水工隧洞穿越典型断层破碎带加固施工技术

李 娟

（山西中部引黄水务开发有限公司，山西 太原 030002）

1 工程概况

中部引黄工程总干4号留子局村隧洞进口桩号165+926.27，出口桩号200+217.17，总长34.29 km，设计流量16.31 m3/s，纵坡1/3000。工程总干4号隧洞桩号199+607掌子面出现断层破碎带，由块径不一的灰岩块体堆积而成，块径为0.1～1 m不等，岩体结构组织完全破坏，结构面多张裂，空腔裂缝极为发育，无填充物。岩体破碎，松散，开挖后，围岩自稳能力极差，形成拱顶坍腔，变形破坏十分严重。为确保施工质量与施工安全，需对50号主干下游K 199+607断层破碎带采取初期支护加固处理。

2 工程地质分析

2.1 总干4号隧洞工程地质

总干4号隧洞工程引水线路主要是经过吕梁山土石区，地面主要以山区为主，且起伏较大，沟壑纵横，冲沟较多发育；河流较少，主要有东川河，河谷宽约1 km，河床高程1 016 m；较大的冲沟有火石沟、苏村沟等。沿线山顶最高高程为1 415 m，留子局村隧洞进口最低高程977 m，相对高差约438 m。

岩芯取样钻孔6个，钻孔岩心采取率及RQD（岩石质量指标）值统计情况见表1。需要说明的是，由于已完成的钻孔数量较少，且揭露到所统计地层的钻孔数量不均匀（如下马家沟组地层仅有1孔揭露），加之钻孔大多位于沟内，可能受到构造及应力影响，故该项统计表有一定片面性。

从表1中可以看出，下马家沟组采取率及RQD值相对较高，上马家沟组、峰峰组、本溪组地层采取率及RQD值相对较低。

表1 总干4号隧洞钻孔岩芯采取率及RQD值统计汇总表

钻孔岩石物理力学试验结果见表2。

工程所在区域地层依次为奥陶系O2x3、O2s3、O2f1，区域内主要是溶蚀裂隙形态岩溶，伴有溶洞和其他岩溶情况。在断层破碎带、节理密集带及软弱层间挠曲等处，也可能有较为发育的溶洞，其中有棕黄色粘土（低液限、碎石）半充填或充填。

2.2 工程地质评价

工程总干4号隧洞桩号199+346—200+217段，地面高程1 169～1 320 m，洞底埋深215～366 m，洞身穿过奥陶系中统上马家沟组下段泥灰岩，该段岩溶地下水位于洞底以下。泥灰岩岩性较为软弱，围岩各项系数见表3。

围岩工程地质分为V类（见表4），围岩不能自稳，如果不采取有效措施，变形严重有破坏效果。该洞段的地下岩溶较为发育，施工过程中极有可能有溶洞的存在。在地应力作用下，可能产生软岩变形。

表2 钻孔岩石物理力学试验成果汇总表

表3 围岩各项系数表

表4 桩号199+346—200+217地段围岩分类评分表

2.3 掌子面地质揭示

工程总干4号隧洞桩号199+607时出现断层破碎带，由块径不一的灰岩块体堆积而成，杂乱无章，块径为0.1～1 m不等，岩体结构组织完全破坏，结构面多张裂，空腔裂缝极为发育，无填充物。岩体较为破碎且松散，如果在开挖后不采取有效措施，围岩不能自稳，形成拱顶及侧墙塌方等情况，后果十分严峻。为确保施工质量与施工安全，需对桩号199+607断层破碎带采取初期支护加固处理。

3 工程处理措施

3.1 初期支护加固处理措施

首先需要对掌子面进行确认找顶，排除险情，之后对掌子面进行喷混凝土封闭，可选用C 20或者标号更高的混凝土，如果掌子面有水，可选用快速凝结的混凝土，一般喷射10 cm厚。

施工前，采用加长炮孔取样法，探明掌子面前方地质情况，采用超前地质预报的方法探明底板以下10 m范围内是否存在空洞。

沿掌子面在开挖轮廓线全断面（包括底板），布置5 m长直径42 mm花孔钢管进行预注浆加固，布设间距80 cm，钻孔倾角45°，采用1：1水泥浆对轮廓线外3 m范围岩体进行注浆固结，每循环注浆固结围岩长度约3m。

该段破碎带施工应提高该段支护质量，确保施工安全，采用I 20工字钢进行钢架支护，底部增设I 20工字钢底横梁。为保证断面净空，开挖时，边墙及顶拱轮廓外放4 cm，底板开挖下放20 cm。

根据试验确定，注浆固结强度达到要求后，采用超前支护、短进尺、弱爆破掘进。顶拱范围按设计采用5 m长直径42 mm超前小导管进行超前支护，每循环开挖采用弱爆破方式控制进尺50～60 cm，根据开挖进尺，随机间距布设钢架，拱脚处加设工字钢底横梁（原工字钢架支腿各延长20 cm），每榀钢架设置长3 m的注浆锁脚锚管12根（起拱线、支腿腰部、拱脚处），钢架间按50 cm间距布设钢架纵向连接筋。

在顶拱及边墙按设计进行锚网喷护，挂设双层直径8 mm钢筋网片（15 cm×15 cm），喷射C 20混凝土20 cm厚。

开挖过程中，遇局部塌方形成的坍腔采用喷射C 20混凝土回填密实。

现场必须严格按照此方案进行施工，过程中及时反映该段围岩变化情况，直至围岩情况好转后，及时上报监理、业主单位相关人员，并终止该方案，按正常设计掘进施工。

3.2 施工安全措施

所有施工人员必须佩戴安全帽，防尘口罩进行作业。该段为破碎带，及时做好监控量测点，观测记录数据。介于该段为断层破碎带，需要严格按照“弱爆破，短进尺，紧（强）支护，勤测量”的施工原则。洞内施工时应多进行变形测量，发现变形和其他安全隐患需要及时解决，以防止变形的发展和事故发生。

4 结语

通过对中部引黄输水隧洞穿越典型断层破碎带，采用混凝土封闭掌子面，超前地质预报探测，全断面布置钢管进行预注浆加固，工字钢进行钢架支护，锚网喷护，喷射C 20混凝土回填密实的施工措施的工艺。

通过现场监控和安全通过得出以下结论：对不良地质洞段采取超前地质预报是非常必要的，其预报结果的准确性将直接影响施工工艺的制定。通过预报结果，选择合理的开挖方法是施工安全的重要保证。采用超前管棚并注浆对围岩进行预支护，使的围岩固结保持稳定，有效防止和减少了拱部围岩发生掉块、塌方和变形，保证了施工过程的安全。穿越断层破碎带的施工过程中要按照“早预报、短进尺，弱爆破，紧、强支护，勤测量”的原则。

针对不同的地质围岩情况，应做好地质超前预报工作，制定合理的开挖措施、支护方式和监测方案是十分必要的，使得穿越断层破碎带施工过程更加安全稳妥。