水工隧洞穿越典型斷層破碎帶加固施工技術

李 娟

（山西中部引黃水務開發有限公司，山西 太原 030002）

1 工程概況

中部引黃工程總干4號留子局村隧洞進口樁號165+926.27，出口樁號200+217.17，總長34.29 km，設計流量16.31 m3/s，縱坡1/3000。工程總干4號隧洞樁號199+607掌子面出現斷層破碎帶，由塊徑不一的灰巖塊體堆積而成，塊徑為0.1～1 m不等，巖體結構組織完全破壞，結構面多張裂，空腔裂縫極為發育，無填充物。巖體破碎，松散，開挖后，圍巖自穩能力極差，形成拱頂坍腔，變形破壞十分嚴重。為確保施工質量與施工安全，需對50號主干下游K 199+607斷層破碎帶采取初期支護加固處理。

2 工程地質分析

2.1 總干4號隧洞工程地質

總干4號隧洞工程引水線路主要是經過呂梁山土石區，地面主要以山區為主，且起伏較大，溝壑縱橫，沖溝較多發育；河流較少，主要有東川河，河谷寬約1 km，河床高程1 016 m；較大的沖溝有火石溝、蘇村溝等。沿線山頂最高高程為1 415 m，留子局村隧洞進口最低高程977 m，相對高差約438 m。

巖芯取樣鉆孔6個，鉆孔巖心采取率及RQD（巖石質量指標）值統計情況見表1。需要說明的是，由于已完成的鉆孔數量較少，且揭露到所統計地層的鉆孔數量不均勻（如下馬家溝組地層僅有1孔揭露），加之鉆孔大多位于溝內，可能受到構造及應力影響，故該項統計表有一定片面性。

從表1中可以看出，下馬家溝組采取率及RQD值相對較高，上馬家溝組、峰峰組、本溪組地層采取率及RQD值相對較低。

表1 總干4號隧洞鉆孔巖芯采取率及RQD值統計匯總表

鉆孔巖石物理力學試驗結果見表2。

工程所在區域地層依次為奧陶系O2x3、O2s3、O2f1，區域內主要是溶蝕裂隙形態巖溶，伴有溶洞和其他巖溶情況。在斷層破碎帶、節理密集帶及軟弱層間撓曲等處，也可能有較為發育的溶洞，其中有棕黃色粘土（低液限、碎石）半充填或充填。

2.2 工程地質評價

工程總干4號隧洞樁號199+346—200+217段，地面高程1 169～1 320 m，洞底埋深215～366 m，洞身穿過奧陶系中統上馬家溝組下段泥灰巖，該段巖溶地下水位于洞底以下。泥灰巖巖性較為軟弱，圍巖各項系數見表3。

圍巖工程地質分為V類（見表4），圍巖不能自穩，如果不采取有效措施，變形嚴重有破壞效果。該洞段的地下巖溶較為發育，施工過程中極有可能有溶洞的存在。在地應力作用下，可能產生軟巖變形。

表2 鉆孔巖石物理力學試驗成果匯總表

表3 圍巖各項系數表

表4 樁號199+346—200+217地段圍巖分類評分表

2.3 掌子面地質揭示

工程總干4號隧洞樁號199+607時出現斷層破碎帶，由塊徑不一的灰巖塊體堆積而成，雜亂無章，塊徑為0.1～1 m不等，巖體結構組織完全破壞，結構面多張裂，空腔裂縫極為發育，無填充物。巖體較為破碎且松散，如果在開挖后不采取有效措施，圍巖不能自穩，形成拱頂及側墻塌方等情況，后果十分嚴峻。為確保施工質量與施工安全，需對樁號199+607斷層破碎帶采取初期支護加固處理。

3 工程處理措施

3.1 初期支護加固處理措施

首先需要對掌子面進行確認找頂，排除險情，之后對掌子面進行噴混凝土封閉，可選用C 20或者標號更高的混凝土，如果掌子面有水，可選用快速凝結的混凝土，一般噴射10 cm厚。

施工前，采用加長炮孔取樣法，探明掌子面前方地質情況，采用超前地質預報的方法探明底板以下10 m范圍內是否存在空洞。

沿掌子面在開挖輪廓線全斷面（包括底板），布置5 m長直徑42 mm花孔鋼管進行預注漿加固，布設間距80 cm，鉆孔傾角45°，采用1：1水泥漿對輪廓線外3 m范圍巖體進行注漿固結，每循環注漿固結圍巖長度約3m。

該段破碎帶施工應提高該段支護質量，確保施工安全，采用I 20工字鋼進行鋼架支護，底部增設I 20工字鋼底橫梁。為保證斷面凈空，開挖時，邊墻及頂拱輪廓外放4 cm，底板開挖下放20 cm。

根據試驗確定，注漿固結強度達到要求后，采用超前支護、短進尺、弱爆破掘進。頂拱范圍按設計采用5 m長直徑42 mm超前小導管進行超前支護，每循環開挖采用弱爆破方式控制進尺50～60 cm，根據開挖進尺，隨機間距布設鋼架，拱腳處加設工字鋼底橫梁（原工字鋼架支腿各延長20 cm），每榀鋼架設置長3 m的注漿鎖腳錨管12根（起拱線、支腿腰部、拱腳處），鋼架間按50 cm間距布設鋼架縱向連接筋。

在頂拱及邊墻按設計進行錨網噴護，掛設雙層直徑8 mm鋼筋網片（15 cm×15 cm），噴射C 20混凝土20 cm厚。

開挖過程中，遇局部塌方形成的坍腔采用噴射C 20混凝土回填密實。

現場必須嚴格按照此方案進行施工，過程中及時反映該段圍巖變化情況，直至圍巖情況好轉后，及時上報監理、業主單位相關人員，并終止該方案，按正常設計掘進施工。

3.2 施工安全措施

所有施工人員必須佩戴安全帽，防塵口罩進行作業。該段為破碎帶，及時做好監控量測點，觀測記錄數據。介于該段為斷層破碎帶，需要嚴格按照“弱爆破，短進尺，緊（強）支護，勤測量”的施工原則。洞內施工時應多進行變形測量，發現變形和其他安全隱患需要及時解決，以防止變形的發展和事故發生。

4 結語

通過對中部引黃輸水隧洞穿越典型斷層破碎帶，采用混凝土封閉掌子面，超前地質預報探測，全斷面布置鋼管進行預注漿加固，工字鋼進行鋼架支護，錨網噴護，噴射C 20混凝土回填密實的施工措施的工藝。

通過現場監控和安全通過得出以下結論：對不良地質洞段采取超前地質預報是非常必要的，其預報結果的準確性將直接影響施工工藝的制定。通過預報結果，選擇合理的開挖方法是施工安全的重要保證。采用超前管棚并注漿對圍巖進行預支護，使的圍巖固結保持穩定，有效防止和減少了拱部圍巖發生掉塊、塌方和變形，保證了施工過程的安全。穿越斷層破碎帶的施工過程中要按照“早預報、短進尺，弱爆破，緊、強支護，勤測量”的原則。

針對不同的地質圍巖情況，應做好地質超前預報工作，制定合理的開挖措施、支護方式和監測方案是十分必要的，使得穿越斷層破碎帶施工過程更加安全穩妥。