引水隧洞斷層破碎帶初次支護(hù)變形搶險(xiǎn)淺析
——以山西省小浪底引黃工程施工Ⅴ標(biāo)7號(hào)支洞控制主洞下游為例

(山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 運(yùn)城 044000)

1 工程簡(jiǎn)介

山西省小浪底引黃工程位于山西省南部的運(yùn)城市境內(nèi)，工程總體走勢(shì)為東南—西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫(kù)區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。工程南靠黃河，北到涑水河流域與臨汾市接壤，東面和晉城市相連，工程地跨運(yùn)城市中東部大部分縣市。工程建設(shè)任務(wù)是為運(yùn)城鹽湖區(qū)、聞喜、絳縣、夏縣、垣曲五縣(區(qū))提供農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水，工程年引水量2.47億m3。工程引水干線建筑物主要包括輸水隧洞、進(jìn)水塔、低下泵站、板澗河調(diào)蓄水庫(kù)和末端呂莊出水池。輸水隧洞干線總長(zhǎng)59.6km，布設(shè)有兩條隧洞和一座箱涵，縱坡為1/3000。其中，1號(hào)隧洞為圓形壓力隧洞，長(zhǎng)5.77km，洞徑5m；2號(hào)隧洞為無(wú)壓自流隧洞，長(zhǎng)52.8km，隧洞為城門洞形，寬3.8m，頂拱為半圓形，總凈高5m。

本文選擇的施工Ⅴ標(biāo)7號(hào)支洞及其控制主洞(樁號(hào)23+295～26+860)即為小浪底引黃工程2號(hào)隧洞的一部分，支洞及其控制主洞位于中條山東麓群山內(nèi)，隧洞埋深180～320m；由于引水隧洞斷面較小，采用先開(kāi)挖、初次支護(hù)后混凝土襯砌的施工工藝，鋼筋混凝土襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，襯砌厚度為Ⅲ類圍巖300mm、Ⅳ類圍巖350mm、Ⅴ類圍巖400mm。

2 地質(zhì)情況

山西省小浪底引黃工程7號(hào)支洞控制主洞下游樁號(hào)25+234～25+271洞段埋深約200m左右，地層為元古界震旦系上統(tǒng)許山組(Z1x)凝灰質(zhì)安山巖與擔(dān)山石組(Z1d)含礫石英砂巖，安山巖超覆于擔(dān)山石組之上，為角度不整合接觸。在此附近區(qū)域?yàn)橹袟l山山前大斷裂帶，大斷裂帶影響上盤約935m，大斷裂帶上盤為許山組(Z1x)凝灰質(zhì)安山巖夾雜少量黏土巖、石英角礫巖，斷裂帶下盤為擔(dān)山石組(Z1d)含礫石英砂巖，巖體松散，為碎塊狀結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)巖碎塊、斷層泥和古風(fēng)化殼強(qiáng)風(fēng)化的殘留物混合物，巖石完整性、穩(wěn)定性均較差。本洞段地下水豐富，多為巖石裂隙水，開(kāi)挖后頂部滲水量瞬間增大，后又逐漸減小。7號(hào)支洞下游斷層破碎帶所處地質(zhì)構(gòu)造位置見(jiàn)圖1。

圖1 7號(hào)支洞控制主洞斷層破碎帶所處地質(zhì)構(gòu)造位置

3 開(kāi)挖及變形搶險(xiǎn)處理過(guò)程

3.1 開(kāi)挖期間塌方處理

斷層破碎帶和角度不整合接觸帶巖體完整性和穩(wěn)定性極差，開(kāi)挖期間樁號(hào)25+258拱頂部整體坍塌，形成坍塌空腔，坍塌空腔深度0.5～1.5m，長(zhǎng)約2～2.6m，塌方量約40m3。

塌方發(fā)生后，參建四方(建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位)立即現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)會(huì)討論，暫定初步處理方案：?對(duì)塌方段用I20a鋼拱架支護(hù)，間距0.8m；?每榀鋼拱架打設(shè)一環(huán)超前小導(dǎo)管并灌漿(φ42，L=3m，每環(huán)32根)；?打設(shè)系統(tǒng)錨桿(間排距1m，φ25，L=2m)；?全斷面掛鋼筋網(wǎng)片(φ8,150mm×150mm)；?對(duì)塌方空腔噴C20混凝土進(jìn)行回填；?對(duì)掌子面后方已開(kāi)挖的10m洞段(樁號(hào)25+246.5～25+255.5)增加10榀I20a型鋼拱架進(jìn)行加固處理施工，對(duì)該洞段塌方處理至樁號(hào)25+261。

根據(jù)上述方案處理完成后，持續(xù)進(jìn)行了收斂變形監(jiān)測(cè)，約40天后圍巖基本趨于穩(wěn)定，累計(jì)收斂變形值最大32mm，未超過(guò)該埋深最大允許變形值的90%(72mm)。

3.2 圍巖及拱架發(fā)生嚴(yán)重變形后的搶險(xiǎn)處理

3.2.1 圍巖及拱架嚴(yán)重變形

由于持續(xù)降雨等原因，在圍巖基本穩(wěn)定后約60天變形觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)塌方支護(hù)洞段圍巖發(fā)生二次變形，且變形強(qiáng)烈，收斂變形量平均3～5mm/d，沉降量0.14～0.4mm/d，噴護(hù)混凝土出現(xiàn)約5～50mm裂縫，局部混凝土脫落；鋼拱架扭曲變形，已侵占了二襯位置，此時(shí)該洞段地下水由原來(lái)的清水變?yōu)閿嗬m(xù)渾濁，有時(shí)呈泥糊狀，出水點(diǎn)沿裂縫不斷變換位置，出水點(diǎn)出水量也頻繁變化，由原來(lái)固定位置變成似暴雨?duì)罹€狀多處涌水。變形情況見(jiàn)圖2。

圖2 變形情況

3.2.2 搶險(xiǎn)處理方案

參建四方立即赴現(xiàn)場(chǎng)查看，并對(duì)此變形段(25+245～25+261)確定了如下初步處理方案：

a.打泄壓導(dǎo)水孔。在該洞段頂部100°范圍打泄壓導(dǎo)水孔(孔間、排距2m，孔深4m，孔內(nèi)安裝φ42鋼花管)進(jìn)行排水，將上部巖層裂隙水釋放，減小頂部水壓。

b.增加臨時(shí)頂支加固。對(duì)樁號(hào)25+245～25+263洞段已安裝鋼拱架進(jìn)行臨時(shí)頂支加固。具體做法：在起拱處和距底部約50cm處分別加設(shè)臨時(shí)水平橫撐(I16工字鋼)，底部安裝水平橫向底梁(I16工字鋼)，在水平底梁兩側(cè)分別安裝2根鎖腳錨桿(φ25，2.5m)，以增強(qiáng)抵抗力。

c.增設(shè)鋼拱架和水平底梁。對(duì)樁號(hào)25+245～25+263洞段已安裝鋼拱架間間隔增設(shè)鋼拱架，鋼拱架采用I20a工字鋼，并安裝水平橫向底梁(I20a工字鋼)，在水平底梁兩側(cè)分別安裝2根鎖腳錨桿(φ25，2.5m)，頂拱、側(cè)墻間用I16工字鋼縱向連接(間距1.0～1.5m)，加長(zhǎng)鎖拱錨桿(φ25，4m)，安裝完成后噴護(hù)C20混凝土200mm。

d.底板混凝土硬化。完成拱架加固后對(duì)底板澆筑200mm厚C20混凝土。

e.拆除臨時(shí)水平橫撐。在底板硬化后滿足強(qiáng)度要求時(shí)拆除起拱處及距底部約0.5m處的水平橫撐。

f.加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)派專職安全人員進(jìn)行安全監(jiān)護(hù)，加強(qiáng)該洞段變形觀測(cè)。

3.2.3 支護(hù)二次變形

方案確定后，立即實(shí)施。樁號(hào)25+250～25+261洞段起拱處臨時(shí)橫撐時(shí)加固三天后發(fā)現(xiàn)原臨時(shí)橫撐(8根I16工字鋼)嚴(yán)重變形(彎曲、扭曲)、樁號(hào)25+256.1原拱架變形加大拱腿已失穩(wěn)(見(jiàn)圖3)，樁號(hào)25+250附近頂拱扭曲變形嚴(yán)重(見(jiàn)圖4)；塌方段兩側(cè)原穩(wěn)定洞段出現(xiàn)5～15mm裂縫，頂部混凝土掉塊嚴(yán)重(見(jiàn)圖5)；洞頂壓力水向上下游方向不斷延伸。

圖3 拱腿及支撐變形情況

圖4 頂拱變形情況

圖5 裂縫情況

針對(duì)變形洞段不斷擴(kuò)大、加固鋼拱架變形失穩(wěn)等情況，現(xiàn)場(chǎng)緊急采取搶險(xiǎn)措施：?在原臨時(shí)橫撐(I16工字鋼)上部增設(shè)I20臨時(shí)橫撐并用3根I20a縱向連接所有臨時(shí)橫撐、增設(shè)的I20臨時(shí)橫撐上部增加3道豎向支撐，底部I20a臨時(shí)橫撐增加縱向連接，增強(qiáng)整體抵抗力；?在出水較大處和有可能出水洞段加打泄壓導(dǎo)水孔排水。

4 第二次搶險(xiǎn)處理方案

從搶險(xiǎn)過(guò)程可見(jiàn)塌方洞段(樁號(hào)25+245～25+261)上部圍巖仍在坍塌沉降，古風(fēng)化殼殘留物在地下水作用下堆積于頂拱上，形成碎石堆積體，致使拱架和圍巖發(fā)生變形，且向上下游方向不斷擴(kuò)展，局部出現(xiàn)天窗式瀉流坍塌；樁號(hào)25+234～25+245洞段和25+261～25+271洞段分別受到樁號(hào)25+245～25+261洞段變形和滲漏水的影響，形成似濁流狀碎石塊體擠壓，地下水掏蝕形成空洞造成地應(yīng)力不均勻，圍巖出現(xiàn)蠕變和突變變形。除險(xiǎn)加固表面鋼拱架、噴錨支護(hù)已不能支撐洞室穩(wěn)定，需要對(duì)塌方段進(jìn)行圍巖灌漿，使破碎巖體固結(jié)成穩(wěn)定保護(hù)殼，阻止塌方擴(kuò)大。

參建四方進(jìn)洞查看了變形情況并討論了方案，形成搶險(xiǎn)意見(jiàn)如下：

a.搶險(xiǎn)處理先保證洞室安全，搶險(xiǎn)過(guò)程中加強(qiáng)安全監(jiān)護(hù)，確保作業(yè)人員安全，如果出現(xiàn)重大險(xiǎn)情，作業(yè)人員及時(shí)撤離。

b.對(duì)于存在安全隱患的嚴(yán)重變形洞段加強(qiáng)加固，臨時(shí)橫撐全部改為I20a，并且增加縱向連接，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抵抗力。

c.對(duì)樁號(hào)25+245～25+267洞段已安裝鋼拱架間間隔增設(shè)鋼拱架，鋼拱架采用I20a工字鋼，并安裝水平橫向底梁(I20a工字鋼)，加長(zhǎng)側(cè)頂拱鎖拱錨桿(φ25，3m)，每榀8根，頂拱、直墻間根據(jù)情況采用φ20鋼筋配合I16/I20工字鋼縱向連接，全斷面鋼筋掛網(wǎng)(Φ8,150mm×150mm)，噴護(hù)C20混凝土。

d.該變形洞段加固完成洞室初步穩(wěn)定后，對(duì)樁號(hào)25+234～25+271洞段共約37m進(jìn)行全斷面灌漿固結(jié)處理。

e.灌漿完畢洞室穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支撐，間隔拆除臨時(shí)支撐進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，洞室穩(wěn)定后澆筑20cm厚C20混凝土底板保證洞室安全。

f.在進(jìn)行變形段處理期間，加強(qiáng)該洞段變形觀測(cè)。

5 斷層破碎帶除險(xiǎn)加固方案

按照第二次搶險(xiǎn)方案實(shí)施后，在樁號(hào)25+234～25+271洞段重新布設(shè)的6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面顯示，一周后平均水平收斂變形0.6～1.5mm，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但已渡過(guò)危險(xiǎn)期。

5.1 固結(jié)灌漿及灌漿材料的技術(shù)要求

a.根據(jù)該斷層洞段的地質(zhì)情況，水泥基類注漿材料難以有效固結(jié)，也難以達(dá)到穩(wěn)定固結(jié)圍巖的效果好的支護(hù)強(qiáng)度。因此，需采用新型化學(xué)灌漿材料進(jìn)行固結(jié)處理，化灌材料應(yīng)滲透擴(kuò)散性強(qiáng)、固結(jié)強(qiáng)度高、與圍巖黏結(jié)力強(qiáng)，施工工藝安全可靠；綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)害。

b.在樁號(hào)25+245～25+261塌方洞段的固結(jié)灌漿厚度設(shè)計(jì)為4m；兩側(cè)各10m范圍洞段固結(jié)灌漿厚度設(shè)計(jì)為3m，以期把松散的圍巖固結(jié)成完整的自承載性、自支護(hù)性圍巖圈。

c.實(shí)施固結(jié)灌漿后須確保該洞段洞室穩(wěn)定，圍巖收斂變形、沉降速率和累計(jì)變形量須滿足規(guī)范要求。

5.2 擬實(shí)施的注漿方案

5.2.1 漿液選擇

本次注漿咨詢了相關(guān)專家并相互對(duì)比后，選擇了某技術(shù)有限公司的Ⅰ型瑞諾加固材料。

Ⅰ型瑞諾加固材料是一種新型化學(xué)灌漿材料，由A、B兩組分組成，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)由氣動(dòng)注漿泵自動(dòng)按照1∶1體積比進(jìn)料、混合、注入圍巖中。此化灌材料的物化性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 瑞諾加固材料物化性能參數(shù)(Ⅰ型)

Ⅰ型瑞諾加固材料相比傳統(tǒng)化灌材料具有以下優(yōu)異特性：

a. 100%樹脂含量，沒(méi)有任何溶劑和非活性成分，無(wú)有害性的化學(xué)成分；而國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的化灌材料一般都摻有一定量的有害的非活性溶劑。

b.漿液黏度低，滲透擴(kuò)散性好，漿液的固結(jié)速度較快，一般在巖石中滲透擴(kuò)散距離為3～5m。

c.漿液固結(jié)強(qiáng)度增長(zhǎng)快速，1h能達(dá)到40MPa以上。

d.漿液可以根據(jù)工程需要配置成在富含水圍巖中不發(fā)泡，有效固結(jié)和增強(qiáng)；也可以配置成在富含水圍巖中與水反應(yīng)發(fā)泡膨脹，發(fā)泡倍數(shù)可以調(diào)整。而傳統(tǒng)的化灌材料要么在富含水圍巖中較難固結(jié)(如環(huán)氧類灌漿材料)，要么在富含水圍巖中發(fā)泡嚴(yán)重，強(qiáng)度很低，固結(jié)圍巖的效能差(無(wú)法實(shí)現(xiàn)可控的發(fā)泡特性)。

e.Ⅰ型瑞諾加固材料由A、B雙組分按固定體積比1∶1包裝，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需調(diào)整配比，經(jīng)配套的雙組分注漿泵自動(dòng)進(jìn)料、混合、輸出，且輸出流量大(最大流量達(dá)到20L/min以上)，整個(gè)系統(tǒng)工藝先進(jìn)可靠。而傳統(tǒng)化灌材料需要在施工現(xiàn)場(chǎng)配置漿液，注漿泵無(wú)法在圍巖中實(shí)現(xiàn)均勻的滲透和控制擴(kuò)散固結(jié)范圍。

5.2.2 注漿孔布置設(shè)計(jì)

a.樁號(hào)25+245～25+261洞段。每環(huán)布置注漿孔7個(gè)，1、2、7號(hào)孔，孔深4m；3～6號(hào)孔，孔深3m；孔徑42mm。注漿孔每環(huán)間距2.0～3.0m。該洞段共設(shè)計(jì)5排注漿孔。注漿孔布置見(jiàn)圖6。

圖6 化灌注漿孔布置示意圖(單位：mm)

b.兩側(cè)洞段?？紤]到該洞段的變形相對(duì)較小，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可靠角度，設(shè)計(jì)注漿孔孔深為3m，孔徑為42mm，孔排距2.0～4.0m。注漿孔孔位布置方式同上。注漿孔數(shù)為56個(gè)。

由于斷層破碎帶地質(zhì)情況復(fù)雜，施工中根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整孔位及間排距，保證固結(jié)灌漿效果。

5.2.3 注漿

5.2.3.1 試驗(yàn)和檢查

將樁號(hào)25+239～25+245洞段作為本次除險(xiǎn)加固注漿實(shí)驗(yàn)段，實(shí)驗(yàn)段加固效果滿足工程要求后繼續(xù)施工；注漿完成后鉆孔打檢查孔檢驗(yàn)注漿效果，檢查孔孔深4m。

注漿過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和檢查孔檢驗(yàn)效果，對(duì)滲水大、吃漿量小的局部洞段進(jìn)行二次灌漿，保證工程質(zhì)量。

5.2.3.2 注漿工藝

用6分無(wú)縫壓力注漿鋼管或中空自攻式麻花鉆桿連接封孔器，封孔安裝在孔口0.5m左右位置。

在封孔器外連接可曲撓管、注漿槍注漿泵出料管。

注漿壓力不大于8MPa。

5.2.3.3 注漿泵及配件

a.注漿泵。本化灌材料配套的注漿設(shè)備為雙組分氣動(dòng)注漿泵，由空壓機(jī)帶動(dòng)，壓風(fēng)要求0.4～0.8MPa，壓風(fēng)流量≥3m3/h。該泵可自動(dòng)進(jìn)料、混合、輸出。具體參數(shù)見(jiàn)表2，注漿泵見(jiàn)圖7。

表2 雙組分氣動(dòng)注漿泵性能參數(shù)

圖7 氣動(dòng)注漿泵

b.注漿配件?，F(xiàn)場(chǎng)注漿需要配備高壓漿液輸出膠管(10m/根)、可曲撓銅管(2m/根)、封孔器(30cm/根)、無(wú)縫注漿鋼管(1m/根)、專用注漿混合槍等?，F(xiàn)場(chǎng)連接用A13快接或M2.5×20細(xì)螺紋方式。注漿配件連接見(jiàn)圖8。

圖8 注漿配件連接簡(jiǎn)圖1-注漿管;2-封孔器；3-快速接頭;4-專用注漿槍;5-高壓膠管;6-氣動(dòng)注漿泵;7-A組分;8-B組分

c.注漿封孔器使用。選用的注漿封孔器外徑36mm，加壓到3MPa時(shí)快速膨脹到60mm左右，可快速封堵住注漿孔，且具有不可逆泄壓性；之后漿液頂開(kāi)封孔器前端的薄鋁片，漿液在壓力驅(qū)動(dòng)下快速滲透、擴(kuò)散至周圍裂隙中，并與水發(fā)生作用，膨脹固結(jié)，封堵住滲水、涌水通道。

5.2.3.4 注漿用量及耗時(shí)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，固結(jié)洞段長(zhǎng)度為37m，加固圍巖漿液體積為2617.4m3×2.4%=63m3，重量約37.2t，固結(jié)耗時(shí)8天。

6 斷層破碎帶初支變形處理效果

7號(hào)支洞控制主洞下游25+234～25+271段經(jīng)過(guò)上述方法處理后，洞室未再出現(xiàn)安全隱患，累計(jì)收斂變形值最大17mm，后經(jīng)過(guò)近一年多的持續(xù)變形監(jiān)測(cè)，已經(jīng)穩(wěn)定。

7 結(jié) 語(yǔ)

山西省小浪底引黃工程施工Ⅴ標(biāo)7號(hào)支洞控制主洞下游變形搶險(xiǎn)施工中采取臨時(shí)支撐加強(qiáng)支護(hù)體系，保證灌漿期間洞室穩(wěn)定，防止灌漿固結(jié)過(guò)程中發(fā)生塌方等次生災(zāi)害，之后用化學(xué)灌漿對(duì)洞室圍巖進(jìn)行固結(jié)，形成保護(hù)殼，確保洞室安全，成功處理了斷層破碎帶，方法簡(jiǎn)便易操作，且耗時(shí)較短，希望此案例可為類似工程提供借鑒。