水底隧洞遇斷層帶鉆灌一體灌漿施工技術(shù)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

國(guó)內(nèi)外修建水底隧道過(guò)程中發(fā)生大流量突涌水的工程案例屢見(jiàn)不鮮，一旦發(fā)生突涌水，往往會(huì)帶來(lái)人員、設(shè)備的重大損失，導(dǎo)致建設(shè)成本的大幅度增加、工期拖延，甚至還會(huì)造成工程被迫改線的情況。

隨著新技術(shù)、新手段在水底隧道工程中的應(yīng)用，突涌水風(fēng)險(xiǎn)防范能力得到了顯著改善。如超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性、鉆孔及灌漿設(shè)備功能和效率的提高，使得各種突發(fā)情況下的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)對(duì)能力有顯著的提升。

本文以杭州市第二水源千島湖配水工程分水江穿江隧洞工程為例，介紹穿江隧洞施工過(guò)程中通過(guò)運(yùn)用多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，準(zhǔn)確掌握了掌子面前方圍巖條件，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了有針對(duì)性的鉆灌一體注漿施工工藝。本工程選用鉆灌一體機(jī)配合常規(guī)灌漿設(shè)備進(jìn)行注漿，順利完成了穿江段施工。該設(shè)備曾在廈門(mén)翔安海底隧道中成功完成了海底風(fēng)化囊槽鉆灌一體灌漿。

杭州市第二水源千島湖配水工程輸水線路全長(zhǎng)112.34km，為Ⅰ等工程。分水江穿江隧洞段起訖里程為55+360.500～56+519.500m，洞段長(zhǎng)度1159m。穿江隧洞底板結(jié)構(gòu)高程-50m，千島湖正常蓄水位高程108m，靜水壓力158m，是目前國(guó)內(nèi)內(nèi)壓最高的大直徑穿江鋼襯輸水隧洞。

穿江隧洞河床段約200m范圍河床段上覆巖體厚度薄，最薄處僅16m，且斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，圍巖類(lèi)別一般為Ⅳ類(lèi)，工程地質(zhì)條件差，存在突水等影響施工安全的地質(zhì)隱患。特別是左岸山腳揭露有一系列陡傾斷裂，影響帶寬約50m，地下水補(bǔ)給豐富，透水性好，輸水隧洞通過(guò)該斷層帶時(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)大。

分水江穿江隧洞縱剖面布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 穿江隧洞縱剖面布置

2 總體施工方案

考慮到穿江隧洞段上覆巖體厚度薄,且發(fā)育一系列斷層和導(dǎo)水構(gòu)造，突涌水、坍塌冒頂同江水聯(lián)通的風(fēng)險(xiǎn)大，為確保施工安全，擬定施工方案如下：

?江底水平段約200m段長(zhǎng)范圍內(nèi)全段進(jìn)行TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、水平鉆孔取芯。

?長(zhǎng)大斷層破碎帶部位采用臺(tái)階法開(kāi)挖，其余洞段采用全斷面短進(jìn)尺法開(kāi)挖。

?每開(kāi)挖循環(huán)布置5～7個(gè)加深炮孔探水，孔深6m，每開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在2m以?xún)?nèi)。

?采用RPD-150C鉆灌一體機(jī)進(jìn)行灌漿，出水量較大時(shí)直接灌漿止水，出水量較小時(shí)換用常規(guī)灌漿設(shè)備堵水灌漿，以便加快施工進(jìn)度。

?為確保分水江穿江隧洞段安全、快速掘進(jìn)，在施工期間成立由參建各方組成的技術(shù)小組，在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和超前鉆孔的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況，確定前方灌漿及掘進(jìn)參數(shù)。

3 鉆灌一體灌漿設(shè)計(jì)

3.1 灌漿參數(shù)

a.超前灌漿加固圈厚度。

?根據(jù)水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范，固結(jié)灌漿深度應(yīng)根據(jù)圍巖情況分析確定，可取0.5倍隧洞直徑(或洞寬)，灌漿壓力可采用1～2倍內(nèi)水壓力。本工程隧洞開(kāi)挖跨度7.3m，灌漿圈厚度7.7m，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

?水工隧洞封堵體設(shè)計(jì)中，堵頭長(zhǎng)度一般按照水力梯度5～10控制，本工程防洪度汛標(biāo)準(zhǔn)按照20年一遇洪水考慮，相應(yīng)水位高程15.8m，隧洞底板高程-50m，按照全水頭考慮為65.8m，灌漿圈厚度7.7m，水力梯度為8.5。

b.漿液類(lèi)型及灌漿壓力。輸水隧洞穿江段擬采用普通水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿為主要灌漿材料。漿液配合比詳見(jiàn)表1。灌漿壓力暫定2～3MPa，具體需根據(jù)施工情況進(jìn)行調(diào)整。

表1 漿液配合比

3.2 灌漿布置

鉆灌一體灌漿在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和超前鉆孔的判定基礎(chǔ)上實(shí)施，根據(jù)分水江穿江段地質(zhì)條件，分為長(zhǎng)距離鉆灌一體灌漿和短距離鉆灌一體灌漿兩種類(lèi)型。

?長(zhǎng)距離鉆灌一體灌漿在江底斷層影響帶(長(zhǎng)度約50m)實(shí)施，單循環(huán)灌漿長(zhǎng)度30m，開(kāi)挖24m，預(yù)留6m作為下一循環(huán)止?jié){巖盤(pán)，直至通過(guò)斷層影響帶。灌漿示意圖及灌漿孔布置詳見(jiàn)圖2。共計(jì)88個(gè)鉆孔，鉆孔總長(zhǎng)度2218m。

?短距離鉆灌一體灌漿在規(guī)模較小的孤立斷層實(shí)施，單循環(huán)灌漿長(zhǎng)度13.5m，開(kāi)挖10m，預(yù)留3.5m作為下一循環(huán)止?jié){巖盤(pán)，直至通過(guò)孤立斷層。灌漿示意圖及灌漿孔布置詳見(jiàn)圖3。共計(jì)52個(gè)鉆孔，鉆孔總長(zhǎng)度762m。

圖2 長(zhǎng)距離鉆灌一體灌漿施工示意及布孔設(shè)計(jì) (單位：cm)

圖3 短距離鉆灌一體灌漿施工示意及布孔設(shè)計(jì) (單位：cm)

3.3 灌漿進(jìn)度分析

長(zhǎng)距離鉆灌一體灌漿施工強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)距離鉆灌一體灌漿施工強(qiáng)度

續(xù)表

短距離鉆灌一體灌漿施工強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表3 短距離鉆灌一體灌漿施工強(qiáng)度

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，穿江段共實(shí)施了兩次系統(tǒng)鉆灌一體灌漿：

4.1 輸水隧洞56+026～55+996m洞段

該段地下水較發(fā)育，五個(gè)鉆孔(含超前取芯孔、超前探孔、檢查孔)內(nèi)揭露多個(gè)水點(diǎn)，最大水量為65L/min，穩(wěn)定水壓力為0.51MPa，與江水聯(lián)通，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了系統(tǒng)鉆灌一體灌漿。考慮到單個(gè)鉆孔內(nèi)出水量較小，水壓較低，因此布置一環(huán)灌漿孔，孔數(shù)24個(gè)，孔深24m，孔底距離開(kāi)挖邊線約3m，灌漿孔末端孔距1.72m。鉆灌一體灌漿孔布置詳見(jiàn)圖4。

4.2 輸水隧洞55+987～55+970m洞段

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，55+972.5～55+985.55m段巖體完整性差～破碎，地下水較發(fā)育，在55+976.85～981.4m洞段鉆孔內(nèi)集中出水水量達(dá)70L/min，壓力0.3MPa，存在較大突涌水風(fēng)險(xiǎn)，需對(duì)該段進(jìn)行全斷面鉆灌一體灌漿。

現(xiàn)場(chǎng)討論后商定開(kāi)挖至K55+987m后，對(duì)55+987m～K55+970m段實(shí)施鉆灌一體灌漿施工，鉆灌一體灌漿孔數(shù)為24個(gè)、孔深17m。

上述兩處出水帶經(jīng)鉆灌一體灌漿后，開(kāi)挖過(guò)程中洞壁以滲滴水為主，灌漿效果極佳。

圖4 56+026～55+996m洞段鉆灌一體灌漿孔布置 (單位:m)

5 結(jié) 語(yǔ)

分水江穿江隧洞于2016年12月18日順利實(shí)現(xiàn)貫通，比原計(jì)劃提前28天(原計(jì)劃2017年1月15日貫通)，施工期間未發(fā)生圍巖穩(wěn)定導(dǎo)致的安全事故，也未出現(xiàn)不可控突涌水的情況。

穿江隧洞施工過(guò)程中根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果對(duì)鉆灌一體灌漿參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，實(shí)際鉆灌一體灌漿費(fèi)用比按原設(shè)計(jì)鉆灌一體灌漿方案費(fèi)用節(jié)約178萬(wàn)元，抽排水費(fèi)用節(jié)約90萬(wàn)元。

總結(jié)穿江段施工，高水平的技術(shù)人員、流暢的工作流程、全面的地質(zhì)預(yù)報(bào)、合理的灌漿參數(shù)、先進(jìn)的施工設(shè)備、謹(jǐn)慎的掘進(jìn)策略均起到了積極的作用。

?施工現(xiàn)場(chǎng)有數(shù)名專(zhuān)業(yè)的地質(zhì)工程師和水工結(jié)構(gòu)工程師，另外施工操作人員也都經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，具有水底隧洞施工經(jīng)驗(yàn)。

?針對(duì)穿江隧洞施工而成立的聯(lián)合技術(shù)小組涵蓋參建各方，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)遇到的各種突發(fā)情況及時(shí)決策，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

?現(xiàn)場(chǎng)分層次實(shí)施了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作：TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等物探手段宏觀判斷；超前地質(zhì)鉆孔取芯驗(yàn)證；超前加深炮孔近距離探查。可以準(zhǔn)確掌握掌子面前方圍巖情況，合理確定灌漿參數(shù)。

?灌漿參數(shù)是否合理直接影響到工程的安全、進(jìn)度、成本等各方面，本工程鉆灌一體灌漿參數(shù)經(jīng)過(guò)詳細(xì)討論、外部專(zhuān)家評(píng)審，根據(jù)不同出水構(gòu)造進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，選取有針對(duì)性的鉆灌一體灌漿方案，實(shí)施效果良好。

?本工程鉆灌一體灌漿實(shí)施采用鉆灌一體機(jī)配合灌漿泵施工的方案，出水量較大時(shí)直接用該設(shè)備灌漿止水，出水量較小時(shí)換用常規(guī)灌漿設(shè)備堵水灌漿，加快施工進(jìn)度。

?穿江段施工嚴(yán)格踐行新奧法的“管超前、嚴(yán)灌漿、短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”原則，施工監(jiān)測(cè)成果表明各項(xiàng)數(shù)據(jù)均在安全范圍內(nèi)。