觀景口水利樞紐巖石頂管隧洞關(guān)鍵技術(shù)問題及處理措施

朱發(fā)勇，孫 毅，王永生

（中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，300222，天津）

一、地質(zhì)條件

觀景口水利樞紐輸水線路經(jīng)過地區(qū)的地貌類型主要為構(gòu)造剝蝕地貌與巖溶地貌兩種類型。其中構(gòu)造剝蝕地貌發(fā)育在侏羅系地層中，表現(xiàn)為丘陵和低山；巖溶地貌發(fā)育于三疊系碳酸鹽巖地層中，表現(xiàn)為與區(qū)域構(gòu)造線方向一致的條狀槽谷，槽谷內(nèi)形態(tài)包括槽丘、槽坡、槽溝和槽洼等。

工程區(qū)地層主要為三疊系碳酸鹽巖與碎屑巖、侏羅系紅層，碳酸鹽巖巖溶發(fā)育，而侏羅系紅層埋深段泥巖可能存在塑性變形；發(fā)育有滴水巖（F17）斷層，而大部分洞段位于地下水水位以下，可能存在突水和涌水問題；須家河組碳質(zhì)頁巖段可能存在圍巖坍塌卡管問題。

輸水隧洞圍巖以Ⅳ類為主，其次為Ⅴ、Ⅲ類，圍巖穩(wěn)定性差。隧洞段主要的地質(zhì)問題有碳質(zhì)頁巖塑性變形卡管、巖溶、突水和涌水、斷層破碎帶卡刀盤等，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

二、關(guān)鍵技術(shù)問題及處理措施

1.卡管問題及處理措施

隧洞頂管掘進(jìn)過程中，在1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)隧洞一共出現(xiàn)了5次較為嚴(yán)重的卡管事故，影響了施工進(jìn)度。其中4次在Ⅴ類圍巖中，由于巖體完整性較差，圍巖坍塌導(dǎo)致的卡管；1次為頂管掘進(jìn)中產(chǎn)生大量細(xì)砂沉渣，沉渣與膨潤土泥漿混合沉積在隧洞底部，管壁與圍巖緊密結(jié)合將水泥管抱死而卡管。以下按時(shí)間順序分析如下。

（1）第一和第二次卡管分析及處理

①卡管情況

第一和第二次卡管發(fā)生在2號(hào)無壓隧洞頂進(jìn)過程中。輸水線路2號(hào)無壓隧洞全長1 258.52 m，隧洞進(jìn)口和出口分別為2號(hào)連接井和3號(hào)連接井，單向頂進(jìn)施工，作為試驗(yàn)段，2號(hào)無壓隧洞頂進(jìn)過程中共遇到2次卡管問題。2號(hào)無壓隧洞碳酸鹽地層中未揭露較大溶洞，地下水微弱，主要卡管原因?yàn)棰躅悋鷰r引發(fā)的洞頂坍塌卡管。

第一次卡管發(fā)生于2017年4月17日，當(dāng)掘進(jìn)到三疊系上統(tǒng)須家河組第一段碳質(zhì)頁巖10 m處時(shí)，因頂管阻力過大，造成管材受損，出現(xiàn)裂縫。

第二次卡管發(fā)生于2017年5月12日，掘進(jìn)至樁號(hào)3+801.90處時(shí)出現(xiàn)頂管管側(cè)阻力過大而卡管。

②卡管原因分析

根據(jù)現(xiàn)場查勘及檢測分析，卡管的主要原因：一是地質(zhì)復(fù)雜，圍巖變形導(dǎo)致管材卡住。2號(hào)無壓隧洞段已完成部分頂管，絕大部分屬于Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，整體比較破碎，存在較長的須家河底部碳質(zhì)頁巖區(qū)，從掘進(jìn)出渣情況看，地質(zhì)變化快。地質(zhì)問題導(dǎo)致管材與洞壁之間預(yù)留變形超挖量大部分因收斂而變小，通過破損管材與洞壁的接觸情況以及地質(zhì)雷達(dá)掃描驗(yàn)證，判斷部分洞段管材與巖壁間已經(jīng)沒有間隙，管材和圍巖已經(jīng)接觸。二是膨潤土失效。卡管洞段地質(zhì)情況復(fù)雜，裂隙多，膨潤土流失嚴(yán)重且無法保持適當(dāng)?shù)膲毫?。通過持續(xù)使用效果較好的膨潤土，情況有所改善，但是流失仍比較嚴(yán)重，消耗量大，嚴(yán)重超出預(yù)期。三是邊刀磨損及巖屑沉積。邊刀磨損導(dǎo)致部分超挖量變小，管材與洞壁之間預(yù)留空間間隙變小。開挖下來的巖屑部分沉積在管材四周，也有部分與膨潤土膠結(jié)，增大了摩擦力。顆粒狀巖石填充了管材與洞壁之間的間隙，導(dǎo)致阻力增大。

③采取工程措施

根據(jù)上述卡管分析，確定卡管原因以地質(zhì)因素占主導(dǎo)作用，其余因素為輔的綜合原因。根據(jù)分析結(jié)果，采取了以下順序進(jìn)行處理：一是安裝應(yīng)變計(jì)，通過管材表面應(yīng)力分布，判斷管材主要受困點(diǎn)；二是在管材上鉆孔，沖洗背后沉渣，完成后補(bǔ)注膨潤土；三是破除管材，安裝檢測設(shè)備，對(duì)圍巖收斂進(jìn)行監(jiān)測；四是根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果，適時(shí)組織人手對(duì)管節(jié)破除部分進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)方式為環(huán)形鋼拱架+噴錨；五是支護(hù)完成，采用高壓水槍對(duì)臨近管節(jié)外壁進(jìn)行沖洗，擴(kuò)大管道外壁與圍巖間距，同時(shí)清理管道底部沉渣，減小管道頂進(jìn)摩阻力；六是管道沖洗完成后閉合臨時(shí)設(shè)置的中繼間，并向前頂進(jìn)，直至通過圍巖破碎地帶。

采取以上措施后，2號(hào)無壓隧洞成功解決了兩次卡管問題。由于2號(hào)無壓隧洞作為實(shí)驗(yàn)洞段，經(jīng)驗(yàn)不足，卡管處理時(shí)間較長，積累經(jīng)驗(yàn)后，為后續(xù)卡管提供了較好的處理方案。

（2）第三次卡管分析及處理

①卡管情況

第三次卡管發(fā)生在3-1號(hào)無壓隧洞，當(dāng)掘進(jìn)至樁號(hào)7+620.00處時(shí)，由于頂管阻力過大而停止掘進(jìn)。

②卡管原因分析

3-1號(hào)無壓隧洞巖性為粉砂質(zhì)泥巖與細(xì)砂巖不等厚互層，巖體較完整，地下水微弱，圍巖類別以Ⅲ類和Ⅳ類為主，在膨潤土泥漿護(hù)壁下，洞頂不易坍塌。隧洞埋深200～250 m，軟巖可能出現(xiàn)塑性變形問題，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)已預(yù)留塑性變形量，泥巖塑性變形不會(huì)引發(fā)卡管問題，這在后續(xù)3-2號(hào)無壓隧洞施工時(shí)得到了證實(shí)。

究其卡管的主要原因是管內(nèi)沉渣較厚，特別是8+310.00～8+530.00段，巖性為細(xì)砂巖，頂管掘進(jìn)中產(chǎn)生大量細(xì)砂沉渣。沉渣與膨潤土泥漿混合，將管壁與圍巖緊密結(jié)合而將水泥管抱死。

③采取工程措施

吸取第一次和第二次卡管處理的成功經(jīng)驗(yàn)，在3-1號(hào)無壓隧洞頂進(jìn)過程中，對(duì)底部沉渣及時(shí)清理，后續(xù)頂進(jìn)過程中較為順利。

（3）第四和第五次卡管分析及處理

①卡管情況

第四次及第五次卡管發(fā)生在1號(hào)無壓隧洞頂進(jìn)過程中。1號(hào)無壓隧洞雙向頂進(jìn)施工，從2號(hào)連接井往1號(hào)連接井頂進(jìn)過程中共遇到2次卡管問題。第四次卡管發(fā)生在1號(hào)無壓隧洞，2+288.4～2+208段，出現(xiàn)洞頂坍塌卡管。第五次卡管發(fā)生在1號(hào)無壓隧洞，當(dāng)掘進(jìn)至樁號(hào)2+139.20時(shí)，須家

河組碳質(zhì)頁巖段又發(fā)生坍塌卡管。②卡管原因分析

卡管隧洞段地層時(shí)代為三疊系中統(tǒng)雷口坡組，巖性為灰?guī)r、灰黑色頁巖、巖溶角礫巖、夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖體完整性較差。在樁號(hào)2+195.00～2+140.00處，從機(jī)頭取樣檢查，揭露出三疊系上統(tǒng)須家河組底部巖性為灰黑色碳質(zhì)頁巖夾煤線，遇水易軟化，為Ⅴ類圍巖。結(jié)合第一次和第二次卡管的經(jīng)驗(yàn)，這兩次卡管主要原因?yàn)閲鷰r變形導(dǎo)致管材與巖壁接觸增大了阻力，圍巖裂隙多，膨潤土流失嚴(yán)重且無法保持適當(dāng)?shù)膲毫Χ鴮?dǎo)致的卡管。

③采取工程措施

根據(jù)分析，基本確定卡管原因同第一次和第二次卡管。結(jié)合1號(hào)無壓隧洞的實(shí)際情況，通過采取管材破除，圍巖收斂觀測、支護(hù)、管道沖洗、清渣、管節(jié)閉合、向前推進(jìn)的處理流程，卡管問題得到了解決。

2.突涌水問題及處理措施

輸水線路6號(hào)無壓隧洞進(jìn)口和出口分別為12號(hào)連接井和13號(hào)連接井，雙向頂進(jìn)施工，從12號(hào)連接井往13號(hào)連接井方向?yàn)?-1號(hào)無壓隧洞，反向頂進(jìn)為2-2號(hào)無壓隧洞。

6-1號(hào)無壓隧洞掘進(jìn)至14+532.00～14+542.00一帶，該段為三疊系須家河組砂巖地層，地下水驟增，其中有2處大出水點(diǎn)，隨掘進(jìn)水量不斷增大，機(jī)頭處因排水量不足而被淹，對(duì)施工進(jìn)度造成了影響，于14+550.00處停止掘進(jìn)而回退?；赝撕?，經(jīng)過研究，決定對(duì)該涌水段采取打孔，注漿封堵的處理措施。該段經(jīng)處理后，基本達(dá)到預(yù)期封堵效果。

6-2號(hào)無壓隧洞掘進(jìn)至樁號(hào)14+869.00～14+829.00時(shí)，出現(xiàn)較大涌水，樁號(hào)14+649.00～14+642.00段接近F17斷層，對(duì)施工有一定影響。經(jīng)過研究，決定對(duì)F17斷層帶采取固結(jié)灌漿，對(duì)地下水進(jìn)行封堵。采取固結(jié)灌漿后，效果良好，保證了正常施工。

3.斷層破碎帶卡刀盤問題及處理措施

6-2號(hào)無壓隧洞掘進(jìn)至明月峽背斜北西翼，遇到F17斷層破碎帶，對(duì)施工造成了影響。根據(jù)地質(zhì)勘察，預(yù)判到頂進(jìn)過程中會(huì)遇到F17斷層破碎帶，在頂進(jìn)之前調(diào)整了機(jī)頭附近段備用中繼間的間距，當(dāng)遇到斷層引起阻力增大時(shí)，啟用備用中繼間。頂進(jìn)過程中，揭露到F17斷層破碎帶后，因圍巖破碎，2020年5月20日在14+624處發(fā)生洞頂塌陷，卡住刀盤。經(jīng)洞內(nèi)探孔，斷層破碎帶寬約20 m，距離隧洞貫通還有50 m左右，為確保隧洞的順利貫通，經(jīng)各方討論后，決定自6-1號(hào)無壓隧洞方向打注漿孔，同時(shí)在機(jī)頭處打孔注漿，對(duì)20 m范圍內(nèi)的破碎帶全面固結(jié)后，注漿孔于6月初開始施工，7月初結(jié)束，注漿歷時(shí)1個(gè)月，然后啟動(dòng)中繼間繼續(xù)掘進(jìn)，后續(xù)基本順利，隧洞于2020年8月8日貫通。

4.巖溶問題及處理措施

1號(hào)無壓隧洞，樁號(hào)2+425.00～3+240.00段的地層時(shí)代為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組，其中2+425.00～2+837.00段、2+930.00～3+110.00段巖體完整，巖性以灰?guī)r為主夾白云質(zhì)灰?guī)r，未揭露溶洞，為Ⅲ類圍巖。2+837.00～2+933.00段位于桃子蕩背斜軸部地帶，地表為巖溶槽谷，地下巖溶發(fā)育，在不足100 m的范圍內(nèi)揭露大小5個(gè)溶洞。

（1）1號(hào)溶洞及處理

1號(hào)無壓隧洞于2+933.30～2+926.30處揭露溶洞（1號(hào)溶洞），溶洞高約2m，沿隧洞軸線方向長約7m，溶洞向隧洞右側(cè)壁下方延伸，與深部巖溶管道相連，左側(cè)壁可能與地表落水洞相通。經(jīng)調(diào)查，溶洞頂板及側(cè)壁基本穩(wěn)定，洞底有歷史坍塌的大塊石及黏土。該溶洞下部約2 m又發(fā)育有一小溶洞。

經(jīng)設(shè)計(jì)研究采取處理方案為：對(duì)一層溶洞，清除巖石表層泥土及浮渣，鑿成麻面，混凝土和巖石接觸面應(yīng)打入插筋，頂部混凝土與巖石連接面需鑿成楔形面方便混凝土填滿，采取澆筑鋼筋混凝土封閉左右兩側(cè)溶洞；對(duì)二層溶洞，先清除表層泥土并清洗干凈，放置兩根直徑300 mm的PVC管，管道底部高程與上下游協(xié)調(diào)保證排水通暢，做好管口防堵塞措施，然后回填混凝土，回填長度應(yīng)超過第一層溶洞中的側(cè)墻外側(cè)一定距離，采取以上工程措施后，減小了膨潤土泥漿壓力，防止膨潤土流失，恢復(fù)頂管掘進(jìn)，處理歷時(shí)20天。

（2）2號(hào)溶洞及處理

1號(hào)無壓隧洞于3+856.40～3+850.40揭露溶洞（2號(hào)溶洞），溶洞寬6 m，隧洞底板向下深約8 m，底部有管道向下連通。吸取1號(hào)溶洞處理的成功經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究決定，采取沿溶洞側(cè)壁放一排水導(dǎo)管，溶洞底部用沙袋堵填，上部用混凝土填至隧洞底板，減小了膨潤土泥漿壓力，防止膨潤土流失，經(jīng)5天處置恢復(fù)了頂管掘進(jìn)。

（3）3號(hào)溶洞及處理

1號(hào)無壓隧洞于2+803.00處揭露一小溶洞（3號(hào)溶洞），溶洞呈不規(guī)則長條狀，長約3m，最寬處約1.7 m，上部下部均有寬大溶隙與深部及地表相連。經(jīng)研究采取對(duì)溶洞進(jìn)行混凝土充填，充填6 m3混凝土，減小了膨潤土泥漿壓力，防止膨潤土流失，于2020年6月30日恢復(fù)掘進(jìn)。

（4）4號(hào)溶洞及處理

1號(hào)無壓隧洞于2+888.40處揭露溶洞（4號(hào)溶洞），寬約1.6 m，刀盤下方深約60cm，經(jīng)充填混凝土約1m3，減小了膨潤土泥漿壓力，防止膨潤土流失，后恢復(fù)掘進(jìn)。

（5）5號(hào)溶洞及處理

5號(hào)溶洞位于隧洞側(cè)壁，由于溶洞較小，未見向遠(yuǎn)處延伸，采取減小膨潤土泥漿壓力、防止膨潤土流失措施，頂管快速安全通過。

三、結(jié) 論

針對(duì)頂管隧洞施工過程中遇到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況提出了針對(duì)性措施，解決了掘進(jìn)過程中的關(guān)鍵問題，為類似工程技術(shù)問題提供有益的參考。

①在Ⅴ類圍巖中，由于巖體完整性較差，圍巖容易坍塌，坍塌后，圍巖與預(yù)制管道連為一體而抱死，出現(xiàn)卡管現(xiàn)象，可通過監(jiān)測確定卡管位置，然后破除預(yù)制管道，采取高壓沖洗、掏渣、立拱架及弧形臺(tái)支撐等措施，恢復(fù)頂進(jìn)工作。

②在圍巖較好的洞段，也會(huì)出現(xiàn)卡管現(xiàn)象。這是由于頂管掘進(jìn)中產(chǎn)生大量細(xì)顆粒沉渣，沉渣與膨潤土泥漿混合，將管壁與圍巖緊密結(jié)合而將水泥管抱死。可采取在頂進(jìn)過程中經(jīng)常清理沉積在管道底部的沉渣措施，有效減少頂進(jìn)阻力。

③涌水洞段會(huì)使膨潤土泥漿流失，增大阻力，影響施工。通過鉆孔注漿并封堵，可基本達(dá)到預(yù)期效果。

④圍巖破碎帶洞頂容易塌陷卡住刀盤，可通過機(jī)頭前的天窗向掌子面打孔注漿，對(duì)破碎帶全面進(jìn)行固結(jié)灌漿，恢復(fù)頂管掘進(jìn)。

⑤巖溶地段溶洞較多，容易對(duì)頂管施工造成不利影響，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，提前發(fā)現(xiàn)前方存在的溶洞，以便及時(shí)采取側(cè)墻封閉、回填封堵等措施，保證正常施工。