引水隧洞断层破碎带施工措施

马爱冬

（闻喜县水务局 043800）

1 工程概况

石门引水新水源工程，是将山西省闻喜县中条山南麓石门乡的横榆河和石门河的地表水，通过建闸修坝拦蓄河水，开凿引水隧洞（总长13.36km，断面尺寸1.6m×2.0m），将水自流引入已建成的小涧河水库进行调蓄后，通过长21.25km、直径600mm的输水管道，再将水自流输送至闻喜县城用水户。

2 石门隧洞工程地质情况

引水隧洞需要穿越中条山系及涑水盆地的低中山、黄土丘陵、涑水盆地山前洪积扇及冲积平原等复杂地形。岩性主要由太古界变质岩系及新生界的冲、洪积物构成。

引水隧洞工程穿越地区由于地层软弱岩性（砂质泥岩）较多、地质构造破坏严重、地下水发育，因此极不稳定围岩类型所占比例较大，常发生塌方事故，施工难度较大，如果不及时采取科学可行的施工措施，将会极大地影响施工安全、工程质量和进度。

石门引水隧洞桩号4+969～5+012段通过F1断层，该段层为压扭性逆断层，断层走向N53°E、NW∠7°，断层长度16.4km，断裂带宽度10m，破碎带中岩石强烈破碎，可见有擦痕。

断裂两侧地层岩性为上元古代吕梁期花岗岩，块状构造，粒状结构，夹有方解石脉体，基岩表面呈全风化状态，全风化层厚3～5m，强风化层厚度20～30m。裂隙主要发育有两组，产状分别为 N73°～78°E、SE∠79°；N3°～8°E、SE∠57°，裂隙宽度0.4～10cm，被砂土充填。上覆围岩厚度405～420m。该段位于地下水位以下，洞段有涌水等情况。

3 不稳定围岩的施工措施

3.1 超前固结灌浆

在开挖前，先对隧洞断面周边进行灌浆固结，使开挖断面外2m范围内的围岩固结密实。

为防止灌浆时浆液从掌子面外流，首先在灌浆前向掌子面喷射5cm厚的C25混凝土，形成止水层；其次沿隧洞断面周边以50cm的间距钻注浆孔，孔径φ40，孔深3m，以与洞轴线方向30°和40°的夹角交错布置；再次将3.20m长的灌浆导管装入注浆孔内，外露20cm，孔口用锚固剂堵塞密实，以防漏浆；最后将纯水泥浆或水泥—水玻璃双浆液并掺加适量速凝剂压入注浆管内。浆液配合比一般为水泥浆水灰比为0.8～1.2；水泥浆：水玻璃浆为1∶0.5（体积比）。施工时根据实际情况另行调整。当注浆压力达到设计注浆压力0.2MPa停止吸浆时，即可结束。

3.2 超前支护

3.2.1 超前锚杆施工

对岩石稳定性较差地段，为保证开挖正常进行，需采用超前锚杆提前进行支护。超前锚杆采用手风钻造孔，用注浆机将砂浆注入锚杆孔中，然后安插锚杆。超前锚杆上倾角控制在5°～10°，孔深不小于单循环进尺的3倍。

3.2.2 超前注浆小导管施工

对洞身围岩断层带，为保证成洞稳定，施工中采用超前小导管，先对围岩进行加固，然后再进行开挖。超前小导管长度3.50m，环向间距20～30cm，小导管采用φ42钢管。

超前注浆小导管施工中采用YQ100B或手风钻钻孔，人工安装插管，MZ30注浆机灌注水泥砂浆，灌浆压力初步选为0.2MPa，施工时根据现场试验确定灌浆压力。若断层地下水丰富，则采用双液注浆泵同时注入水泥和水玻璃浆液。

3.3 开挖

在V类围岩隧洞控制循环进尺是非常重要的安全措施。该断层采用循环进尺为0.5m，有效地限制了围岩变形的速率，避免了围岩变形突然释放造成的施工塌方。

3.4 初期支护

由于断层破碎带岩体软弱破碎，再加上地质构造影响，隧洞开挖后变形发展迅速，仅靠锚杆或钢筋网喷混凝土支护不足以抵抗围岩的有害变形的发展。因此，石门引水隧洞F1断层带采用开挖后紧跟支护方案，即锚杆+挂网+钢拱架+喷射混凝土联合支护形式。隧洞底部安设钢拱架与边墙拱架焊为一体，使得支护形成较为稳定的支护闭合环。钢拱架支护间距0.5m/榀，拱架间连接采用φ22的纵向连接筋焊接，间距为1m。

钢拱架间设置拉杆并用喷射混凝土填平，钢拱架垂直于隧洞中心线架立。当钢拱架和围岩之间间隙过大时设置混凝土垫块，再用喷射混凝土充填密实。钢拱架安装就位后，采用喷射混凝土使钢架与洞壁围岩贴紧；喷射混凝土时，先喷射钢架与壁面之间，再喷射钢架之间，同时对破碎软弱地段的围岩稳定进行监测，遇有危险情况，及时采取增强钢拱架等措施，进行调整、修补和置换。

4 不稳定围岩的预防措施

4.1 围岩量测

地下开挖工程的安全监测，已成为地下开挖工程施工过程中不可缺少的内容，也是地下开挖工程采用动态方法进行设计的信息来源。按照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086—2001）要求，围岩稳定的判别依据为：围岩变形总量已完成允许变形量的90%；变形速率已明显下降，变形速率小于0.2mm/d，定拱沉降变形速率小于0.15mm/d。因此，根据石门引水隧洞地质特征，布设收敛和顶拱沉降量测。收敛和顶拱沉降量测对施工干扰小、测量速度快、数据直观、便于应用，隧洞周边相对位移变化能够综合反映围岩稳定状况与支护效果。

4.2 重点观测部位

在施工期间，要进行地质观测和预报，对可能出现的不良地质问题（如对围岩发生岩爆、片帮、岩石开裂、掉块、坍塌、支护变形、地下涌水等）随时观测，判断其是否有变形破坏趋向。对隧洞揭露出来的各种主要地质现象，及时进行编录与测绘。主要包括地层岩性、构造特征（断层、节理、挤压破碎带及结构面组合形态）、围岩稳定性、塌方掉块位置、塌落高度及方量、围岩处理措施、岩石风化程度、地下水活动特征。一般重点观测如下部位：

a.洞顶薄层状岩体，又有几组结构面破坏，形成了平铺板状体，易塌方地段。

b.顶拱或两壁夹有较厚的软弱夹层地段。

c.边墙有与洞轴线将近平行的陡倾角节理、裂隙，易滑塌、片帮的洞段。

d.隧洞顶部的屋脊形（即人字形）结构面组合地段。

e.隧洞顶拱出露较多滑动镜面的地段。

f.散体结构、且有地下水活动的较大断裂破碎带洞段，观察其塌落发展情况。

g.地下水集中溢出点位置，观察其出溢状态、对围岩稳定影响情况。

h.观察施工爆破，对围岩卸荷松动，裂隙张开等影响程度。

i.对隧洞深埋洞段，观察地应力、山岩压力对隧洞围岩是否有变形破坏。如岩层有无产生蠕变、片帮、片状剥落、岩层开裂、裂隙加宽、小的掉块、声响和岩爆现象。

j.对初次支护后，随时间变化，观察混凝土有无裂缝、拱架是否变形。

k.对围岩失稳部位，观察其塌落类型、规模、时间、原因及处理情况。

l.对开挖的围岩类别经常巡视观察，特别是设计与实际情况不符时，更要及时观察。

5 塌方处理

5.1 小塌清，先支后清

当塌方不大，可采用清理的办法处理，但清理之前必须将塌方的顶部支撑牢固，以防继续塌落，在支撑保护下，再清除塌方。如果不支先清，则越清越塌，越塌越大。因为当围岩首先塌方后，自然拱范围内的土石不一定塌完，还有继续坍塌的可能，塌方隧洞的两侧，洞壁常常不稳定，先清除塌碴后，会使侧壁失去平衡而松动塌落，隧洞因塌方而增宽，进一步导致自然拱增高而再次塌方。

5.2 大塌穿，先棚后穿

当塌方体数量很大，一时难以清理，甚至塌穴的形状、大小都无法查明时，则可将塌方体看成一个松散破碎的地层，采用开挖导坑的方法穿越塌方体。穿越前必须将塌方部位的两端支顶牢固，防止塌方延伸。穿越时，在导坑顶部用钢管插入塌方体，形成棚顶，在棚顶的保护下，逐步开挖掘进。

5.3 衬砌的加强措施

塌方地段的地质条件不好，塌方形成的围岩更加松软、错乱，会形成更大的山岩压力。因此，必须加强衬砌，并对衬砌混凝土和围岩之间的空隙进行回填石渣后，再用水泥进行回填灌浆。

6 结语

石门引水隧洞工程施工过程中，对地质情况复杂、围岩破碎、地下涌水量大的洞段，采用了有效的施工措施和预防措施，保证了施工安全。