洞施工

主隧洞K1+760-K3+079段為富水段，隧洞埋深69～127m。根據(jù)2014年地勘報(bào)告揭露，其最大日涌水量達(dá)12000m3/24h，在涌水量如此巨大的地段施工隧道，其施工難度將非常大且施工造價(jià)也非常昂貴。為此，2019年公司通過對富水段進(jìn)行了補(bǔ)充勘察，通過補(bǔ)充勘探和深入研究，該富水段枯水期正常涌水量為757.78方/d，雨季最大涌水量為1136.67方/d。但該涌水量仍可能造成隧道施工中突水、突泥和片幫、冒頂事故的發(fā)生；對此，采取以下施工措施：

（1）編制專項(xiàng)施工施工方案，施工前進(jìn)行突水事故演練，準(zhǔn)備好應(yīng)急救援物資。

（2）先探水后掘進(jìn)：采取長探和短探相結(jié)合，初次長探鉆機(jī)布設(shè)在5#支隧洞內(nèi)，長探鉆孔深度60m，布設(shè)5個(gè)鉆孔，鉆孔平行于主隧洞，采用KGYX420履帶式潛孔鉆機(jī)配合φ110柱齒鉆頭鉆孔。長探探水超前掌子面不少于20m。短探在掘進(jìn)掌子面布置鉆孔5個(gè)，頂、底、左幫、右?guī)?、中心各一個(gè)，探水長度5m，超前掘進(jìn)距離為2m。

（3）工作面預(yù)注漿施工：如工作面涌水量較大，長探、短探孔排水不能有效解決涌水問題時(shí)，采用工作面預(yù)注漿的方法加固圍巖、封堵涌水的施工方法。工作面預(yù)注漿采用φ108×6mm注漿鋼花管進(jìn)行，管棚布置在拱部180°范圍內(nèi)，間距250mm，深度24m，鋼管上開設(shè)孔徑為6mm間距為150mm的溢漿孔，注漿漿液采用水泥單液漿或水泥-水玻璃雙液漿，注漿封堵完成后方可進(jìn)行掘進(jìn)施工。

（4）短進(jìn)尺掘進(jìn)施工：由于富水段地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞頂板及兩幫圍巖極易冒落，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，施工按照“淺打眼、少裝藥、小循環(huán)、放小炮”的方式進(jìn)行，炮眼深度控制在1.2米左右，每循環(huán)開挖長度不超過1m。

（5）加強(qiáng)初期支護(hù)施工：必要時(shí)可加強(qiáng)初期支護(hù)進(jìn)行施工，包括縮短型鋼拱架間距、加密超前支護(hù)小導(dǎo)管、加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片等。

（6）及時(shí)跟進(jìn)仰拱施工，確保其與側(cè)墻和拱頂鋼構(gòu)及早封閉成環(huán)；在富水段施工，仰拱滯后側(cè)墻立柱的距離要求不大于3米。

（7）堅(jiān)持施工單位負(fù)責(zé)人日夜帶班，監(jiān)理、業(yè)主值班人員加強(qiáng)巡查；業(yè)主現(xiàn)場代表、質(zhì)量安全管理員和負(fù)責(zé)人每天檢查的方式；要求施工單位嚴(yán)格按專項(xiàng)方案施工，對施工中出現(xiàn)的任何異?，F(xiàn)象立即制定措施處理，及時(shí)消除各種安全隱患。

2.3 粉砂質(zhì)泥巖段隧洞施工

主隧洞K1+000-K1+060段圍巖為粉砂質(zhì)泥巖，圍巖中塊石含量極低，弱固結(jié)，地下水以孔隙潛水為主，富水性較差，洞身開挖后呈雨滴狀從泥巖中滲出。圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴(yán)重，易出現(xiàn)大面積塌方現(xiàn)象。該段隧洞施工采取以下措施：

（1）短開挖：該段圍巖強(qiáng)度低，不進(jìn)行爆破即可進(jìn)行開挖作業(yè)，每次開挖進(jìn)尺控制在1～1.5米左右，分臺階開挖，先上臺階，后下臺階。

（2）強(qiáng)支撐：超前預(yù)支護(hù)采用φ108×6mm注漿大管棚支護(hù)，長24m，拱頂135°范圍內(nèi)布置，間距250mm，注水泥單液漿固結(jié)圍巖后方可進(jìn)行開挖作業(yè)。開挖完成后立即進(jìn)行型鋼拱架（I20b工字鋼，每榀間距850mm）+錨桿+雙層φ8@200×200鋼筋網(wǎng)片+C20噴射混凝土初期支護(hù)進(jìn)行封閉。視初期支護(hù)穩(wěn)定情況可進(jìn)一步加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度。包括縮短型鋼拱架間距、加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片等等。

（3）勤量測：初支完成后布置變形監(jiān)控量測點(diǎn)，加強(qiáng)變形監(jiān)控量測，前期一周內(nèi)堅(jiān)持每天量測，后期一個(gè)月內(nèi)每三天量測一次。隧洞收斂值及沉降變形值控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（4）空腔處理：該段隧洞在超前大管棚與初期鋼拱架支護(hù)間由于圍巖自身不穩(wěn)定而形成空腔，針對該問題的處理措施為在初期支護(hù)噴射混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后對空腔進(jìn)行混凝土回噴充填密實(shí)。

2.4 膨脹性圍巖段隧洞施工

主隧洞K1+770-K1+780有一段約10m的圍巖以強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖化凝灰?guī)r為主，地理裂隙發(fā)育，富水性較好，開挖后構(gòu)造裂隙水呈雨滴狀或細(xì)流狀從裂隙中滲出，開挖后右側(cè)邊墻圍巖中夾帶部分膨脹性高嶺土，遇水膨脹，將已支護(hù)好的邊墻鋼拱擠壓變形，將對今后的二襯鋼筋混凝土產(chǎn)生不利影響，特對該段圍巖作如下處理：

（1）拆除：拆除已變形的初期支護(hù)的型鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)片、噴身混凝土等。剔除已遇水膨脹變得松散的圍巖至較原生的圍巖。

（2）注漿固結(jié)圍巖：對該段圍巖進(jìn)行注漿固結(jié)，注漿孔深入圍巖2米以上，漿液采用1∶0.5水泥單液漿，改變圍巖性質(zhì)，使其不會再遇水膨脹。

（3）充填：對已剔除的圍巖空洞用C20噴射混凝土充填密實(shí)，保證初期支護(hù)壁后的墻體強(qiáng)度。

（4）恢復(fù)：恢復(fù)已拆除初期支護(hù)結(jié)構(gòu)[2]。

3 結(jié)束語

隧洞施工必然會遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，針對不同的地質(zhì)狀況，采取安全有效的施工技術(shù)措施，可減少種類工程事故的發(fā)生。本尾礦庫工程引水隧洞經(jīng)過兩年多的緊張施工，于2020年9月完成施工。為攀西地區(qū)類似地質(zhì)條件下的隧洞施工積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒意義。