小浪底引黄工程2#主洞段施工地质预报及塌方处理措施

赵成荣

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概况

山西省小浪底引黄工程位于山西省运城市，北依吕梁山与临汾市接壤，东峙中条山和晋城市毗邻，西、南与陕西省渭南市、河南省三门峡市隔黄河相望。工程总体走势为东南～西北向，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。其任务是解决山西省运城市的盐湖区、夏县、闻喜县、绛县、垣曲县五县农业灌溉、工业及城镇生活、生态用水问题。年引水量为2.47亿m3，其中农业灌溉1.16亿m3，工业及城镇生活供水1.16亿m3，生态用水0.15亿m3，设计流量20 m3/s，灌溉面积4.24万hm2。引水干线起始于垣曲县境内板涧河河口右岸的小浪底水库库区，终止于闻喜县境内的吕庄水库，总长度59.6km。其中2#主洞段从桩号23＋295～26＋860，长度3.565km由山西省水利建筑工程局采用钻爆法施工。

2 水文地质

2#主洞线上有多条断层，该洞段穿过地层为震旦系下统许山组（Z1X）安山岩夹透镜状凝灰岩和页岩，岩性坚硬性脆，一般为坚硬岩，具有气孔和杏仁状构造。部分地段为凝灰质泥岩。在F19断层破碎带围岩主要为砾岩、角砾岩夹石英岩，岩体总体透水性、富水性较好，断层带两侧及接触带可能形成富水带，可能产生突水、突泥现象。

3 隧洞地质预报

3.1 图纸预测

2#主洞上游主要通过震旦系下统马家河组（Z1m）安山岩，鸡蛋坪组（Z1j）安山岩夹页岩、砂岩、灰岩，许山组（Z1x）安山岩夹透镜状凝灰岩和页岩具有气孔和杏仁状构造。本隧洞位于地下水位80～130 m，地下水主要赋存于隧洞段表层风化带，地下水类型主要为岩浆岩类裂隙水，下部微风化及新鲜基岩为相对隔水层。隧洞围岩主要位于新鲜岩层内，透水性总体较弱。施工可能存在渗水或少量涌水现象，局部裂隙发育和岩组接触带段可能存在涌水问题。

2#主洞下游主要通过震旦系下统担山石组（Z1d）角砾状砾岩、砾岩、石英岩夹页岩，砾石成分主要为大理岩，25＋300～25＋350段为震旦系下统担山石组与中条群余家山组的角度不整合接触带。总体按Ⅳ类围堰考虑规模较大的变形和破坏可能发生。隧洞底高程位于地下水位以下，围岩主要为砾岩、角砾岩夹石英岩，岩体总体透水性、富水性较好，施工中在断层带处可能产生突水、突泥现象，宜引起重视。

对洞段地质结合地质图纸进行现场勘测，确定围岩类别。然后针对不同的围岩采取不同的施工方案。对Ⅲ类围岩，素喷C20混凝土厚度为80 mm；对于Ⅳ围岩，打系统锚杆及挂网素喷C20混凝土厚度为100 mm喷护；对于Ⅴ类围岩，打系统锚杆、钢拱架支护、挂网、喷C20混凝土厚度为120 mm喷护。

3.2 钻孔预测

用YT-28气腿式风钻钻孔，进行超前钻探，即在掌子面沿洞轴线方向钻2～3个6m的孔预测前方岩石好坏。然后进行弱爆破、短进尺、强支护，避免出现严重塌方。

1）如果钻孔时钻机声音浑亮，岩粉排出顺利，说明此处岩石可以，可以进行正常施工。

2）如果钻孔时钻杆拔不出，且岩粉不能顺利排出，说明此处围岩极差要进行弱爆破、短进尺、强支护，缩短循环时间，尽快形成支护封闭结构，避免出现严重塌方。

3）如果钻孔时孔内有水喷出，这时要考虑岩溶水或裂隙水的存在，对孔内出水量要严加注意。如果水量加大，要考虑涌水、突水的可能；对洞内渗水也要勤观察多注意，洞顶如果出现少量不均匀渗水，属于正常现象；如果出现大面积渗水且渗水形成水珠悬于洞顶似掉非掉，就要考虑洞顶有岩溶水或突泥存在的可能；如果出水变得混浊，说明洞内围岩在不断坍塌；如果出水由混浊变清，说明坍塌基本稳定。这时就要及时采取排水措施，不得进行爆破开挖，避免突水、突泥事故发生。在可能发生涌水、涌泥的洞段，按“早探明、预注浆、快封闭，堵排结合，节制排放”的原则进行施工。隧洞涌水量可能较大，同时隧洞排水也易引起地下水环境问题，建议对此洞段施工时对地下水采取封堵措施，而尽量不采取排的方式，以减少或避免对泉域地下水环境的影响，发生重力坍塌可能性较大。

3.3 专家预测

采取有经验的地质工程师跟班判断再加以超前探测的方法，准确预报前方地质情况，按“早探明、预注浆、快封闭，堵排结合，节制排放”的原则进行施工。

4 塌方处理

钻爆法施工洞段支护工程主要包括砂浆锚杆、钢筋挂网、钢拱架、喷混凝土、超前小导管及注浆的施工。

4.1 塌方处理施工具体措施

4.1.1 砂浆锚杆施工

水平方向及斜向下的锚杆采用先注浆后插锚杆的方式进行，其施工程序为：清除危岩→喷第一层混凝土→造孔→注浆→插锚杆→待凝。

斜向上及垂直向上的锚杆采用后注浆法施工，其程序为：测量定位→造孔→洗（冲）孔→安装锚杆→灌注水泥砂浆→检测。

4.1.2 钢筋挂网喷混凝土施工

钢筋挂网喷混凝土施工程序为：初喷混凝土→锚杆→挂钢筋网→标识喷混凝土厚度→第二次喷混凝土至设计厚度。管棚搭设后，挂设φ8钢筋，网格间距为100 mm×100 mm或50 mm×50 mm的钢筋网片，保证人员安全，然后喷C20混凝土。

4.1.3 钢拱架支撑施工

钢拱架支撑施工程序为：根据设计形式在钢筋厂放样并分段加工→型钢支撑拼装→型钢支撑固定。第一榀钢拱架拱顶范围环向布置2～3排灌浆钢管，呈梅花型布置间排距25～30 cm，钢管φ42mm，长度6m，单排管间距20～30 cm。在灌浆钢管上设若干φ5mm梅花孔进行固结注浆。在坍塌段每安装1榀钢拱架设置一排管棚，顺利穿过坍塌段后，仍用超前导管灌浆，直至围岩稳定。

4.1.4 超前小导管及注浆施工

超前小导管及注浆施工程序为：钻孔→超前小导管安插→注浆→待凝。

根据本工程条件，钢拱架支撑好后进行挂网喷混凝土，然后对拱顶部位采用水泥注浆，水灰比1∶1～1∶2，同时添加速凝剂加快浆液凝结速度，压力控制在0.2MPa之内，加压应由低到高逐渐增加，不可一次增至0.2MPa。当注浆压力达到0.2MPa后，稳定注浆10 min或注不进浆液时方可终止注浆。

4.2 突水、突泥的塌方处理。

施工中，V类围岩容易出现塌方，对于已经出现的小型自然塌方，要尽快采取有效措施及时制止事态再次扩大。对于未出现的塌方，要及时对掌子面进行混凝土素喷，然后在塌方处打随机锚杆，再用钢拱架支护，钢拱架大小视情况而定，一般用I16或I20进行支护，具体处理方法有以下几种：

4.2.1 打超前小导管进行固结灌浆

超前小导管用长度5m壁厚3mm的φ42热轧钢管，灌浆压力0.4MPa，浆液比及其水灰比一般为1∶1、0.8∶1、0.6（或 0.5）∶1，遇断层和溶洞中充填土，则应采用浓一级的水灰比起灌，并掺入XPM减水剂。灌浆方法采用孔口封闭、孔底循环灌浆法。灌浆时，当灌浆压力保持不变，注入率平均减少；或者注入率不变压力均匀升高时，灌浆工作持续下去，不得改变水灰比。当灌浆压力和注入率均无改变或改变不明显，可改浓一级灌注。灌浆过程中，由于改变水灰比而使灌浆压力突增或注入率突减应立即查明原因，随时调整。在设计压力下，当注入率不大于0.4L/min，继续灌注60 min；或不大于1.0 L/min，继续灌注90 min，可结束灌浆工作。固结灌浆采用机械压浆封孔，利用原灌浆管灌入水灰比为0.5∶1的浓浆，采用1.0 MPa的灌浆压力，有外水压洞段，应增大灌浆压力，当注入率不大于1.0 L/min，延续30 min停止。孔口剩余部分长度如大于1m采用压浆法继续封孔，如小于1m可用微膨胀水泥砂浆或聚合物砂浆人工封堵密实。

4.2.2 打管篷

用2英寸钢管制作，长度为5m，间距均为20～30 cm，排距为50 cm左右，梅花形布置。如果有突泥现象管篷上方有空隙处要加铺加密网片（网片用φ8的圆钢制作，网格为50 mm×50 mm），网片与管篷要焊接牢固。

4.2.3 打排水孔

灌浆后在洞顶和拱下脚处设置排水孔，并安装φ42钢管作为排水管，以疏导洞顶积水，减小对洞顶范围的压力，从而达到卸载的目的。

4.2.4 打6m钻杆当管篷

虽然感觉好像是代价高，但这种方法可以缩短循环时间，使塌方快速通过，避免二次塌方，总体来说比较经济实惠。