水工隧洞回填混凝土置换破碎松散体阻水防塌技术研究

孔羽超

(辽宁西北供水有限责任公司，沈阳 110000)

1 概 述

针对水工隧洞断层及其影响破碎带主要由松散状、透水率高的小粒径物质组成的特点，采用凝固后成块状、透水率低、抗压强度高的混凝土进行回填、置换。混凝土凝结后，具备超强的可灌性，便于进行阻水灌浆。同时，由于混凝土具备很强的抗压能力，方便进行管棚、小导管等施工。“回填混凝土置换破碎松散体阻水防塌技术”是一种主动干预的治理断层破碎带的施工技术，施工时不是被动的等待塌方形成后进行处理，而是用钩机等施工设备先将隧洞底部清理干净，然后对断层松散体进行扰动破坏，泥质松散体从断层带内流出，形成空腔，然后采用抗分散的混凝土进行回填，完成断层内的物质置换，达到改善断层组成物质、顺利具备成洞条件的目的。该项技术在辽宁省重点输供水二段工程2#洞桩号8+985断层带、8+788断层带成功应用，避免了两次大的塌方涌水，保证了施工安全。

2 技术核心内容

1)针对不良地质段，将断层破碎带内松散体释放，拱部形成大的空腔，通过施工大直径钻孔至空腔内，并利用孔内摄像技术对空腔情况进行调查和摸底；通过塌方体空腔调查确定回填混凝土布孔位置、角度、方向、孔径等参数设计，最终形成最佳布孔方案，以达到回填混凝土充满空腔的最佳效果[1]。

2)进行混凝土中添加絮凝剂的泵送混凝土配合试验，确定相关技术参数。

3)钻孔中安装混凝土输送管路，进行水下混凝土回填施工。

4)钻设检查孔并取芯，对混凝土置换效果进行分析总结。

3 技术适用范围

1)断层向隧洞前方及顶拱部位延伸，两侧岩石基本稳定。

2)断层带内岩体较软，泥质或钙质胶结且顶拱上方溶蚀现象严重，断层带内以夹砂、夹碎石、块石为主。

3)具有一定的出水量，可以将破碎松散体带出。

4 应用案例

4.1 断层破碎带描述

二段隧洞桩号8+985顶拱处揭露一构造挤压带，带宽10cm，灰绿色，并向前方延伸，带内岩体糜棱岩化，左边墙地下水呈线状流水，其余部位岩体为大理岩，弱风化，自桩号8+985由 Ⅲb类变为Ⅳ类。开挖至8+987，构造挤压带已延伸至左掌子面，挤压带变宽，带内岩体较软，泥质或钙质胶结且顶拱上方溶蚀现象较重，断层带内以夹砂、夹碎石、块石为主，断层在洞内出露部分可见宽度约为10m，断层两侧岩石基本稳定。经布置超前地质探孔勘查，1#孔布置在掌子面左侧，距左边墙2.2m，自目前掌子面钻进至12m时开始出水，但水量不大，钻至17m时出水量变大，36m时出水量为18m3/h，经地质钻取芯15m前为坡积物，主要为砂及碎石，15-55m为破碎带，但在取芯过程中，不卡钻，钻至55m时出水量变大明显，经现场量测，该探孔出水量达到100m3/h，加上其它出水点，出水量达到150m3/h。2#探孔布置在右侧孔，距左边墙1.75m，经勘探1.7-5.5m为大理岩，5.5-50m为破碎带，岩石破碎，为混合岩，岩石挤压密实，钻孔不卡钻，钻至50m时，钻至5.7m时开始出水，钻至33.7m时，出水量为30m3/h，钻至50m时，出水量为80m3/h钻探工作受出水影响，无法继续进行。断层带内物质流出见图1。

图1 断层带内物质流出

4.2 回填混凝土的研制

由于断层内具有较大的涌水，回填混凝土必须具备水中抗离散、凝结速度快的特性，因此与常规混凝土不同，回填混凝土中添加絮凝剂浇筑水下混凝土。即在普通混凝土中掺加UWB—II型絮凝剂配置而成。

4.2.1 UWB—II型絮凝剂混凝土的性能特点

UWB—II型絮凝剂混凝土是在普通混凝土中掺加UWB—II型絮凝剂配置而成。UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝剂是粉末状混凝土外加剂，具有很强的抗分散性和较好的流动性能，水下施工时能抑制混凝土中的水泥和骨料分散，并且不污染施工水域[2]。能够赋予普通混凝土超强的抗分散性、适宜的流动性和满意的施工性能；从根本上解决了水下混凝土的抗分散性能、施工性能和力学性能三者之间的矛盾，真正实现了水下混凝土的自流平和自密实。

1)抗分散性能：Ⅱ型水下不分散混凝土7天水陆强度比在70%-85%，28d水陆强度比在80%-95%，Ⅱ型的抗分散性能提高明显。即使受到水的冲刷作用仍然具有很强的抗分散性，混凝土配合比基本保持不变[3]。

2)塌落度保持性：Ⅱ型水下不分散混凝土完全静停1小时，流动性基本不损失，2h流动性损失<10%，具有极佳的施工性。

3)流动性：Ⅱ型水下不分散混凝土塌扩度在500mm以上时，其和易性、保水性良好，不会出现离析现象。Ⅱ型混凝土具有更好的填充性和自密实性。

4)强度：Ⅱ型水下不分散混凝土单方混凝土用水量在200-235kg/m3，根据水灰比定律，同等的水泥材料用量，Ⅱ型混凝土具有更高的抗压强度和黏结强度。

5)无污染：由于水下抗分散混凝土具有良好的抗水冲刷能力，因此水泥流失量很少，不会污染环境。

4.2.2 配合比设计

根据混凝土配合比性能试验结果，考虑原材料及现场施工因素影响，推荐混凝土施工配合比见下表1。

表1 混凝土施工配合比 kg/m3

4.2.3 施工工艺控制

1)掺量控制：

综合考虑不分散性能和经济性，本次絮凝剂掺入量为胶凝材料的3%。

2)搅拌控制：

由于絮凝剂掺量较低，如搅拌不均匀或没有充分溶解，就起不到相应的作用。因此在拌合站搅拌设定时间上比普通混凝土延长1min，设定拌合时间为180s。

3)坍落度控制：

由于混凝土直接回填进空腔内无法振捣，需自流平、自密实，因此严格控制出机口混凝土坍落度，一般控制在20-22cm。

4)扩展度控制：

掺加了絮凝剂的混凝土，扩展度控制在550mm左右。

4.3 回填置换方法

塌腔混凝土混凝土回填分两次进行，回填时在止浆墙上布设混凝土回填孔及排水孔，并对底部石渣进行了部分清理，对止浆墙下部缺口进行土模回填加固后进行混凝土回填。施工前进行回填混凝土孔及排水孔施工作业平台的填筑，搭设脚手架工作，施工平台利用洞挖石渣进行填筑，脚手架按照60*60cm进行搭设，以满足钻机钻孔要求，回填混凝土孔及排水孔钻孔采用LG40型锚固钻机及100B潜孔钻进行施工，回填混凝土孔孔径150mm，排水孔(兼做排气孔)孔径130mm，钻孔完成安装直径150mm钢管及125mm的钢管，拆除脚手架，进行底部石渣进行清理，由于空腔内不断塌方，如已施工完成的混凝土回填孔被堵，可再次修筑施工平台及搭设脚手架进行重新打孔，回填孔确认按要求施工完成后迅速对混凝土止浆墙底部空隙采用钢筋石笼及编织袋装天然砂进行封堵，并在内侧采用防水布进行封堵，尽量防止回填混凝土细骨料及水泥浆流失。待回填孔打好后，现场采用摄像机从打好的孔(已提前安装￠100回填管)穿入，查看内部空腔实时情况，通过摄像机可看出内部岩石破碎，且滴渗水点较多，空腔较大，尤其是顶拱部位，塌腔造成的空腔高度较高，需立即对其进行混凝土换填。为保证回填混凝土时回填管不被塌方石渣堵死，应加快回填混凝土速度，回填过程中不能中断，因此混凝土拌合选用2#洞拌合站拌制，10m3混凝土罐车，运至施工作业面进行塌腔混凝土回填施工。隧洞塌腔示意图，见图2；孔内摄像对空腔情况进行调查和摸底见图3；回填置换效果图见图4。

图2 隧洞塌腔示意图

图3 孔内摄像对空腔情况进行调查和摸底

5 结 论

在2#洞下游不良地质段施工过程中，对于极有可能发生塌方地段，通过采用混凝土置换技术，避免了两次大塌方及涌水涌砂的发生(桩号分别为8+985、8+788)。与被动的后处理隧洞塌方进行比较，采用本技术的直接经济效益和工期分析如下，以单掌子面为例计算。

5.1 经济效益分析

1)采用混凝土置换破碎岩体处理塌方涌水方案：

塌方长度按10m计算，破碎岩体按400m3计算，采用混凝土置换破碎岩消耗主要材料费用如表2所示。

表2 混凝土置换消耗材料表

采用混凝土置换破碎岩方案，费用共计55万。

2)采用常规处理塌方涌水方案：

常规处理塌方涌水方案步骤简述如下：①8+982-8+985m部位支立钢支撑间距80cm，并采用10#槽钢对各榀钢支撑进行连接；②钢支撑施工分上下两部分进行施工，先施工顶拱部分，并采用Φ22，L=3m，间距1.2m*1.2m系统锚杆进行加固；③空腔部位钢支撑施工完成后，在空腔内设置防水布，并采用短型钢焊接在钢支撑上，对空腔内的防水布支撑牢固，将流水隔在防水布以外，并在空腔适当位置设置φ200mm排水管，将部分流水进行引排，减少流水对防水布的压力；④钢支撑上铺设双层φ8@20cm*20cm的钢筋网，对钢支撑至空腔内防水布之间约1m的空腔以及其它部位顶拱空腔采用逐层喷射混凝土进行封闭；⑤喷混凝土完成后，将底部石渣在不影响渣堆稳定的情况下，将渣堆底脚清除，码放编织袋护脚，并埋设4根直径200mm的导水管，导水管引出止浆墙之外；⑥渣堆坡面采用编织袋装砂进行码筑封闭，并布设2*2m的固结灌浆孔，采用普通水泥掺加4%的水玻璃进行固结灌浆，灌浆完成在渣堆顶部铺设防水布将流水压在防水布底部，便于止浆墙混凝土浇筑施工；⑦在塌方部位后方浇筑底部2m厚的止浆墙，止浆墙与岩石接触部位设置止水条，止浆墙基岩面清理干净，并呈台阶状布置在石渣上，止浆墙混凝土标号为C30；⑧在渣堆止浆墙外侧布设2个直径130mm的回填混凝土孔，钻孔打设至空腔10m高部位，孔内插110mm钢管，采用C30混凝土对空腔进行回填；⑨在止浆墙轮廓线上顶拱及腰线以下1m范围布设直径108mm的管棚，管棚长度25m，间距0.5m的管棚，管棚倾角上倾5°，管棚深度以穿过断层到达上盘完整岩石，并具有一定的锚固深度为准，在跟管内安装4根并焊在一起的Φ25的锚筋束，随后灌入M30水泥砂浆，增加管棚的抗压强度；⑩在顶部止浆墙上布置2个探水孔，探水孔孔深25m，首先在设计钻孔位置采用100B钻机钻设一个孔径130mm，孔深2m的钻孔，安装110mm的孔口管，孔口管利用锚固剂与钻孔连接牢固，孔口管长2.5m，外露0.5m，并安装阀门，最后采用80mm的钻头，钻至设计孔深。探水孔可根据管棚钻孔出水情况，确定是否进行施工。

采用常规处理塌方涌水方案消耗主要材料费用如表3所示。

表3 常规方案消耗材料表

按照常规处理塌方涌水方案，灌浆费用共计146万。

5.2 工期对比分析

1)采用混凝土置换破碎岩体处理塌方涌水方案：

破碎体清运、混凝土回填耗时15d；

管棚钻孔、安装采用RPD管棚钻机进行施工，施工效率每天30m，则耗时14d；

管棚灌浆耗时3d；

开挖按照正常Ⅳ类围岩考虑，每天一循环进尺2.4m，则需要5d；

采用混凝土置换破碎岩体方案，工期耗时37d；

2)采用常规处理塌方涌水方案：

塌方清运、混凝土回填：考虑到塌方不定时、不连续，切无规律可循，多伴有泥浆，清运困难；并且对前次处理成果产生破坏，处理费时费力，按60d考虑；

管棚钻孔、安装采用RPD管棚钻机进行施工，施工效率每天30m，则耗时14d；

管棚灌浆耗时3d；

开挖按照破碎围岩进行施工，每循环0.5m进尺，钢支撑加密、锚杆数量增加，按每天1.5循环考虑，则需10/0.5/1.5=13d；

采用常规处理塌方涌水方案，工期耗时90d。