引水隧洞斷層破碎帶施工措施

馬愛冬

（聞喜縣水務局 043800）

1 工程概況

石門引水新水源工程，是將山西省聞喜縣中條山南麓石門鄉的橫榆河和石門河的地表水，通過建閘修壩攔蓄河水，開鑿引水隧洞（總長13.36km，斷面尺寸1.6m×2.0m），將水自流引入已建成的小澗河水庫進行調蓄后，通過長21.25km、直徑600mm的輸水管道，再將水自流輸送至聞喜縣城用水戶。

2 石門隧洞工程地質情況

引水隧洞需要穿越中條山系及涑水盆地的低中山、黃土丘陵、涑水盆地山前洪積扇及沖積平原等復雜地形。巖性主要由太古界變質巖系及新生界的沖、洪積物構成。

引水隧洞工程穿越地區由于地層軟弱巖性（砂質泥巖）較多、地質構造破壞嚴重、地下水發育，因此極不穩定圍巖類型所占比例較大，常發生塌方事故，施工難度較大，如果不及時采取科學可行的施工措施，將會極大地影響施工安全、工程質量和進度。

石門引水隧洞樁號4+969～5+012段通過F1斷層，該段層為壓扭性逆斷層，斷層走向N53°E、NW∠7°，斷層長度16.4km，斷裂帶寬度10m，破碎帶中巖石強烈破碎，可見有擦痕。

斷裂兩側地層巖性為上元古代呂梁期花崗巖，塊狀構造，粒狀結構，夾有方解石脈體，基巖表面呈全風化狀態，全風化層厚3～5m，強風化層厚度20～30m。裂隙主要發育有兩組，產狀分別為 N73°～78°E、SE∠79°；N3°～8°E、SE∠57°，裂隙寬度0.4～10cm，被砂土充填。上覆圍巖厚度405～420m。該段位于地下水位以下，洞段有涌水等情況。

3 不穩定圍巖的施工措施

3.1 超前固結灌漿

在開挖前，先對隧洞斷面周邊進行灌漿固結，使開挖斷面外2m范圍內的圍巖固結密實。

為防止灌漿時漿液從掌子面外流，首先在灌漿前向掌子面噴射5cm厚的C25混凝土，形成止水層；其次沿隧洞斷面周邊以50cm的間距鉆注漿孔，孔徑φ40，孔深3m，以與洞軸線方向30°和40°的夾角交錯布置；再次將3.20m長的灌漿導管裝入注漿孔內，外露20cm，孔口用錨固劑堵塞密實，以防漏漿；最后將純水泥漿或水泥—水玻璃雙漿液并摻加適量速凝劑壓入注漿管內。漿液配合比一般為水泥漿水灰比為0.8～1.2；水泥漿：水玻璃漿為1∶0.5（體積比）。施工時根據實際情況另行調整。當注漿壓力達到設計注漿壓力0.2MPa停止吸漿時，即可結束。

3.2 超前支護

3.2.1 超前錨桿施工

對巖石穩定性較差地段，為保證開挖正常進行，需采用超前錨桿提前進行支護。超前錨桿采用手風鉆造孔，用注漿機將砂漿注入錨桿孔中，然后安插錨桿。超前錨桿上傾角控制在5°～10°，孔深不小于單循環進尺的3倍。

3.2.2 超前注漿小導管施工

對洞身圍巖斷層帶，為保證成洞穩定，施工中采用超前小導管，先對圍巖進行加固，然后再進行開挖。超前小導管長度3.50m，環向間距20～30cm，小導管采用φ42鋼管。

超前注漿小導管施工中采用YQ100B或手風鉆鉆孔，人工安裝插管，MZ30注漿機灌注水泥砂漿，灌漿壓力初步選為0.2MPa，施工時根據現場試驗確定灌漿壓力。若斷層地下水豐富，則采用雙液注漿泵同時注入水泥和水玻璃漿液。

3.3 開挖

在V類圍巖隧洞控制循環進尺是非常重要的安全措施。該斷層采用循環進尺為0.5m，有效地限制了圍巖變形的速率，避免了圍巖變形突然釋放造成的施工塌方。

3.4 初期支護

由于斷層破碎帶巖體軟弱破碎，再加上地質構造影響，隧洞開挖后變形發展迅速，僅靠錨桿或鋼筋網噴混凝土支護不足以抵抗圍巖的有害變形的發展。因此，石門引水隧洞F1斷層帶采用開挖后緊跟支護方案，即錨桿+掛網+鋼拱架+噴射混凝土聯合支護形式。隧洞底部安設鋼拱架與邊墻拱架焊為一體，使得支護形成較為穩定的支護閉合環。鋼拱架支護間距0.5m/榀，拱架間連接采用φ22的縱向連接筋焊接，間距為1m。

鋼拱架間設置拉桿并用噴射混凝土填平，鋼拱架垂直于隧洞中心線架立。當鋼拱架和圍巖之間間隙過大時設置混凝土墊塊，再用噴射混凝土充填密實。鋼拱架安裝就位后，采用噴射混凝土使鋼架與洞壁圍巖貼緊；噴射混凝土時，先噴射鋼架與壁面之間，再噴射鋼架之間，同時對破碎軟弱地段的圍巖穩定進行監測，遇有危險情況，及時采取增強鋼拱架等措施，進行調整、修補和置換。

4 不穩定圍巖的預防措施

4.1 圍巖量測

地下開挖工程的安全監測，已成為地下開挖工程施工過程中不可缺少的內容，也是地下開挖工程采用動態方法進行設計的信息來源。按照《錨桿噴射混凝土支護技術規范》（GB50086—2001）要求，圍巖穩定的判別依據為：圍巖變形總量已完成允許變形量的90%；變形速率已明顯下降，變形速率小于0.2mm/d，定拱沉降變形速率小于0.15mm/d。因此，根據石門引水隧洞地質特征，布設收斂和頂拱沉降量測。收斂和頂拱沉降量測對施工干擾小、測量速度快、數據直觀、便于應用，隧洞周邊相對位移變化能夠綜合反映圍巖穩定狀況與支護效果。

4.2 重點觀測部位

在施工期間，要進行地質觀測和預報，對可能出現的不良地質問題（如對圍巖發生巖爆、片幫、巖石開裂、掉塊、坍塌、支護變形、地下涌水等）隨時觀測，判斷其是否有變形破壞趨向。對隧洞揭露出來的各種主要地質現象，及時進行編錄與測繪。主要包括地層巖性、構造特征（斷層、節理、擠壓破碎帶及結構面組合形態）、圍巖穩定性、塌方掉塊位置、塌落高度及方量、圍巖處理措施、巖石風化程度、地下水活動特征。一般重點觀測如下部位：

a.洞頂薄層狀巖體，又有幾組結構面破壞，形成了平鋪板狀體，易塌方地段。

b.頂拱或兩壁夾有較厚的軟弱夾層地段。

c.邊墻有與洞軸線將近平行的陡傾角節理、裂隙，易滑塌、片幫的洞段。

d.隧洞頂部的屋脊形（即人字形）結構面組合地段。

e.隧洞頂拱出露較多滑動鏡面的地段。

f.散體結構、且有地下水活動的較大斷裂破碎帶洞段，觀察其塌落發展情況。

g.地下水集中溢出點位置，觀察其出溢狀態、對圍巖穩定影響情況。

h.觀察施工爆破，對圍巖卸荷松動，裂隙張開等影響程度。

i.對隧洞深埋洞段，觀察地應力、山巖壓力對隧洞圍巖是否有變形破壞。如巖層有無產生蠕變、片幫、片狀剝落、巖層開裂、裂隙加寬、小的掉塊、聲響和巖爆現象。

j.對初次支護后，隨時間變化，觀察混凝土有無裂縫、拱架是否變形。

k.對圍巖失穩部位，觀察其塌落類型、規模、時間、原因及處理情況。

l.對開挖的圍巖類別經常巡視觀察，特別是設計與實際情況不符時，更要及時觀察。

5 塌方處理

5.1 小塌清，先支后清

當塌方不大，可采用清理的辦法處理，但清理之前必須將塌方的頂部支撐牢固，以防繼續塌落，在支撐保護下，再清除塌方。如果不支先清，則越清越塌，越塌越大。因為當圍巖首先塌方后，自然拱范圍內的土石不一定塌完，還有繼續坍塌的可能，塌方隧洞的兩側，洞壁常常不穩定，先清除塌碴后，會使側壁失去平衡而松動塌落，隧洞因塌方而增寬，進一步導致自然拱增高而再次塌方。

5.2 大塌穿，先棚后穿

當塌方體數量很大，一時難以清理，甚至塌穴的形狀、大小都無法查明時，則可將塌方體看成一個松散破碎的地層，采用開挖導坑的方法穿越塌方體。穿越前必須將塌方部位的兩端支頂牢固，防止塌方延伸。穿越時，在導坑頂部用鋼管插入塌方體，形成棚頂，在棚頂的保護下，逐步開挖掘進。

5.3 襯砌的加強措施

塌方地段的地質條件不好，塌方形成的圍巖更加松軟、錯亂，會形成更大的山巖壓力。因此，必須加強襯砌，并對襯砌混凝土和圍巖之間的空隙進行回填石渣后，再用水泥進行回填灌漿。

6 結語

石門引水隧洞工程施工過程中，對地質情況復雜、圍巖破碎、地下涌水量大的洞段，采用了有效的施工措施和預防措施，保證了施工安全。