油氣長輸管線隧道穿越不良地質治理

祁會芳 王世宇 孫東曉

川氣東送管道工程西起川東北普光首站,東至上海末站,是繼西氣東輸管線之后又一條貫穿我國東西部地區的管道大動脈。管道干線自西向東途經四川、重慶、湖北、安徽、浙江、上海四省兩市,全長約1 700 km,管道沿線所經地貌段大致分為溝谷單元、山地單元、河流穿越單元和其他不良地質段。

下面以川氣東送管道工程為例,談一下天然氣管道工程隧道工程主要不良地質現象及治理措施,請專家、同行指正。

川氣東送天然氣管道隧道工程主要不良地質現象有松散地層、不良地質構造、溶洞、煤系瓦斯地層、采空區等。

1 松散地層

松散地層結構松散、膠結弱、穩定性差,在施工中易發生坍塌。

1.1 超前支護

1)超前錨桿或超前小導管:爆破前,將超前錨桿或小鋼管打入掘進前方穩定的巖層內。

2)管棚:適用于圍巖為砂黏土、粘砂土、亞黏土、粉砂、矽砂、砂夾卵石等非常松軟、破碎的土壤。管棚長度根據地質情況確定。

1.2 注漿

對于極其松軟、破碎、軟塑地層,或有大量涌水的軟弱地段以及斷層破碎帶的隧道,通常采用小導管注漿固結地層。

對于埋深較淺的隧道可在地面進行預注漿。

1.3 鋼拱架

開挖完成后立即架設鋼拱架能阻止圍巖過度變形,提供較大的早期支護剛度,鋼拱架支撐可很好的與錨桿、鋼筋網、噴射混凝土合理組合,構成聯合支護,增強支護功能的有效性,且受力條件較好,對隧道斷面變形的適應性好。

2 不良地質構造

不良的地質構造包括斷層、裂隙、破碎帶等,對于一般的地質構造帶,按照軟弱圍巖進行施工、支護。但有些地質構造帶富含水或與地上水、地下水有聯系,需要認真對待。對于此類情況要做好“探水”和“堵水”。

2.1 超前探水

開挖過程中對部分地段實施了超前鉆探。根據工程地質條件及施工期間長江水位狀況,探水距離一般為30 m～50 m。

2.2 注漿堵水

在隧道施工中,根據鉆探出水情況確定堵、排水方案。為節省投資,對于量少而清澈的出水,不危及圍巖穩定和施工安全的,可以通過排水設施排走。對于水量較大、危及施工安全或者水量雖小但較混濁,可能通過裂隙與江水導通的出水,則必須注漿堵水。注漿堵水根據水量大小可采用長導管注漿或小導管注漿。

3 溶洞

隧道在溶洞地段施工時,應根據地質詳勘資料及現場實際,查明溶洞分布范圍、類型情況(大小、有無水,溶洞是否在發育中,以及其填充物)、巖層的穩定程度和地下水流情況(有無長期不進來源、雨季水量有無增長)等,分別以引、堵、越、繞等措施進行處理。

3.1 引排水

1)當暗河和溶洞有水流時,宜排不宜堵,在查明水源流向及其與隧道位置的關系后,用暗管、涵洞、小橋等措施,宣泄水流或開鑿池水洞,將水排出洞外。2)當水流的位置在隧道上部或高于隧道時,應在適當距離處開鑿飲水斜洞(或引水槽),將水位降低到隧道底部位置下,再行引排。

3.2 填堵

1)對已停止發育、跨徑較小、無水的溶洞,可根據其余隧道相交的位置及其充填情況采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封閉,根據地質情況決定是否需加深邊墻基礎。

2)隧道拱以上空溶洞,可視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護加固,或加設護拱頂回填的辦法處理。

3.3 跨越

當溶洞較大較深,可采用板、梁、拱、桁架等方式跨越,但兩端或拱座位置與穩固可靠的基礎上,必要時用圬工加固。

3.4 繞行施工

施工中遇到一時難以處理的溶洞時,可采用迂回導坑繞過溶洞繼續進行隧道施工,再行處理溶洞。

3.5 煤系(瓦斯)地層

瓦斯地層施工的主要措施:1)隧道穿越瓦斯逸出地段,應預先確定瓦斯探測方法,并制定瓦斯稀釋措施、防爆措施和緊急救援措施等。2)隧道采用全斷面開挖。3)加強通風是防止瓦斯爆炸最有效的方法。隧道施工中必須采用機械通風,通風設備必須防止漏風,并配備備用的通風設備。4)若瓦斯排放量較大,使用一般的措施難以稀釋到安全標準,可使用超前全封閉注漿。5)開挖后要及時噴錨支護,并保證其厚度,以免漏氣和防止圍巖失穩。6)施工中采用的設施均為防爆設施。7)嚴格執行有關規章制度。

3.6 采空區

在選線時由于初勘資料不足,再加上有些道路的詳勘工作跟不上,致使隧道在施工過程中穿入采空區。特別是富煤地區淺部大多有小煤窯采空區存在,如果施工前探查不清,施工準備不足,穿入采空區將給施工帶來一定的困難。

隧道穿越采空區時的施工對策主要有:1)超前預測預報。2)采空區位于隧道洞身上方。當采空區位于洞身上方,特別是近水平、緩傾斜的采空區且距隧頂較近時,必須采用加強支護,即在隧道拱部設管棚,管棚用格柵鋼架支撐。3)采空區位于隧道橫斷面中部。當采空區橫跨隧道中部,在隧道斷面范圍的采空區,采煤時所充填的棄土、矸石將被挖除,而兩端塑性區范圍內的空區,應換填密實的片石、塊石,再用水泥砂漿澆筑,或用素混凝土充填,以便提高隧道開挖后所形成的塑性區范圍內的支撐強度,防止出現大的變形。4)采空區位于隧道斷面內頂部與底部。當隧道在傾斜、急傾斜、薄及中厚煤層穿過時,采空區將位于隧道斷面內的頂部與底部,頂、底部應分別治理,拱部應系統設置小導管管棚,管內應注入C20水泥砂漿。5)采空區位于隧道底板以下。采空區位于隧道底板以下,未在隧道斷面內出露,但距隧道底部較近時,可在隧道內鉆孔注入水泥砂漿,提高采空區原充填料的強度,以防止隧道下沉。當隧道內施工條件允許時,也可采用旋噴樁固結隧道底巖體,這種措施也可取得良好的加固效果。當采空區距隧道底部較深,一般超過15 m以上時,這時在洞內鉆孔注漿,往往施工難度較大,且很不經濟,不僅注漿量增大,同時也延誤工期。如果條件允許,根據隧道所處的地形地貌,可在隧道側掘一小平峒或小斜井,在平峒、斜井側向隧道采空區內注漿加固。

治理范圍的確定:治理范圍包括采空區治理長度和采空區治理寬度。治理長度是以采空塌陷區沿路線延伸方向的邊界為起點所確定的長度,治理寬度為路基寬度+圍護帶寬度+路基兩側按應力擴散角所確定的邊界寬度。

[1]JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技術規范[S].

[3]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[4]GB 50086-2001,錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].

[5]GB 6722-2003,爆破安全規程[S].

[6]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[7]GB 50003-2001,砌體結構設計規范[S].

[8]GBJ 50017-2003,鋼結構設計規范[S].