某引水隧洞工程穿越巖溶區圍巖處理措施

陳旭盛

(吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130000)

1 概述

某引水工程采用TBM工法,成功穿越7.6km 巖溶區,證實了前期確定穿越巖溶區的正確性。穿灰巖線路方案施工工期為32 個月,繞灰巖線路方案工期為41.3 月。穿灰巖線路方案從飲馬河進口進入TBM3 掘進段較短,能夠充分發揮TBM掘進效率。其工期較繞灰巖線路方案短9.3 個月。穿灰巖線路方案總投資102148.21 萬元,繞灰巖線路方案總投資126921.50 萬元。

2 巖溶區地質條件

總干線在石門子河至飲馬河段線路的地質巖性主要以石灰巖為主,地層巖性主要為古生代石炭系與泥盆系灰巖、石炭系凝灰巖、三疊系凝灰巖、侏羅系凝灰巖等。共穿越斷層9 條,物探低阻異常帶15 條,遙感解譯斷層5 條,4 處物探低阻區。

石炭系灰巖礦物成份CaO 含量多數大于96%,巖脈巖性以蝕變安山巖和玄武巖為主,巖溶充填物紫紅色粘土主要殘積成因,灰色粘土屬于后期外來充填或可溶巖中非溶巖夾層充填。

巖溶發育主要為溶蝕現象,溶洞或溶縫較少,該地區的溶槽、溶孔、溶隙巖溶均發育在淺部,對開挖隧洞影響很小。線路的主要工程地質問題是涌水、涌泥和可能遇到空洞。發生大規模涌水突泥的概率不大。

本工程的工程地質和水文地質資料,穿灰巖線路方案的巖溶現象可分為:

①從充填特性及充填物性質上屬于充填粘土含碎石型巖溶；②從巖溶形態及規模上主要屬于溶蝕裂隙、溶蝕寬縫和小型溶洞,其中以溶蝕裂隙和溶蝕寬縫為主；③從涌水量上屬于少量涌水型～中等涌水型巖溶。

圖1 揭露溶洞照片

圖2 支護照片

圖3 典型地質照片

3 穿越巖溶區支護與襯砌設計

總干線隧洞穿越巖溶區以Ⅲ類圍巖為主,TBM 法支護結構參數:支護參數C20 噴混100,C25 鋼筋砼襯砌300,頂拱120°范圍布置錨桿φ22@1200,L=2.5m,掛設φ8@200鋼筋網。鉆爆法支護參數:C20 噴混120,C25 鋼筋砼襯砌300,頂拱120°范圍布置錨桿φ22@1200,L=2.5m,掛設φ8@200 鋼筋網。

4 穿越巖溶區圍巖處理

穿越巖溶區施工過程中主要產生的問題是揭露溶洞溶腔時局部的塌方以及涌水,在掘進過程中已采用工字鋼以及鋼筋網對揭露溶洞溶腔進行了初期支護處理,后期,對已揭露的溶洞進行C20 細石混凝土進行填充、加固處理；對于已揭露溶蝕裂縫、溶蝕寬縫等進行水泥漿填充、加固處理。同時,為了滿足隧洞襯砌后與巖體聯合受力的結構設計要求；保證隧洞襯砌工程質量,確保工程通水運行期間的輸水安全,決定對該段灰巖區兩倍開挖洞徑范圍內的溶洞、溶腔、溶蝕裂隙等巖溶進行探測及固結灌漿處理。

灌漿加固深度按洞徑和水力滲透梯度要求確定,灌漿壓力根據內水壓力及圍巖條件綜合確定。根據《水工隧洞設計規范》(DL/T5195-2004、SL279-2002)要求,固結灌漿孔深入圍巖的深度不小于1 倍的隧洞半徑,灌漿壓力為1～2 倍的內水壓力；同時按圍巖抗滲穩定要求,參考類似工程經驗,灌漿壓力取0.3～1.5Mpa,灌漿深度取5m,灌漿孔間距Ⅳ類圍巖取3m×3m,Ⅴ類圍巖取2m×2m。一般溶蝕裂隙或溶孔發育洞段灌漿深度取3m。

5 穿越巖溶區后期處理

該段隧洞完成二次襯砌以及回填灌漿工作完成后,建設單位委托第三方機構對灰巖區采用地質雷達進行了一次全面探測,探測出多處異常區,探測結果多為溶洞溶腔、溶蝕裂縫。(表1)

表1 某段右拱肩檢測異常推斷統計表

為此,根據巖溶的不同規模擬采取5 種方案:(1)對于無填充溶洞采用C20 細石混凝土在隧洞開挖兩倍洞徑范圍內由遠及近進行填充；對半填充溶洞采用水泥砂漿進行填充；對全填充溶洞采用水泥漿進行加固。(2)對于無填充溶蝕寬縫、溶蝕裂縫采用水泥砂漿進行填充；對半填充及全填充溶蝕寬縫、溶蝕裂縫采用水泥漿進行加固。(3)對于對溶孔、小溶腔采用水泥漿進行加固。(4)對于出水量較大的采用水泥漿結合化學漿液進行注漿堵水(5)對于存在隱伏溶腔、溶洞的IV、V 類圍巖段,注漿加固處理灌漿孔布置應與固結灌漿鉆孔布置相結合。

圖4 隧洞施工支護襯砌斷面圖

但是,實際施工時產生了許多問題,一是地質雷達探測出多處異常區,探測結果多為溶洞溶腔、溶蝕裂縫,經過實地鉆孔探查,發現實際存在的空腔很少,且全部為小型的溶蝕裂縫,二是溶蝕裂縫延伸遠,大量涌水且注漿量極大。增加了費用影響了通水目標。

在多次會議就有關問題進行研討,并積極咨詢專家協助下,對處理方案進行了如下優化:

(1)對無填充溶洞,采用C20 細石混凝土回填一倍洞徑厚度,對于回填灌漿圈以外的隱伏溶洞不進行處理,對半填充及全填充溶洞先進行沖洗后用C20 細石混凝土置換；(2)對溶蝕裂縫采用水泥漿進行填充,水泥漿水灰比1:2；(3)對于鉆孔內無空腔的孔,在清除孔內積水與污物后,使用干硬性水泥砂漿封填密實,孔口壓抹齊平。施工過程中為了防止注漿壓力過大使空腔擴大,必須使注漿壓力保持在0.2-0.3Mpa,并控制注入量在30L/min 以內。(4)本工程為城市供水工程,注漿材料不建議采用化學灌漿。

現舉出一處巖溶處理措施如下:

施工單位結合物探成果與物探擬定范圍進行鉆孔復核,鉆孔采用梅花樁式,間隔為2.5m,深度鉆至物探成果擬定隧洞最大范圍處,使用針孔攝影設備探測鉆孔內實際情況并由地質專業人員確認是否有空腔并對內部情況進行描述,后由設計人員現場擬定是否進行處理及出具處理方案。(1)樁號XX+xxx～XX+xxx 段(YR178)共布置6 個孔,分布在左側腰線,實際孔深2.5m。該段開挖揭露巖性為泥盆系中下統灰巖,弱風化,淺灰色,結晶結構,層狀構造。開挖確定為IIIb 類圍巖。物探成果推斷為充水溶洞。起始深度1.5m,終止深度2.5m,長度14.0m,深度1.0m。鉆孔YR178-1-1、YR178-2-1、YR178-3-1、YR178-6-2,巖體完整,潮濕。鉆孔YR178-4-2,1.0～1.3m 處見0.3m 溶蝕裂隙,巖體破碎,潮濕。鉆孔YR178-5-1,1.0m、2.5m 處見線流狀出水點,1.5～1.7m 見0.2m 溶蝕裂隙,2.5～2.6m 見0.1m 溶蝕裂隙,巖體局部破碎。鉆孔YR178-5-1,鉆孔過程發生卡鉆現象。

(2)根據地質描述,現對該處灰巖巖溶加固處理方案如下:a.對于出水的鉆孔,先進行堵水；b.堵水后,對該范圍進行加固處理,使用水泥漿對裂隙進行填充；c.注漿壓力保持在0.2～0.3Mpa；注入量控制在30L/min 以內,若累計注灰量大于3t 時,需待凝4～8h；注入量低于15L/min 即可停止灌漿。

圖5 YR178 成孔照片

6 效果

該工程已于2021 年7 月7 日開始向隧洞內充水,目前滿負荷狀態超過三個月,運行工況正常,無滲漏現象。

圖6 YR178-4-2 孔內照片

圖7 YR178-4-2 孔內照片(可見溶蝕裂隙)

7 結論

7.1 宜結合TBM掘進期超前地質預報、圍巖涌水等特征判定偏大溶腔位置、特征等。

7.2 此段偏大的溶腔宜在二次襯砌前處理。

7.3 地質雷達探測出的異常區需要大量實測成果驗證,不宜在圍巖襯砌結束后進行。易影響工程正常進度。