引水隧洞涌水粉细砂层洞段施工方案比选

2018-07-05张园园

水科学与工程技术 2018年3期

张园园

（山西省小浪底引黄工程建设管理局，太原 030002）

1 工程概况

小浪底引黄工程施工XI标主要工程内容包括2#隧洞52+966～59+590土洞段，14#，16#，17#支洞及临时工程等，主洞全长6.624km，纵向坡度1/3000，衬砌后主洞段面尺寸为3.8m×5.0m （宽×高）。3条支洞总长1268m，其中17#支洞全长302m，与主洞交汇点桩号为57+590.3，交汇点底标高477.71m，支洞出碴采用无轨运输。

2 地质情况

施工XI标16#支洞下游与17#支洞上游之间主洞控制段桩号为55+400～57+590，长2190m。 17#支洞控制主洞段上游前期地质勘察基本情况为：隧洞附近围岩以低液限黏土层为主，部分为含砂低液限黏土，局部夹薄层级配不良砂、级配不良砾和卵石混合土。17#支洞至16#支洞区间隧洞设计底高程在478m，设计洞底位于地下水位以上，但上部存在上层滞水，隧洞施工可能存在少量渗水现象。

在实际施工过程中，开挖至17#上游57+279掌子面时，地质条件发生变化，陆续出现干燥薄层级配不良砂层，砂层颗粒松散，无自稳能力，开挖时易发生坍塌变形；含砂低液限黏土，含细粒土砂层，颗粒松散、无黏结力；软弱土层，土体破碎，裂隙发育，开挖时易发生坍塌掉块现象，拱部渗水洞段，地下水作用下土体发生软化，开挖时易发生滑塌等不良地质现象。后续采用小导管施工并通过至56+434处。

3 发生突涌及方案比选

3.1 突涌发生过程

17#支洞控制主洞段56+434掌子面开挖时，隧洞拱顶出现直径1m的塌腔口，并伴随着出水，拱部土体及细砂颗粒逐渐从塌腔口向掌子面塌落；坍塌体随后堆满整个掌子面，掌子面出水量短时间内急剧增加，在右侧边墙起拱线附近形成泥沙流；涌泥堆积物推至距离掌子面70m位置后逐渐稳定。通过现场估算突涌坍塌方量1400m3。

通过仔细观察，塌落物介于为粉砂—粉土之间，含泥含水量大，遇水呈流体状，具有较大黏性，人员机械行走困难。该段岩性以低液限黏土为主，洞顶存在粉细砂层，有层间滞水，洞顶埋深100m，地表未发现塌陷变形。初步推断出该段塌方部位地层结构，如图1。

图1 塌腔地层推断

3.2 方案比选

3.2.1 超前大管棚注浆施工

洞内处理时，先对涌泥进行清理，在掌子面后一定距离做封堵墙，并用土石反压回填。对于塌方及塌方影响段的初支背后进行排水固结和注浆加固。对塌方空腔采用C25混凝土与M7.5砂浆相结合的方式回填加固［1］。塌方段采用超前管棚支护施工，并辅以大角度小导管注浆加固，直到固结后实施开挖，这不仅使开挖轮廓线的外圈形成一片棚幕，还能形成一层壳体，由于此次前方塌腔体极为松散，成孔困难，本次采用跟孔钻进的施工方法进行管棚施工。自56+434开始在拱部180°范围内设置管棚，管棚长度12m，搭接长度4m。钢管规格采用热轧无缝钢管φ108mm，壁厚6mm，仰角8°（不包括隧洞纵坡），方向与路线中线平行。管棚钢筋笼主筋采用φ20螺纹钢，每根管棚内设3根，长度12m，成等边三角形布置，三角形边长8cm，箍筋采用φ8圆钢，纵向间距30cm。注浆采用一次全钻孔注浆，水泥浆水灰比1∶1，配置水泥—水玻璃双液浆，注浆初压0.5～1MPa，终压2.5MPa。

在后续的施工开挖过程中发现，传统的管棚注浆等超前支护存在注浆压力不足，钻孔及注浆施工工艺不适应等问题，特别是在涌水粉细砂层上方存在较大水头的情况下，施工中出现钻杆裹钻、注浆时吃浆困难，注浆加固范围不均匀等问题，注浆效果难以保证，隧洞开挖施工过程中泥沙溃流，小规模突涌等问题持续发生，隧洞施工安全无法得到保证。

3.2.2 超前帷幕高压注浆施工

鉴于现场实际情况，结合类似工程施工经验，在掌子面施做第一循环超前全断面帷幕注浆止水加固施工。首先修建止浆墙和钻机操作平台，在止浆墙后方9m范围内施做径向注浆，以保证施工安全并防止初支在全断面注浆过程中受力变形［2］。第一循环超前全段注浆加固长度20m（含止浆墙），开挖长度15m（含止浆墙），预留5m作为下循环施工止浆岩盘。注浆孔终孔位置在开挖轮廓线外4m，浆液扩散半径在拱部为1.2m，终孔间距不大于1.9m，在拱部以下为1.5m，终孔间距不大于2.4m，共设20m终孔断面1个注浆断面，共计49个注浆孔，如图2。

图2 超前注浆开孔

拱部注浆孔在注浆完成后下入φ32玻纤锚杆，增加拱部出水位置围岩的连结性。注浆材料采用普通水泥—水玻璃双液浆，必要时采用TGRM超细水泥浆液配置或其他化学材料，水泥标号P.O42.5，普通水泥—水玻璃双液浆配比，即W∶C=（0.8～1）∶1，C∶S=1∶1。注浆工艺采用前进式分段注浆与钻杆后退式分段注浆相结合的施工工艺。注浆结束标准采取定压定量相结合的控制标准，注浆终压5～8MPa［3］。根据注浆情况可以对薄弱位置进行补充注浆。完成了1个循环（56+434～56+421.5）的注浆及开挖试验段施工，如图3～图5。

超前全断面帷幕注浆起到了较好的止水及加固效果，开挖过程中掌子面渗流量明显减少，围岩处于干燥状态，局部有渗水现象，围岩稳定无掉块现象。但同时全断面帷幕注浆存在施工周期长（90d），局部注浆效果不好，注浆控制难度大，造价较高等缺点。

图3 超前注浆终孔横断面

图4 超前注浆纵断面

图5 超前水平旋喷纵剖

3.2.3 超前水平高压旋喷结合超前帷幕注浆施工

对国内相类似工程借鉴学习后［4］，从地质情况、施工安全、施工效率等角度综合考虑，决定采用“超前水平旋喷+超前帷幕注浆”相结合的处理方式。

采用“超前水平高压旋喷+超前帷幕注浆”方式通过17#支洞主洞控制段上游涌水砂层地段，其施工原理为：利用超前水平高压旋喷桩在开挖轮廓线周边形成止水帷幕墙，并对砂层起到刚性承载支护的作用，利用超前帷幕注浆对地层空隙进行填充止水及加固，并在掌子面前方形成止水帷幕，最终在隧洞周边形成封闭的止水帷幕，将地下水隔阻于开挖轮廓线之外。结合现场上一循环超前全断面帷幕注浆及开挖施工情况，并根据围岩地质变化情况，自里程桩号56+421.5开始，采用超前水平旋喷+超前帷幕注浆方式施工［5］。

3.2.3.1 超前水平高压旋喷加固

在开挖轮廓线周边及掌子面施做超前水平高压旋喷桩，每循环施工长度为15m（考虑到水平旋喷桩存在一定的外插角，为保证施工安全及效果，每循环旋喷桩施工长度不宜过长），开挖长度10～11m（视围岩情况而定），预留4～5m作为搭接。根据砂层的分布情况，如砂层集中在掌子面起拱线以上，洞身周边旋喷桩共设100根，掌子面旋喷桩共设11根，共计111根；如为全断面的砂层，根据砂层分布情况调整增加旋喷桩数量。

周边水平旋喷桩共布设三环（考虑到水平旋喷桩咬合效果不容易检测，并参考国内其他类似工程处理方式［6］），其中外环及内环旋喷桩在拱部180°范围打设，中环旋喷桩沿开挖面周边全环布设。周边水平旋喷桩开孔在初支内侧向内5cm，桩径500mm，外环旋喷桩外插角5°25′37″，中环旋喷桩外插角4°17′21″，内环旋喷桩外插角3°8′53″，外环旋喷桩开孔环向间距29cm，中环旋喷桩开孔环向间距28cm，内环旋喷桩开孔环向间距27cm，10m断面处中环拱部旋喷桩环向间距37cm，咬合13cm。高压旋喷灌浆采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为W∶C=（0.8-1）∶1，灌浆压力45～50MPa。根据地质条件和涌水量，水泥浆浆液可适当调整配比以进行优化。

外环拱部180°范围内的旋喷桩在旋喷完成并凝固之后，桩内钻孔下入φ76管棚（无缝钢管，单根长度15m，壁厚4mm），增强旋喷桩的抗剪能力，同时对φ76管棚进行水泥-水玻璃补充注浆止水，水泥—水玻璃双液浆配比：W∶C=（0.8-1）∶1，C∶S=1∶1，注浆压力1～2MPa，另一方面φ76管棚还起到了增强旋喷桩抗剪能力的作用；掌子面布设11根φ500稳定桩，外插角0°，增强开挖面整体稳定性；旋喷体设计抗压强度≥3MPa（参考国内类似工程经验［7］）。如图6～图7。

图6 水平旋喷开孔示意图

3.2.3.2 超前帷幕注浆

根据掌子面前方砂层分布情况，对掌子面上台阶部位进行注浆堵水加固，注浆长度15m，开挖长度10～11m，预留4～5m作为下循环止浆盘。注浆孔浆液扩散半径1.0m，共布设10个（后续循环施工根据砂层高度及分布面积的变化情况增加或减少注浆孔）。

注浆材料采用普通水泥—水玻璃双液浆，普通水泥—水玻璃双液浆配比：W∶C=（0.8-1）∶1，C∶S=1∶1。注浆工艺采用钻杆后退式分段注浆与集束TSS管注浆工艺相结合的施工工艺。注浆结束标准采取定压定量相结合的控制标准，注浆终压5～8MPa。注浆结束后，根据探孔检查情况，如发现注浆薄弱部位须进行补充注浆［8］，如图8。