某引水隧洞工程穿越巖溶區(qū)圍巖處理措施

陳旭盛

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130000)

1 概述

某引水工程采用TBM工法,成功穿越7.6km 巖溶區(qū),證實了前期確定穿越巖溶區(qū)的正確性。穿灰?guī)r線路方案施工工期為32 個月,繞灰?guī)r線路方案工期為41.3 月。穿灰?guī)r線路方案從飲馬河進(jìn)口進(jìn)入TBM3 掘進(jìn)段較短,能夠充分發(fā)揮TBM掘進(jìn)效率。其工期較繞灰?guī)r線路方案短9.3 個月。穿灰?guī)r線路方案總投資102148.21 萬元,繞灰?guī)r線路方案總投資126921.50 萬元。

2 巖溶區(qū)地質(zhì)條件

總干線在石門子河至飲馬河段線路的地質(zhì)巖性主要以石灰?guī)r為主,地層巖性主要為古生代石炭系與泥盆系灰?guī)r、石炭系凝灰?guī)r、三疊系凝灰?guī)r、侏羅系凝灰?guī)r等。共穿越斷層9 條,物探低阻異常帶15 條,遙感解譯斷層5 條,4 處物探低阻區(qū)。

石炭系灰?guī)r礦物成份CaO 含量多數(shù)大于96%,巖脈巖性以蝕變安山巖和玄武巖為主,巖溶充填物紫紅色粘土主要殘積成因,灰色粘土屬于后期外來充填或可溶巖中非溶巖夾層充填。

巖溶發(fā)育主要為溶蝕現(xiàn)象,溶洞或溶縫較少,該地區(qū)的溶槽、溶孔、溶隙巖溶均發(fā)育在淺部,對開挖隧洞影響很小。線路的主要工程地質(zhì)問題是涌水、涌泥和可能遇到空洞。發(fā)生大規(guī)模涌水突泥的概率不大。

本工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料,穿灰?guī)r線路方案的巖溶現(xiàn)象可分為:

①從充填特性及充填物性質(zhì)上屬于充填粘土含碎石型巖溶；②從巖溶形態(tài)及規(guī)模上主要屬于溶蝕裂隙、溶蝕寬縫和小型溶洞,其中以溶蝕裂隙和溶蝕寬縫為主；③從涌水量上屬于少量涌水型～中等涌水型巖溶。

圖1 揭露溶洞照片

圖2 支護(hù)照片

圖3 典型地質(zhì)照片

3 穿越巖溶區(qū)支護(hù)與襯砌設(shè)計

總干線隧洞穿越巖溶區(qū)以Ⅲ類圍巖為主,TBM 法支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù):支護(hù)參數(shù)C20 噴混100,C25 鋼筋砼襯砌300,頂拱120°范圍布置錨桿φ22@1200,L=2.5m,掛設(shè)φ8@200鋼筋網(wǎng)。鉆爆法支護(hù)參數(shù):C20 噴混120,C25 鋼筋砼襯砌300,頂拱120°范圍布置錨桿φ22@1200,L=2.5m,掛設(shè)φ8@200 鋼筋網(wǎng)。

4 穿越巖溶區(qū)圍巖處理

穿越巖溶區(qū)施工過程中主要產(chǎn)生的問題是揭露溶洞溶腔時局部的塌方以及涌水,在掘進(jìn)過程中已采用工字鋼以及鋼筋網(wǎng)對揭露溶洞溶腔進(jìn)行了初期支護(hù)處理,后期,對已揭露的溶洞進(jìn)行C20 細(xì)石混凝土進(jìn)行填充、加固處理；對于已揭露溶蝕裂縫、溶蝕寬縫等進(jìn)行水泥漿填充、加固處理。同時,為了滿足隧洞襯砌后與巖體聯(lián)合受力的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求；保證隧洞襯砌工程質(zhì)量,確保工程通水運行期間的輸水安全,決定對該段灰?guī)r區(qū)兩倍開挖洞徑范圍內(nèi)的溶洞、溶腔、溶蝕裂隙等巖溶進(jìn)行探測及固結(jié)灌漿處理。

灌漿加固深度按洞徑和水力滲透梯度要求確定,灌漿壓力根據(jù)內(nèi)水壓力及圍巖條件綜合確定。根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》(DL/T5195-2004、SL279-2002)要求,固結(jié)灌漿孔深入圍巖的深度不小于1 倍的隧洞半徑,灌漿壓力為1～2 倍的內(nèi)水壓力；同時按圍巖抗?jié)B穩(wěn)定要求,參考類似工程經(jīng)驗,灌漿壓力取0.3～1.5Mpa,灌漿深度取5m,灌漿孔間距Ⅳ類圍巖取3m×3m,Ⅴ類圍巖取2m×2m。一般溶蝕裂隙或溶孔發(fā)育洞段灌漿深度取3m。

5 穿越巖溶區(qū)后期處理

該段隧洞完成二次襯砌以及回填灌漿工作完成后,建設(shè)單位委托第三方機(jī)構(gòu)對灰?guī)r區(qū)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了一次全面探測,探測出多處異常區(qū),探測結(jié)果多為溶洞溶腔、溶蝕裂縫。(表1)

表1 某段右拱肩檢測異常推斷統(tǒng)計表

為此,根據(jù)巖溶的不同規(guī)模擬采取5 種方案:(1)對于無填充溶洞采用C20 細(xì)石混凝土在隧洞開挖兩倍洞徑范圍內(nèi)由遠(yuǎn)及近進(jìn)行填充；對半填充溶洞采用水泥砂漿進(jìn)行填充；對全填充溶洞采用水泥漿進(jìn)行加固。(2)對于無填充溶蝕寬縫、溶蝕裂縫采用水泥砂漿進(jìn)行填充；對半填充及全填充溶蝕寬縫、溶蝕裂縫采用水泥漿進(jìn)行加固。(3)對于對溶孔、小溶腔采用水泥漿進(jìn)行加固。(4)對于出水量較大的采用水泥漿結(jié)合化學(xué)漿液進(jìn)行注漿堵水(5)對于存在隱伏溶腔、溶洞的IV、V 類圍巖段,注漿加固處理灌漿孔布置應(yīng)與固結(jié)灌漿鉆孔布置相結(jié)合。

圖4 隧洞施工支護(hù)襯砌斷面圖

但是,實際施工時產(chǎn)生了許多問題,一是地質(zhì)雷達(dá)探測出多處異常區(qū),探測結(jié)果多為溶洞溶腔、溶蝕裂縫,經(jīng)過實地鉆孔探查,發(fā)現(xiàn)實際存在的空腔很少,且全部為小型的溶蝕裂縫,二是溶蝕裂縫延伸遠(yuǎn),大量涌水且注漿量極大。增加了費用影響了通水目標(biāo)。

在多次會議就有關(guān)問題進(jìn)行研討,并積極咨詢專家協(xié)助下,對處理方案進(jìn)行了如下優(yōu)化:

(1)對無填充溶洞,采用C20 細(xì)石混凝土回填一倍洞徑厚度,對于回填灌漿圈以外的隱伏溶洞不進(jìn)行處理,對半填充及全填充溶洞先進(jìn)行沖洗后用C20 細(xì)石混凝土置換；(2)對溶蝕裂縫采用水泥漿進(jìn)行填充,水泥漿水灰比1:2；(3)對于鉆孔內(nèi)無空腔的孔,在清除孔內(nèi)積水與污物后,使用干硬性水泥砂漿封填密實,孔口壓抹齊平。施工過程中為了防止注漿壓力過大使空腔擴(kuò)大,必須使注漿壓力保持在0.2-0.3Mpa,并控制注入量在30L/min 以內(nèi)。(4)本工程為城市供水工程,注漿材料不建議采用化學(xué)灌漿。

現(xiàn)舉出一處巖溶處理措施如下:

施工單位結(jié)合物探成果與物探擬定范圍進(jìn)行鉆孔復(fù)核,鉆孔采用梅花樁式,間隔為2.5m,深度鉆至物探成果擬定隧洞最大范圍處,使用針孔攝影設(shè)備探測鉆孔內(nèi)實際情況并由地質(zhì)專業(yè)人員確認(rèn)是否有空腔并對內(nèi)部情況進(jìn)行描述,后由設(shè)計人員現(xiàn)場擬定是否進(jìn)行處理及出具處理方案。(1)樁號XX+xxx～XX+xxx 段(YR178)共布置6 個孔,分布在左側(cè)腰線,實際孔深2.5m。該段開挖揭露巖性為泥盆系中下統(tǒng)灰?guī)r,弱風(fēng)化,淺灰色,結(jié)晶結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造。開挖確定為IIIb 類圍巖。物探成果推斷為充水溶洞。起始深度1.5m,終止深度2.5m,長度14.0m,深度1.0m。鉆孔YR178-1-1、YR178-2-1、YR178-3-1、YR178-6-2,巖體完整,潮濕。鉆孔YR178-4-2,1.0～1.3m 處見0.3m 溶蝕裂隙,巖體破碎,潮濕。鉆孔YR178-5-1,1.0m、2.5m 處見線流狀出水點,1.5～1.7m 見0.2m 溶蝕裂隙,2.5～2.6m 見0.1m 溶蝕裂隙,巖體局部破碎。鉆孔YR178-5-1,鉆孔過程發(fā)生卡鉆現(xiàn)象。

(2)根據(jù)地質(zhì)描述,現(xiàn)對該處灰?guī)r巖溶加固處理方案如下:a.對于出水的鉆孔,先進(jìn)行堵水；b.堵水后,對該范圍進(jìn)行加固處理,使用水泥漿對裂隙進(jìn)行填充；c.注漿壓力保持在0.2～0.3Mpa；注入量控制在30L/min 以內(nèi),若累計注灰量大于3t 時,需待凝4～8h；注入量低于15L/min 即可停止灌漿。

圖5 YR178 成孔照片

6 效果

該工程已于2021 年7 月7 日開始向隧洞內(nèi)充水,目前滿負(fù)荷狀態(tài)超過三個月,運行工況正常,無滲漏現(xiàn)象。

圖6 YR178-4-2 孔內(nèi)照片

圖7 YR178-4-2 孔內(nèi)照片(可見溶蝕裂隙)

7 結(jié)論

7.1 宜結(jié)合TBM掘進(jìn)期超前地質(zhì)預(yù)報、圍巖涌水等特征判定偏大溶腔位置、特征等。

7.2 此段偏大的溶腔宜在二次襯砌前處理。

7.3 地質(zhì)雷達(dá)探測出的異常區(qū)需要大量實測成果驗證,不宜在圍巖襯砌結(jié)束后進(jìn)行。易影響工程正常進(jìn)度。