水工隧洞回填混凝土置換破碎松散體阻水防塌技術研究

孔羽超

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽 110000)

1 概 述

針對水工隧洞斷層及其影響破碎帶主要由松散狀、透水率高的小粒徑物質組成的特點，采用凝固后成塊狀、透水率低、抗壓強度高的混凝土進行回填、置換?；炷聊Y后，具備超強的可灌性，便于進行阻水灌漿。同時，由于混凝土具備很強的抗壓能力，方便進行管棚、小導管等施工?！盎靥罨炷林脫Q破碎松散體阻水防塌技術”是一種主動干預的治理斷層破碎帶的施工技術，施工時不是被動的等待塌方形成后進行處理，而是用鉤機等施工設備先將隧洞底部清理干凈，然后對斷層松散體進行擾動破壞，泥質松散體從斷層帶內流出，形成空腔，然后采用抗分散的混凝土進行回填，完成斷層內的物質置換，達到改善斷層組成物質、順利具備成洞條件的目的。該項技術在遼寧省重點輸供水二段工程2#洞樁號8+985斷層帶、8+788斷層帶成功應用，避免了兩次大的塌方涌水，保證了施工安全。

2 技術核心內容

1)針對不良地質段，將斷層破碎帶內松散體釋放，拱部形成大的空腔，通過施工大直徑鉆孔至空腔內，并利用孔內攝像技術對空腔情況進行調查和摸底；通過塌方體空腔調查確定回填混凝土布孔位置、角度、方向、孔徑等參數(shù)設計，最終形成最佳布孔方案，以達到回填混凝土充滿空腔的最佳效果[1]。

2)進行混凝土中添加絮凝劑的泵送混凝土配合試驗，確定相關技術參數(shù)。

3)鉆孔中安裝混凝土輸送管路，進行水下混凝土回填施工。

4)鉆設檢查孔并取芯，對混凝土置換效果進行分析總結。

3 技術適用范圍

1)斷層向隧洞前方及頂拱部位延伸，兩側巖石基本穩(wěn)定。

2)斷層帶內巖體較軟，泥質或鈣質膠結且頂拱上方溶蝕現(xiàn)象嚴重，斷層帶內以夾砂、夾碎石、塊石為主。

3)具有一定的出水量，可以將破碎松散體帶出。

4 應用案例

4.1 斷層破碎帶描述

二段隧洞樁號8+985頂拱處揭露一構造擠壓帶，帶寬10cm，灰綠色，并向前方延伸，帶內巖體糜棱巖化，左邊墻地下水呈線狀流水，其余部位巖體為大理巖，弱風化，自樁號8+985由 Ⅲb類變?yōu)棰纛悺ｉ_挖至8+987，構造擠壓帶已延伸至左掌子面，擠壓帶變寬，帶內巖體較軟，泥質或鈣質膠結且頂拱上方溶蝕現(xiàn)象較重，斷層帶內以夾砂、夾碎石、塊石為主，斷層在洞內出露部分可見寬度約為10m，斷層兩側巖石基本穩(wěn)定。經布置超前地質探孔勘查，1#孔布置在掌子面左側，距左邊墻2.2m，自目前掌子面鉆進至12m時開始出水，但水量不大，鉆至17m時出水量變大，36m時出水量為18m3/h，經地質鉆取芯15m前為坡積物，主要為砂及碎石，15-55m為破碎帶，但在取芯過程中，不卡鉆，鉆至55m時出水量變大明顯，經現(xiàn)場量測，該探孔出水量達到100m3/h，加上其它出水點，出水量達到150m3/h。2#探孔布置在右側孔，距左邊墻1.75m，經勘探1.7-5.5m為大理巖，5.5-50m為破碎帶，巖石破碎，為混合巖，巖石擠壓密實，鉆孔不卡鉆，鉆至50m時，鉆至5.7m時開始出水，鉆至33.7m時，出水量為30m3/h，鉆至50m時，出水量為80m3/h鉆探工作受出水影響，無法繼續(xù)進行。斷層帶內物質流出見圖1。

圖1 斷層帶內物質流出

4.2 回填混凝土的研制

由于斷層內具有較大的涌水，回填混凝土必須具備水中抗離散、凝結速度快的特性，因此與常規(guī)混凝土不同，回填混凝土中添加絮凝劑澆筑水下混凝土。即在普通混凝土中摻加UWB—II型絮凝劑配置而成。

4.2.1 UWB—II型絮凝劑混凝土的性能特點

UWB—II型絮凝劑混凝土是在普通混凝土中摻加UWB—II型絮凝劑配置而成。UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝劑是粉末狀混凝土外加劑，具有很強的抗分散性和較好的流動性能，水下施工時能抑制混凝土中的水泥和骨料分散，并且不污染施工水域[2]。能夠賦予普通混凝土超強的抗分散性、適宜的流動性和滿意的施工性能；從根本上解決了水下混凝土的抗分散性能、施工性能和力學性能三者之間的矛盾，真正實現(xiàn)了水下混凝土的自流平和自密實。

1)抗分散性能：Ⅱ型水下不分散混凝土7天水陸強度比在70%-85%，28d水陸強度比在80%-95%，Ⅱ型的抗分散性能提高明顯。即使受到水的沖刷作用仍然具有很強的抗分散性，混凝土配合比基本保持不變[3]。

2)塌落度保持性：Ⅱ型水下不分散混凝土完全靜停1小時，流動性基本不損失，2h流動性損失<10%，具有極佳的施工性。

3)流動性：Ⅱ型水下不分散混凝土塌擴度在500mm以上時，其和易性、保水性良好，不會出現(xiàn)離析現(xiàn)象。Ⅱ型混凝土具有更好的填充性和自密實性。

4)強度：Ⅱ型水下不分散混凝土單方混凝土用水量在200-235kg/m3，根據(jù)水灰比定律，同等的水泥材料用量，Ⅱ型混凝土具有更高的抗壓強度和黏結強度。

5)無污染：由于水下抗分散混凝土具有良好的抗水沖刷能力，因此水泥流失量很少，不會污染環(huán)境。

4.2.2 配合比設計

根據(jù)混凝土配合比性能試驗結果，考慮原材料及現(xiàn)場施工因素影響，推薦混凝土施工配合比見下表1。

表1 混凝土施工配合比 kg/m3

4.2.3 施工工藝控制

1)摻量控制：

綜合考慮不分散性能和經濟性，本次絮凝劑摻入量為膠凝材料的3%。

2)攪拌控制：

由于絮凝劑摻量較低，如攪拌不均勻或沒有充分溶解，就起不到相應的作用。因此在拌合站攪拌設定時間上比普通混凝土延長1min，設定拌合時間為180s。

3)坍落度控制：

由于混凝土直接回填進空腔內無法振搗，需自流平、自密實，因此嚴格控制出機口混凝土坍落度，一般控制在20-22cm。

4)擴展度控制：

摻加了絮凝劑的混凝土，擴展度控制在550mm左右。

4.3 回填置換方法

塌腔混凝土混凝土回填分兩次進行，回填時在止?jié){墻上布設混凝土回填孔及排水孔，并對底部石渣進行了部分清理，對止?jié){墻下部缺口進行土?；靥罴庸毯筮M行混凝土回填。施工前進行回填混凝土孔及排水孔施工作業(yè)平臺的填筑，搭設腳手架工作，施工平臺利用洞挖石渣進行填筑，腳手架按照60*60cm進行搭設，以滿足鉆機鉆孔要求，回填混凝土孔及排水孔鉆孔采用LG40型錨固鉆機及100B潛孔鉆進行施工，回填混凝土孔孔徑150mm，排水孔(兼做排氣孔)孔徑130mm，鉆孔完成安裝直徑150mm鋼管及125mm的鋼管，拆除腳手架，進行底部石渣進行清理，由于空腔內不斷塌方，如已施工完成的混凝土回填孔被堵，可再次修筑施工平臺及搭設腳手架進行重新打孔，回填孔確認按要求施工完成后迅速對混凝土止?jié){墻底部空隙采用鋼筋石籠及編織袋裝天然砂進行封堵，并在內側采用防水布進行封堵，盡量防止回填混凝土細骨料及水泥漿流失。待回填孔打好后，現(xiàn)場采用攝像機從打好的孔(已提前安裝￠100回填管)穿入，查看內部空腔實時情況，通過攝像機可看出內部巖石破碎，且滴滲水點較多，空腔較大，尤其是頂拱部位，塌腔造成的空腔高度較高，需立即對其進行混凝土換填。為保證回填混凝土時回填管不被塌方石渣堵死，應加快回填混凝土速度，回填過程中不能中斷，因此混凝土拌合選用2#洞拌合站拌制，10m3混凝土罐車，運至施工作業(yè)面進行塌腔混凝土回填施工。隧洞塌腔示意圖，見圖2；孔內攝像對空腔情況進行調查和摸底見圖3；回填置換效果圖見圖4。

圖2 隧洞塌腔示意圖

圖3 孔內攝像對空腔情況進行調查和摸底

5 結 論

在2#洞下游不良地質段施工過程中，對于極有可能發(fā)生塌方地段，通過采用混凝土置換技術，避免了兩次大塌方及涌水涌砂的發(fā)生(樁號分別為8+985、8+788)。與被動的后處理隧洞塌方進行比較，采用本技術的直接經濟效益和工期分析如下，以單掌子面為例計算。

5.1 經濟效益分析

1)采用混凝土置換破碎巖體處理塌方涌水方案：

塌方長度按10m計算，破碎巖體按400m3計算，采用混凝土置換破碎巖消耗主要材料費用如表2所示。

表2 混凝土置換消耗材料表

采用混凝土置換破碎巖方案，費用共計55萬。

2)采用常規(guī)處理塌方涌水方案：

常規(guī)處理塌方涌水方案步驟簡述如下：①8+982-8+985m部位支立鋼支撐間距80cm，并采用10#槽鋼對各榀鋼支撐進行連接；②鋼支撐施工分上下兩部分進行施工，先施工頂拱部分，并采用Φ22，L=3m，間距1.2m*1.2m系統(tǒng)錨桿進行加固；③空腔部位鋼支撐施工完成后，在空腔內設置防水布，并采用短型鋼焊接在鋼支撐上，對空腔內的防水布支撐牢固，將流水隔在防水布以外，并在空腔適當位置設置φ200mm排水管，將部分流水進行引排，減少流水對防水布的壓力；④鋼支撐上鋪設雙層φ8@20cm*20cm的鋼筋網(wǎng)，對鋼支撐至空腔內防水布之間約1m的空腔以及其它部位頂拱空腔采用逐層噴射混凝土進行封閉；⑤噴混凝土完成后，將底部石渣在不影響渣堆穩(wěn)定的情況下，將渣堆底腳清除，碼放編織袋護腳，并埋設4根直徑200mm的導水管，導水管引出止?jié){墻之外；⑥渣堆坡面采用編織袋裝砂進行碼筑封閉，并布設2*2m的固結灌漿孔，采用普通水泥摻加4%的水玻璃進行固結灌漿，灌漿完成在渣堆頂部鋪設防水布將流水壓在防水布底部，便于止?jié){墻混凝土澆筑施工；⑦在塌方部位后方澆筑底部2m厚的止?jié){墻，止?jié){墻與巖石接觸部位設置止水條，止?jié){墻基巖面清理干凈，并呈臺階狀布置在石渣上，止?jié){墻混凝土標號為C30；⑧在渣堆止?jié){墻外側布設2個直徑130mm的回填混凝土孔，鉆孔打設至空腔10m高部位，孔內插110mm鋼管，采用C30混凝土對空腔進行回填；⑨在止?jié){墻輪廓線上頂拱及腰線以下1m范圍布設直徑108mm的管棚，管棚長度25m，間距0.5m的管棚，管棚傾角上傾5°，管棚深度以穿過斷層到達上盤完整巖石，并具有一定的錨固深度為準，在跟管內安裝4根并焊在一起的Φ25的錨筋束，隨后灌入M30水泥砂漿，增加管棚的抗壓強度；⑩在頂部止?jié){墻上布置2個探水孔，探水孔孔深25m，首先在設計鉆孔位置采用100B鉆機鉆設一個孔徑130mm，孔深2m的鉆孔，安裝110mm的孔口管，孔口管利用錨固劑與鉆孔連接牢固，孔口管長2.5m，外露0.5m，并安裝閥門，最后采用80mm的鉆頭，鉆至設計孔深。探水孔可根據(jù)管棚鉆孔出水情況，確定是否進行施工。

采用常規(guī)處理塌方涌水方案消耗主要材料費用如表3所示。

表3 常規(guī)方案消耗材料表

按照常規(guī)處理塌方涌水方案，灌漿費用共計146萬。

5.2 工期對比分析

1)采用混凝土置換破碎巖體處理塌方涌水方案：

破碎體清運、混凝土回填耗時15d；

管棚鉆孔、安裝采用RPD管棚鉆機進行施工，施工效率每天30m，則耗時14d；

管棚灌漿耗時3d；

開挖按照正常Ⅳ類圍巖考慮，每天一循環(huán)進尺2.4m，則需要5d；

采用混凝土置換破碎巖體方案，工期耗時37d；

2)采用常規(guī)處理塌方涌水方案：

塌方清運、混凝土回填：考慮到塌方不定時、不連續(xù)，切無規(guī)律可循，多伴有泥漿，清運困難；并且對前次處理成果產生破壞，處理費時費力，按60d考慮；

管棚鉆孔、安裝采用RPD管棚鉆機進行施工，施工效率每天30m，則耗時14d；

管棚灌漿耗時3d；

開挖按照破碎圍巖進行施工，每循環(huán)0.5m進尺，鋼支撐加密、錨桿數(shù)量增加，按每天1.5循環(huán)考慮，則需10/0.5/1.5=13d；

采用常規(guī)處理塌方涌水方案，工期耗時90d。