郭 毅
(陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司 陜西 楊凌 712100)
引紅濟(jì)石調(diào)水工程為大(2)型水利工程,工程位于太白縣,是把漢江北岸褒河支流紅巖河水通過(guò)穿越秦嶺的隧洞自流調(diào)入渭河南岸支流石頭河中的跨流域調(diào)水工程,年調(diào)水量9210萬(wàn)m3。工程受益區(qū)為陜西省關(guān)中地區(qū)中西部的咸陽(yáng)、楊凌、西安三個(gè)市區(qū)。工程的建設(shè)將為近期緩解關(guān)中地區(qū)中西部部分城市供水矛盾,優(yōu)化渭河流域水資源的配置發(fā)揮作用。工程由低壩引水樞紐和輸水隧洞(洞長(zhǎng)19.76km)兩部分組成。輸水隧洞設(shè)計(jì)流量13.5m3/s,無(wú)壓自流輸水,縱坡1/890,糙率0.014。0+009.56~8+600段采用鉆爆法施工,斷面為圓拱直墻型,成洞尺寸3.0m×2.8m(高×寬),8+600~19+825.94段采用掘進(jìn)機(jī)法施工,斷面為圓形,成洞直徑D=3.0m。輸水隧洞洞身長(zhǎng)度19.76km,為特長(zhǎng)水工隧洞,為了隧洞施工交通的需要和方便隧洞建成后檢修和維護(hù)修理,在其樁號(hào)3+120m和7+140m處設(shè)支洞兩條,在15+504m設(shè)1#通風(fēng)和進(jìn)料豎井。7+140m處的勘探試驗(yàn)洞為永臨結(jié)合建筑物,3+120m處的2#支洞為臨時(shí)建筑物。
1.2.1 地質(zhì)概況
輸水線路由西至東跨越侵蝕中山、太白山間構(gòu)造盆地兩大地貌單元。侵蝕中山海拔高程1550m~1950m。太白盆地盆底中心位于方才關(guān)至涼峪之間,盆底基巖最低高程約1250m,東西長(zhǎng)約5km,第四系堆積物厚300m~350m。
基巖有秦嶺群上亞群(pt2qL3)片巖夾片麻巖,中亞群(pt2qL2)大理巖,下亞群(pt2qL1)片麻巖及燕山期花崗巖(γ52),均屬硬質(zhì)巖。
輸水洞線位于太白—桃川向斜南翼,NEE組和NE組壓扭性斷層較發(fā)育。太白盆地第四系松散地層廣泛覆蓋,初步查明的主要構(gòu)造有:太白—桃川向斜,小罐子─西溝─鸚鴿嘴斷層(F1),拐里—雪門(mén)溝斷層(F6)。地下水較豐富,第四系孔隙潛水向盆地中心徑流,弱透水層增多逐漸轉(zhuǎn)化為承壓水,水頭高出含水層頂板3m~50m;基巖裂隙水主要分布于表層風(fēng)化巖體中,一般以下降泉形式在沖溝出露;大理巖溶隙承壓水主要分布斷層破碎帶及影響帶。
1.2.2 輸水洞線工程地質(zhì)條件
線路位于盆地南緣,洞線長(zhǎng)19.76km,洞室一般埋深150m~300m,最大450m,洞室均位于基巖中,片麻巖段長(zhǎng)5.15km,大理巖段長(zhǎng)6.6km,片巖段長(zhǎng)7km,花崗巖段長(zhǎng)1km?;鶐r面高程1623m~1750m,高出洞頂160m~300m,圍巖弱─微風(fēng)化,巖體較完整,以Ⅲ類(lèi)圍巖為主,次為Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)圍巖,總體上圍巖穩(wěn)定性較好。存在的主要水文、工程地質(zhì)問(wèn)題有:(1)洞室分布的大理巖及斷層破碎帶地段地下水較豐富,對(duì)圍巖穩(wěn)定和施工有一定影響;(2)隧洞深埋段可能產(chǎn)生輕微巖爆。
(1)0+257—0+237段:2005年11月19日在0+254~0+246洞頂部出現(xiàn)大面積坍塌,由于無(wú)規(guī)律不間斷坍塌,盡管采取了人為的支護(hù)措施,還是多次塌壞工作架及支撐,在0+254—0+246洞段頂部形成高度 3.3m~10.0m,寬度13.2m~15m的塌腔。該區(qū)段后地質(zhì)編錄為f9斷層,產(chǎn)狀127°/NE∠42°斷層充填黑色泥質(zhì)(有嗅味)及白色糜棱巖,遇水軟化無(wú)強(qiáng)度,呈散體結(jié)構(gòu),斷層寬度超過(guò)4.5m,斷層影響范圍超過(guò)20m,后采用了“松原木棚戶、復(fù)式鋼拱架、加長(zhǎng)自進(jìn)式錨桿,管棚、砼組合支護(hù)”方案通過(guò)。
(2)0+222—0+208段:2006年2月9日在0+222~0+218段進(jìn)行鋼拱架支護(hù)時(shí),洞室頂部圍巖出現(xiàn)塌落,施工人員即進(jìn)行支護(hù),但坍塌不斷出現(xiàn)將支護(hù)塌掉,并將掌子面塌滿,編錄為f14斷層。圍巖為片麻巖、炭質(zhì)片巖互存,斷層出露寬度超過(guò)3m,中間夾雜白色糜棱巖、黑色泥質(zhì),走向115°傾向北東,巖石出露后風(fēng)化嚴(yán)重,后采用“將小導(dǎo)管棚砸入塌落體,對(duì)塌落體固結(jié)灌漿,然后采用短開(kāi)挖、復(fù)式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護(hù)”的方案處理通過(guò)。
(3)0+75—0+73段:2006年11月6日0+73掌子面拱頂及左側(cè)壁突然出現(xiàn)塌落,工作架被塌壞,塌方范圍不斷擴(kuò)大,最大塌落高度距設(shè)計(jì)開(kāi)挖線2.5m~3.0m,據(jù)地質(zhì)編錄為f27斷層,產(chǎn)狀 290°~310°∠37°~45°,在洞室底部出現(xiàn)露角礫巖斷層泥和糜棱巖,巖體極為破碎。由于地下水活動(dòng)加劇,對(duì)圍巖的泥化作用十分明顯,巖體松散無(wú)強(qiáng)度。由于該斷層與洞軸線小角度相交,最小夾角僅為2°,對(duì)洞室穩(wěn)定極為不利,后采用“封閉掌子面、對(duì)底部不良地質(zhì)段進(jìn)行毛石砼回填,限制底部軟弱地基變形復(fù)式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護(hù)”的方案處理通過(guò)。
2007年5月1+067.5~1+068.5施工中多次出現(xiàn)塌方,地質(zhì)編錄為f56斷層,充填斷層角礫巖,斷層泥夾角后采用注漿固結(jié)掌子面及塌方體,后采用管棚法通過(guò)。
1+824處穿過(guò)F2斷層,雖然施工中通過(guò),但由于斷層穿越洞段圍巖破碎,多為泥質(zhì)和炭粉,在此段施工支護(hù)后經(jīng)常出現(xiàn)收斂變形比較大的情況,引起噴護(hù)砼裂縫、掉塊和拱架變形等,特別是出現(xiàn)涌水后洞段變形特別大,單邊變形75cm后進(jìn)行了加固處理,并處理軟弱地板186m(澆筑40cm厚砼)。
Ⅱ標(biāo)段2#支洞在10月26日下午14時(shí)掌子面K+020處突發(fā)涌泥,涌出的泥石流涌滿至K0+110斷面,泥石流方量約2000m3,水位淹沒(méi)到K0+156處,淹沒(méi)已成洞段136m,部分施工設(shè)備也被埋入泥石流中,后編錄分析為F1大斷層所致。
2008年11月21日凌晨3時(shí)3+853掌子面突發(fā)涌水,水量約70m3/h~90m3/h,涌水將掌子面淹沒(méi),直至12月5日增加抽水水泵及管道后才將水抽退,據(jù)分析此次涌水為大理巖承壓裂隙水。
引水隧洞6+809~6+805段地質(zhì)編錄為Ⅳ類(lèi)圍巖,巖石裂隙發(fā)育,且裂隙內(nèi)充填物為泥質(zhì),地下水活動(dòng)強(qiáng)烈。2008年4月8日15:00爆破結(jié)束,在出渣過(guò)程中,拱部突發(fā)涌水(涌水量達(dá)40m3/h),造成6+809~6+805段大面積塌方。塌方發(fā)生以后,塌方范圍不斷擴(kuò)大,塌腔形狀近似長(zhǎng)方體:寬約6m,縱向長(zhǎng)度4m左右,高約12m(塌腔頂距設(shè)計(jì)開(kāi)挖底)。由于開(kāi)始對(duì)塌方的原因認(rèn)識(shí)不充分,利用固結(jié)灌渣無(wú)效、組合鋼拱架推進(jìn)無(wú)效、雙層小管棚無(wú)效,最終決定利用MD-50錨索鉆機(jī)打Φ110的大鋼管棚護(hù),鋼拱架、噴砼、錨桿聯(lián)合支護(hù)。
(1)Ⅰ標(biāo)段與Ⅱ標(biāo)段的涌水最終經(jīng)省水電設(shè)計(jì)院地質(zhì)隊(duì)補(bǔ)充勘查該段不良地質(zhì)段主要受 F1、F11、F2、F21斷層的影響,F(xiàn)1和F11斷層注水性好,可能發(fā)生較大的涌水和突泥現(xiàn)象,F(xiàn)2和F21斷層以糜棱巖和破碎粉巖為主,穩(wěn)定性極差。
(2)勘探試驗(yàn)洞及標(biāo)塌方主要受石溝河 F6、F12、F21斷層帶影響,斷層帶巖體為極不穩(wěn)定的類(lèi)圍巖,完整性較差,局部圍巖可能存在層間裂隙承壓水,斷層帶涌水量約100m3/h~150m3/h。
引紅濟(jì)石隧洞的斷裂構(gòu)造、豐富的地下水以及多層軟弱巖層是隧洞開(kāi)挖的三大不利因素。
(1)引紅濟(jì)石隧洞前半段(西部)位于太白盆地南緣斜坡地帶,后大部分(東段)位于太白盆地中,在出口段才出盆地,是東西向斜穿并非秦嶺主脊的一條線路。沿線不僅發(fā)育東西向或近東西向的區(qū)域性大斷裂,還發(fā)育有走向北東向、北西向及南北向的大斷裂10余條,及其派(伴)生次級(jí)斷層、小斷層及節(jié)理密集帶難以勝數(shù)。太白盆地是一個(gè)地塹式斷陷盆地,它是由一系列大型斷層控制發(fā)育的,它的形狀受斷層的產(chǎn)狀所控制,據(jù)研究這些斷層在產(chǎn)生之后,又受后期的多次構(gòu)造作用,變得破碎松散,成為含水構(gòu)造,水量豐富且導(dǎo)水性好。
(2)引紅濟(jì)石隧洞多位于地表水之下,特別是隧洞后半段位于太白盆地下,紅巖河穿越太白盆地之中,支流及小沖溝水流在隧洞頂部通過(guò),而本區(qū)的斷層不僅含水而且為導(dǎo)水構(gòu)造,與地表水緊密相連。其次,本區(qū)為碳酸巖變質(zhì)巖,雖巖溶作用不強(qiáng)烈,但發(fā)育有小型溶洞,溶蝕裂隙地下水補(bǔ)排條件非常通暢。第三,太白盆地是一個(gè)負(fù)地形,又是一個(gè)向斜構(gòu)造,這樣的構(gòu)造就是一個(gè)匯水構(gòu)造。隧洞掘通后形成一個(gè)集水廊道,地下水必然豐富。2#支洞開(kāi)挖后其周?chē)鷰讞l溝道滲水減少就是最明顯的例證。
(3)引紅濟(jì)石隧洞沿線分布有炭質(zhì)片巖、云母片巖、糜棱巖,為強(qiáng)度很低的軟巖。加之受多次構(gòu)造作用,巖石非常破碎而質(zhì)軟,隧洞開(kāi)挖后穩(wěn)定性很差,干燥時(shí)可以短時(shí)自穩(wěn),遇水則易變形,發(fā)生坍塌和蠕變,在埋深較大,地應(yīng)力較大時(shí)宜發(fā)生蠕變和擠出,這種地層對(duì)隧洞施工是非常不利的。
不良地質(zhì)段發(fā)生坍塌也與施工單位對(duì)地質(zhì)的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足、存在僥幸心理、采取的措施不夠得力有關(guān)。對(duì)于以上幾次塌方處理常規(guī)的方法都是采用封閉巖石掌子面、對(duì)塌方體固結(jié)灌漿后采用小管棚或大管棚、鋼拱架、噴錨砼處理,比較嚴(yán)重的采用了大管棚施工,且及時(shí)對(duì)圍巖采取了仰拱封閉圍巖,防止風(fēng)化,防止水泡,對(duì)量測(cè)變形較大的洞段采取深孔錨固處理,還及時(shí)進(jìn)行了二次鋼筋砼襯砌。
(1)加強(qiáng)地質(zhì)勘探及施工地質(zhì)預(yù)報(bào)。對(duì)于復(fù)雜的不良地質(zhì)隧道,應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探,大力發(fā)展綜合勘探手段,不斷提高物探技術(shù)水平,使其能滿足工程地質(zhì)工作的要求,達(dá)到規(guī)范化應(yīng)用的成熟程度。在施工應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),最有效的辦法就是利用超前地質(zhì)鉆機(jī),簡(jiǎn)單快捷地分析前方圍巖情況、滲水涌水情況,及時(shí)調(diào)整確定施工方案。
(2)對(duì)于不良地質(zhì)段嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺,弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤測(cè)量”的施工方法,遵循慢步快跑,謹(jǐn)慎穩(wěn)妥通過(guò),及時(shí)施作一次支護(hù),必要時(shí)進(jìn)行二次鋼筋砼支護(hù)。
(3)對(duì)于不同的不良地質(zhì)段采取不同的處理措施。
對(duì)于遇水軟化膨脹的軟弱圍巖,應(yīng)及時(shí)做好收斂變形量測(cè)工作,及時(shí)施工仰拱,使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán),改善洞室結(jié)構(gòu)的受力條件,為防止變形過(guò)大造成襯砌凈空的減少,一定要預(yù)留變形量。
對(duì)于涌水量較大的圍巖,要采取排堵結(jié)合的方法,做好抽排水工作,勤觀察注意巖體和地下水變化情況。水量大但圍巖強(qiáng)度堅(jiān)硬的以排為主,水量大圍巖松散較弱的采取砼襯砌緊跟,必要時(shí)還要超前灌漿。
地下隧洞施工不良地質(zhì)段施工的關(guān)鍵是結(jié)合實(shí)際情況制定好施工方案。以上總結(jié)的不良地質(zhì)段的處理方法可為今后同類(lèi)型工程提供借鑒,避免塌方事故發(fā)生,節(jié)約工程成本。