水工隧洞富水高地應(yīng)力洞段擠壓變形處理

黃成洋

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

水工隧洞在灌溉、發(fā)電、供水、泄水、輸水、施工導(dǎo)流和通航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。西南地區(qū)的水工隧洞多有斷面小、地下水豐富、高地應(yīng)力、圍巖破碎、軟巖變形等特點，施工難度大、安全風(fēng)險高。施工過程中若對不良地質(zhì)不能妥善處理，可能會發(fā)生拱架擠壓變形、突泥涌水、圍巖坍塌等事故，威脅施工人員的人身安全，施工質(zhì)量及進(jìn)度也得不到保證[1]。相關(guān)人員必須對水工隧洞富水高地應(yīng)力洞段擠壓變形高度重視，合理選擇相應(yīng)的處理措施，及時對開挖洞段進(jìn)行處理，確保施工正常進(jìn)行[2]。

1 工程概況及變形情況概述

滇中引水工程大理Ⅱ段施工3標(biāo)位于大理白族自治州賓川縣。本隧洞斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸9.2m×9.2m。襯砌厚度為0.4～0.7m，嚴(yán)重及極嚴(yán)重變形的軟巖洞段及跨活動斷裂擴(kuò)挖斷面襯砌厚度為0.8m。該變形洞段圍巖等級為V級，圍巖巖性為青灰色凝灰質(zhì)玄武巖夾凝灰質(zhì)擠壓破碎帶，處于掌子面拱腰位置，破碎帶發(fā)育寬度0.5～0.8m，破碎帶內(nèi)，巖體呈碎塊—碎屑散體結(jié)構(gòu)，擠壓軟弱泥化夾層發(fā)育。

2021年6月17日凌晨4時，DLII38+406～DLII38+407段出現(xiàn)輕微變形，掌子面及已完成初支處水量呈滲水及滴水狀態(tài)；至6月18日早上8時，經(jīng)復(fù)測對比，DLII38+398.6～DLII38+413都存在不同程度的沉降，DLII38+403～DLII38+413沉降收斂較為明顯。6月18日晚上22點DLII38+403～DLII38+413拱架基本失效，出現(xiàn)了扭曲變形掉落的現(xiàn)象。最終確定擠壓變形洞段為DLII38+385～DLII38+413(28m)，且擠壓變形段有向小里程方向延伸趨勢。施工現(xiàn)場情況見圖1。

圖1 拱架變形及掌子面出水情況

2 現(xiàn)場監(jiān)控情況

2.1 圍巖監(jiān)控量測情況

隧洞變形段(DLII38+385～DLII38+413)附近圍巖監(jiān)控量測共布設(shè)7個斷面，分別在DLII38+385、DLII38+390、DLII38+395、DLII38+400、DLII38+402、DLII38+405.2、DLII38+409.4處。每個監(jiān)測斷面設(shè)一個拱頂沉降點A點和2條線進(jìn)行水平收斂監(jiān)測。

DLII38+400、DLII38+402、DLII38+405.2、DLII38+409.4收斂沉降觀測斷面受圍巖嚴(yán)重收斂變形影響(最大變形量達(dá)142cm)，已隨初期支護(hù)掉塊、圍巖垮塌而破壞，無法監(jiān)測。

DLII38+395、DLII38+390由于掌子面堆渣反壓，無法監(jiān)測。

DLII38+385處拱頂A點累計沉降6mm，上臺階周邊累計水平收斂2mm，已經(jīng)穩(wěn)定。

2.2 初期支護(hù)斷面侵限監(jiān)測情況

采用三維激光斷面掃描儀進(jìn)行了斷面監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，上臺階DLII38+385～DLII38+413段均出現(xiàn)不同程度侵占二次襯砌斷面現(xiàn)象(圖2中紅色區(qū)域)。

圖2 三維激光斷面掃描儀觀測立體圖

2.3 隧洞涌水量統(tǒng)計

經(jīng)統(tǒng)計，2021年6月19日涌水量由131.75m3/h增大到238.94m3/h，6月20日晚上涌水量繼續(xù)增加至334.61m3/h。6月21日，涌水量稍有減小，基本穩(wěn)定在260～280m3/h左右，掌子面附近涌水量為130m3/h。洞內(nèi)抽水流量見表1。

表1 洞內(nèi)抽水流量

2.4 物探鉆探情況

物探顯示，DLⅡ38+380～DLⅡ38+419段，地震反射信號較強，呈巨片狀、小塊狀分散分布，解釋推測該洞段地層巖性為凝灰質(zhì)玄武巖夾凝灰?guī)r，位于擠壓破碎帶，巖體較破碎，凝灰?guī)r遇水易軟化，在中—高地應(yīng)力作用下易變形。該洞段施工掘進(jìn)過程中，存在擠壓變形和塌方破壞風(fēng)險，洞壁發(fā)育線狀、股狀流水，局部存在涌水突泥風(fēng)險，圍巖極不穩(wěn)定，預(yù)判圍巖類別為Ⅴ類。

超前探孔鉆進(jìn)速度及鉆取渣樣表明，DLII38+384.9～DLII38+414.9段巖性為凝灰?guī)r，鉆孔無地下水出露，DLII38+398～DLII38+403段鉆進(jìn)速度較快，巖體呈強風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

3 原因分析

根據(jù)地質(zhì)縱斷面圖，隧洞正在穿越向斜構(gòu)造、高地應(yīng)力地段，隧洞埋深約600m，該段為V類圍巖不良地質(zhì)洞段，弱風(fēng)化凝灰質(zhì)玄武巖Rb為10～15MPa，Kv為0.30～0.35，強度應(yīng)力比S為0.20～0.30，加上殘留的構(gòu)造應(yīng)力，地應(yīng)力σm約20MPa，隨著隧洞開挖向斜核部推進(jìn)，地應(yīng)力作用及地下水不利影響越發(fā)明顯。

隧洞開挖完成后，地應(yīng)力不斷調(diào)整、釋放，使得圍巖變得松弛，涌水量也變大，短時間內(nèi)地層應(yīng)力二次重分布，同時地下水位變化加速了高地應(yīng)力擠壓變形作用發(fā)展的速度。上臺階開挖完成后不能及時完成初期支護(hù)工序轉(zhuǎn)換，無法及時完成初期支護(hù)封閉成環(huán)，高地應(yīng)力及地下水共同作用造成初期支護(hù)鋼拱架扭曲擠壓變形[3]。

4 處理總體思路

在上述施工條件下，為避免高地應(yīng)力影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大或延伸，及時對已完成開挖支護(hù)的洞段進(jìn)行反壓回填。隨后采用高地應(yīng)力洞段的強支護(hù)的施工理念，進(jìn)一步擴(kuò)大超前預(yù)固結(jié)的范圍、加密超前大管棚環(huán)向間距以為初期支護(hù)形成作用體系爭取時間，通過增加冗余設(shè)計變形量減小初期支護(hù)侵占襯砌斷面的可能，同時將原設(shè)計初期支護(hù)鋼拱架由單層拱架調(diào)整成雙層拱架支護(hù)進(jìn)一步加強初期支護(hù)強度[4]。

處理總體思路：明水引排、堆渣反壓回填→止?jié){墻施工→徑向固結(jié)灌漿→超前預(yù)固結(jié)灌漿→超前大管棚施工→超前探孔施工→拆換拱→二次開挖支護(hù)→加強變形觀測。

5 施工步驟及方案

5.1 明水引排、堆渣反壓

為減小擠壓變形段落進(jìn)一步擴(kuò)大，立即從渣場拉洞渣至洞內(nèi)對擠壓變形段進(jìn)行回填反壓，反壓回填施工樁號為DLII38+385～DLII38+413。渣體回填遵循“安全第一、邊觀察邊回填、出現(xiàn)異常情況第一時間撤離”的原則進(jìn)行，盡快完成對收斂變形段兩側(cè)拱腳的反壓，形成臨時橫撐作用，逐層回填至變形段拱頂處[5]?；靥钤线x用粒徑不小于30cm的塊石，以形成渣體內(nèi)部暢通的排水通道。渣體回填過程中應(yīng)對集中出水、股狀涌水處采用φ108排水管進(jìn)行引排，排水管應(yīng)采用鋼花管(側(cè)壁打φ15孔，間距30cm，梅花形布孔)，采用土工布對端頭及外側(cè)進(jìn)行包裹，以形成反濾效果。

5.2 止?jié){墻施工

渣體反壓之后噴射C20混凝土進(jìn)行封閉，掌子面封閉厚度1.5m(作為下步超前大管棚、超前預(yù)灌漿止?jié){墻)。止?jié){墻噴射混凝土采用分層掛網(wǎng)方式分層噴射至設(shè)計厚度，每層噴射混凝土厚度按照20cm進(jìn)行控制，每層噴射前預(yù)埋直徑25mm螺紋鋼筋作為層間連接鋼筋，同時作為噴射混凝土厚度標(biāo)志使用(間距1.0m，排距1.0m，梅花形布置)，每層掛設(shè)φ6鋼筋網(wǎng)片以增加噴射混凝土整體性。

為保證止?jié){墻后方水體能順利排出，噴射混凝土前應(yīng)在墻體內(nèi)部預(yù)埋引流排水管[6]，排水管(φ200)側(cè)壁不開孔，靠近渣體側(cè)用土工布包裹形成反濾體。排水管布設(shè)數(shù)量根據(jù)實際需要而定，以確保止?jié){墻后方水體能順利排出，不影響止?jié){墻施工為度。止?jié){墻見圖3。

圖3 止?jié){墻施工示意圖(單位：cm)

5.3 徑向固結(jié)灌漿

為避免變形影響段范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，超前預(yù)灌漿及超前大管棚施工之前首先對DLII38+377.5～DLII38+383.5段上臺階(7.8m高)進(jìn)行固結(jié)灌漿，固結(jié)灌漿孔間距1.5m，排距1.5m，梅花形布置，深度4.5m，孔內(nèi)安裝φ42小導(dǎo)管，小導(dǎo)管在前部鉆注漿孔，孔徑10mm，孔間距15cm，梅花形布置，前端加工成錐形，尾部1.5m不開孔，作為止?jié){段，注漿壓力不大于1MPa。徑向固結(jié)灌漿見圖4。

圖4 徑向固結(jié)灌漿橫斷面示意圖(單位：cm)

5.4 超前預(yù)灌漿施工

高地應(yīng)力擠壓變形處理段為DLII38+383.5～DLII38+423.9段，分三循環(huán)進(jìn)行超前預(yù)灌漿及超前大管棚施工。

高地應(yīng)力擠壓變形洞段超前預(yù)灌漿共3個循環(huán)：第一循環(huán)施工段長20.63m(DLII38+383.5～DLII38+404.00)；第二循環(huán)施工段長17.71m(DLII38+396.00～DLII38+414.00，DLII38+396.00～DLII38+399.00只鉆孔不注漿)；第三循環(huán)施工段長17.71m(DLII38+406.00～DLII38+424.00，DLII38+406.00～DLII38+409.00只鉆孔不注漿)。第二、三循環(huán)超前預(yù)灌漿利用止?jié){塞孔口段只鉆孔不注漿，保證兩循環(huán)之間注漿巖盤搭接5m。

每循環(huán)超前預(yù)灌漿共設(shè)67孔，分A環(huán)、B環(huán)、C環(huán)。A環(huán)共30個孔(第一循環(huán)孔深22.2m，外插角度24°；第二、三循環(huán)孔深19.4m，外插角度24.2°)，B環(huán)共23個孔(第一循環(huán)孔深21.4m，外插角度16°；第二、三循環(huán)孔深18.6m，外插角度18°)，C環(huán)共14個孔(第一循環(huán)孔深20.94m，外插角度10°；第二、三循環(huán)孔深18.0m，外插角度11°)，形成邊頂拱開挖輪廓線外8m、底板開挖輪廓線外4.5m范圍內(nèi)的穩(wěn)定固結(jié)圈。

5.5 超前大管棚施工

DLII38+385～DLII38+423.94段超前大管棚施工參數(shù)：分三個循環(huán)施作，第一個循環(huán)長度20.83m(5.83m+15.0m)，第二、第三循環(huán)長度17.87m(2.87m+15.0m)，因高地應(yīng)力擠壓變形洞段處理需要進(jìn)行擴(kuò)挖，第一循環(huán)超前大管棚前5.83m及第二循環(huán)、第三循環(huán)超前大管棚前2.87m需在擴(kuò)挖斷面時進(jìn)行割除，因此對每循環(huán)管棚進(jìn)行了適當(dāng)加長，保證在換拱過程中割除管棚之后剩余有效長度為15m，兩循環(huán)搭接長5m。

超前大管棚外插角8°，共布設(shè)54孔，外徑108mm，壁厚6mm，施作范圍拱部180°，環(huán)向間距30cm。超前大管棚參數(shù)見表2，超前大管棚孔位布置見圖5。

表2 超前大管棚參數(shù)

圖5 超前大管棚孔位布置示意圖(單位：cm)

5.6 超前探孔施工

每循環(huán)超前大管棚施作完成后，開挖之前，在頂拱120°范圍內(nèi)均勻布設(shè)6個超前探孔兼做排水孔。

超前探孔的主要作用是探明擠壓變形段具體分布長度、高度、走向等[7]，為下步方案優(yōu)化調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時超前探孔可做泄壓排水孔使用，防止掌子面上方地下水因排水不暢形成承壓水，減小施工安全隱患。超前探孔外插角25°，孔深30m，在孔內(nèi)埋設(shè)φ108排水花管(側(cè)壁打φ15孔，間距30cm，梅花形布孔)，保證施工期間排水通暢。

5.7 換拱及二次開挖支護(hù)

高地應(yīng)力擠壓變形換拱及后續(xù)開挖支護(hù)按照四臺階開挖支護(hù)進(jìn)行[8]，各臺階高度按照如下高度進(jìn)行控制：一臺階高度應(yīng)不大于3m，二臺階高度2.9m，三臺階高度2.3m，四臺階高度3.3m。每臺階施工循序漸進(jìn)，開挖進(jìn)尺不超過0.8m(一榀拱架)，各臺階施工長度控制在5m以內(nèi)。

為避免后期再次出現(xiàn)擠壓變形導(dǎo)致拱架侵占襯砌斷面，采用增加冗余預(yù)留變形量設(shè)計，重新支護(hù)參數(shù)在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，預(yù)留變形量增加25cm。DLII38+383.5～DLII38+385為標(biāo)準(zhǔn)型支護(hù)形式，DLII38+385～DLII38+385.5為漸變段，DLII38+385.5～DLII38+413為雙層拱架預(yù)留25cm變形量段。漸變段開挖支護(hù)見圖6。

圖6 漸變段開挖支護(hù)示意圖(單位：cm)

按照強支護(hù)的支護(hù)理念加強初期支護(hù)。二次擴(kuò)挖初期支護(hù)采用雙層I20a工字鋼加強初期支護(hù)，用10號槽鋼代替原設(shè)計聯(lián)系筋，每隔10m斷開縱向槽鋼連接。三臺階施工完成后于底板處增設(shè)臨時橫撐。底板開挖完成后，參照加強型支護(hù)斷面對隧洞底部初期支護(hù)增設(shè)I20a工字鋼作為永久橫撐，盡早封閉成環(huán)。永久橫撐施工完成后及時澆筑C20混凝土墊層并回填厚度不小于50cm的碎石墊層起到臨時保護(hù)作用。噴錨厚度0.4m，噴射混凝土采用鋼纖維混凝土。開挖施工一臺階因操作空間有限，立架完成后施工短鎖腳錨管L=2.0m，待操作空間具備條件后，施工長鎖腳錨管L=4.5m。二臺階、四臺階直接施作雙排注漿鎖腳錨管，L=4.5m，三臺階鎖腳處設(shè)雙排φ76無縫鋼管并進(jìn)行注漿，L=6m。鎖腳錨管見圖7。

圖7 鎖腳錨管示意圖

5.8 排水孔施工

為避免地下水因排水通道不暢而形成承壓水，對DLII38+385～DLII38+413段將原有排水孔(φ50)擴(kuò)大為直徑為76mm，深度加深為8m。

5.9 監(jiān)控量測

對高地應(yīng)力變形影響段DLII38+355～DLII38+385段初支面及高地應(yīng)力變形段DLII38+385～DLII38+413段開挖支護(hù)之后增設(shè)沉降觀測點，每5m布設(shè)一個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面同樣設(shè)一個拱頂沉降點A點和2條線進(jìn)行水平收斂監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每日2次，直至該變形段施工結(jié)束，同時應(yīng)使用三維激光掃描儀對后方初支面進(jìn)行全方位監(jiān)測，監(jiān)測頻率為每日1次，直至該變形段施工結(jié)束。

6 結(jié) 語

該工程施工中，在應(yīng)對水工隧洞富水高地應(yīng)力洞段擠壓變形時，將堆渣反壓回填、止?jié){墻、徑向固結(jié)灌漿、超前預(yù)固結(jié)灌漿、超前大管棚施工等施工方法有機結(jié)合，有效解決了富水高地應(yīng)力洞段變形突發(fā)性強、風(fēng)險性高、進(jìn)度緩慢等難點，取得了較好效果，可為類似水工隧洞工程提供借鑒。