中部引黄工程石楼至隰县段隧洞开挖特殊地质情况的处理方法

王建文

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原030024）

1 工程概况

1.1 工程范围

中部引黄西干线石楼-隰县段隧洞（主洞桩号西35+565.3～86+123.17）在石楼境内主要由13#～18#支洞及交通洞进入主洞，隰县境内主要由19#～24#支洞和主洞相连，最后与蒲大支线衔接，总长50.56 km。

1.2 工程地质

施工区域内覆盖层主要为：第三系上新统低液限黏土、卵石混合土；下伏地层主要为三叠系中统二马营组上段砂岩与泥岩互层、三叠系下统和尚沟组泥岩夹中细砂岩。施工支洞从覆盖层进入，穿越地表水位及地下水位线进入主洞，沿线可能出现涌水、涌砂、隧洞不能自稳的情况。进入主洞后围岩类别以Ⅳ、Ⅴ类为主，隧洞开挖后由于应力释放后的重新分布、节理裂隙面的影响、小型断层破碎带的控制可能出现局部坍塌和塌方。根据以上情况，需采取不同的施工方法予以处理，以保证工程的顺利实施。

1.3 隧洞的断面型式

隧洞支洞为城门洞型：净宽3.65 m，高3.2 m；隧洞主洞岩石段为城门洞型：净宽2.5 m，净高3.24 m，直墙段高2.2 m，顶拱中心角135°，半径1.35 m；隧洞主洞土洞段为马蹄型：R1、R2分别为1.5 m、3 m。隧洞开挖过程中根据围岩类别初衬和二衬的厚度予以控制开挖尺寸。

2 特殊地质情况的地质监测

2.1 超前地质预报

引水线路工程在施工前期地质资料不可能把每一断面的地质情况详细勘查，而在实施过程中需要动态掌握详尽的地质情况，特别对于富水段和地质围岩较差的地段要提前掌握，在西干线隧洞施工中对于不良地质的洞段，首先采用了超前地质预报办法予以解决。

本线路段主要采用地球物理勘探中的超前地质预报系统（TSP203）对掌子面前部岩体进行探测：该方法属于多波多分量高分辨率地震反射法，地震波的产生用小量炸药激发产生，当波束遇到波阻抗差异界面会将信号反射回来，经过多次反射叠加形成比较明显的信号反馈，经过数据处理便可了解前方地质体的性质（含水地层、断层破碎带、软弱岩体等）。在得到准确地质资料的情况下，制定了确实可行的施工方法，保障了项目的安全实施。

2.2 变形观测

隧洞开挖结束后，原有的地应力会重新分布，正常情况下随着时间的推移地应力在7～10 d内会逐步降低，故在隧洞开挖结束后12 d内对围岩变形观测需严格按规范要求进行，本项目采用双分量收敛观测仪进行，当围岩变形呈逐步加大的情况，需立即停止施工，设备和人员撤离现场，待现场自然垮落稳定后，再采用工程措施予以实施。

3 特殊地质情况的处理方法

3.1 承压水涌水的处理方法

在隧洞支洞开挖过程中，16#、19#支洞出现了水压力大于0.5 MPa的承压水，其中，19#支洞开挖至支洞桩号0+450处进行风钻作业时瞬时涌水将施工器具淹没，涌水倒流淹没支洞150 m，因现场排水设施和用电负荷不能满足要求，该洞口停工约1个月左右，在此期间邀请大水办的专家及设计院进行现场调研，提出了以下解决办法：

1）在支洞里程0+305处设立支洞集水坑容积120 m3泵站，泵站建设如下：泵站集水坑底面要低于支洞3 m左右，大小根据涌水水量来确定；基底采用喷射混凝土及土工布防渗，具体开挖尺寸为：8 m×5 m×6.5 m（长×宽×高），采用三台75 kW、流量100 m3/h、扬程120 m的泥浆泵（其中一台备用），用桁架架立于集水坑内，高于最高水位0.5 m的位置，抽水能力可以满足需要；输水管径的选择，根据水泵的设计出水管径、排水量与抽水能力等确定，管内平均流速在1.5～3 m/s时对管体磨损较小；本项目以200 m3/h的极限排水能力配备排水设施，采用两根直径200 mm的厚壁铁管作为排水管道，才能够满足排水需要。同时每根管子上都安装了调节水阀，平时排水量小的时候，可根据实际情况关闭一根作为备用，确保洞内施工安全。

前期设计用电负荷不能满足现场需求，经研究决定扩容，新增一台400 KVA变压器后才能满足，故对于富水区要提前考虑架设专线确保现场用电负荷。

2）掌子面超前注浆

为了保证掌子面的正常施工，需要采用“排堵结合”的处理原则，首先对后续开挖段进行超前地质预报（TSP），结果显示在0+405～0+431段岩体较破碎，节理裂隙较发育，裂隙水较发育，在0+455～0+499、0+540～0+555裂隙水可能较发育，整体趋势围岩强度变化不是很大。根据地质预报结果和现场施工工艺，在0+405决定进行28 m超前注浆，在0+453进行47m超前注浆，在0+538进行18 m超前注浆，在可能出现的涌水前2 m预留保护层，在钻孔末端进入完整岩层1 m，掌子面的钻孔采用梅花形布置，孔间距1 m，对贴近洞壁的钻孔预留20 cm，且沿洞轴线向洞外倾斜5°～10°。进行钻孔灌浆。

灌浆孔直径不小于Φ50，采用水泥-水玻璃双液注浆，其中水泥浆液水灰比为1∶1，水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度采用51波美度，水泥浆与水玻璃体积比1∶1，根据钻孔的位置和深度对水玻璃的浓度可进行适当调整，灌浆压力大于承压水压力0.5 MPa。保证洞壁5～8 m范围内裂隙充填水泥浆液达到止水目的。

3.2 对塌方段的处理方法

20#支洞控制主洞开挖过程中，主洞桩号64+302～64+289段在支护结束一周后，洞壁右侧发现了明显的变形，经连续变形观测发现收敛值达到11.3 mm/d，根据现场情况监理工程师及时下达停工通知：要求人员和设备撤离现场，12 d后右侧墙体全部垮塌，未造成人员和财产损失的重大损失。经现场查勘该段围岩岩性为三叠系中统二马营组上统砂岩与泥岩互层，由于小型断层的影响，岩石破碎且受应力释放沿薄弱处迸发，造成了本次塌方。

针对出现的问题，为防止该段岩体继续滑塌，采取以下处理方案：

1）在64+302～64+289段自下导拱脚堆积高度为2m的渣体反压。

2）对塌方体岩面进行钢筋网片锚喷支护稳定，保证岩面不再坍塌。

3）待围岩稳定不再滑塌后，补立I14钢支撑，且设立底拱和拱架底焊接为一体。

4）为防止洞内涌水对围岩稳定性及施工安全的影响，主洞64+302～64+289段采用水泥-水玻璃双液浆注浆加。固结灌浆具体要求：在主洞塌方段轮廓线上布置注浆孔，注浆孔向外倾斜，与主洞壁夹角为15°。采用Φ42×3 mm钢花管，L=350 cm。钻孔孔径为50 mm，孔深350 cm，纵环向间距100 cm，每环6根，共13环，梅花形布置，灌浆压力0.3 MPa。

5）对主洞64+302～64+289段待钢管支护处理完毕后，拱顶和拱腰初期支护开孔20 cm×20 cm，采用C20喷射混凝土对塌腔进行分层回填处理，每层回填厚度不大于20 cm。

6）施工结束后对塌方体渣体及反压渣体集中外运至洞外渣场。

3.3 对涌砂段的处理方法

2016年3月30日20#施工支洞在隧洞支洞0+100右侧拱脚处出现涌砂，且涌砂量有明显加大趋势，砂水量约7 m3/h，为避免钢拱架上方流沙掏空，导致可能更大面积塌方情况出现，施工现场针对此情况及时向业主及监理汇报了情况，经业主、监理、设计、施工单位对现场做了详尽的勘测，大家一致认为在支洞0+065～0+150为砂卵砾石段，且隧洞穿越古河床，洞顶高程低于地表水位线，需尽快对0+100前后15 m共30 m范围进行工程处理，具体处理方案如下：

1）受地质条件及环境因素的影响和控制，20#施工支洞采取“以堵为主，清水排放”的注浆堵水原则。

2）加强初期支护，初期支护拱脚用注浆锚管固定，一次支护加强。

3）初期支护底部空腔用C20混凝土回填，预留排水孔，排水管选用Φ50 PVC花管，一端用土工布包裹，一端用于排水，保证出水压力能够及时释放。

4）在支洞0+85～0+115段初支与砂卵砾石间空隙采用注浆处理，灌浆浆液应以双液浆为主，辅以单液浆固结，做到回填密实。

5）施工过程中，采取必要的堵塞泥砂措施，避免出现流砂掏空。

6）对已施工段落掏空钢拱架拱脚的部位，进行浇筑混凝土护脚，以防因拱脚悬空，造成拱架失稳。

4 结论与建议

针对隧洞开挖不同的特殊情况，需采取合理的措施，地质监测措施必须保障在前，施工方案落实在后，通过对以上施工方法的总结，为今后水工隧洞开挖工程提出新的合理化措施，与此同时，为项目安全顺利实施提供着实有效的保障。