王仁龍

（水利部山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

1 工程簡述

山西省中部引黃工程包括取水工程和輸水工程。取水工程為泵站工程，自保德天橋庫區(qū)取水，引水隧洞工程等；輸水工程為總干線、東干線、西干線及支線輸水工程。輸水線路總長384.5km。供水范圍包括省內(nèi)四市十六個(gè)縣。

線路走向西干線接總干線向西南方向從石樓縣東部山區(qū)穿過，設(shè)柳林生態(tài)園分水口及石樓縣分水口，然后隧洞再向南，穿分水嶺后進(jìn)入隰縣境內(nèi)。

主要建筑物包括：取水口進(jìn)水塔、引水隧洞、調(diào)壓池、取水泵站、壓力管道、出水池、干線及支線輸水隧洞、倒虹吸、渡槽等建筑物。

隧洞為工程的主要組成部分，隧洞工程的正常施工關(guān)系到中部引黃工程的全面建設(shè)，本文主要針對隧洞工程不良地質(zhì)地段超前管棚支護(hù)進(jìn)行論述。

2 地質(zhì)情況說明

山西省中部引黃工程施工總干線全部及西干線大部分地段地震動(dòng)峰值加速度值0.05g，地震動(dòng)反映譜特征周期值0.45s，地震基本烈度6度。西干線末段的隰縣段及東干、東干交汾靈支線、汾孝介支線地震動(dòng)峰值加速度值0.10～0.15g，地震動(dòng)反映譜特征周期值為0.40～0.45s，地震基本烈度為7度。

西干線引水隧洞從呂梁山南麓穿過，沿線地形起伏較大，河流及沖溝發(fā)育。沿線主要河流有南川河、暖泉河、東石羊河、龍交河、屈產(chǎn)河及城川河等，均為黃河體系；較大的沖溝主要有韓尾溝、老羊頭溝、炭窯溝、岔溝、干河溝、前岔溝、瑪垴溝、小溝、寺溝、鳳渠溝、土道溝、成家溝、羅義溝、土木溝、馬山溝、高崖溝、豹子溝、神道溝、神桃溝等。

隧洞沿線穿過地層從老到新有：太古界呂梁山群古老變質(zhì)巖；震旦亞界長城系石英砂巖；古生界寒武系及奧陶系灰?guī)r、白云巖及泥灰?guī)r；石灰系，二疊系及中生界三疊系砂頁巖；新生界上第三系、第四系松散層等。

隧洞基本與離石大斷裂平行，巖體中斷裂及褶皺構(gòu)造發(fā)育。巖層總體上走向?yàn)镹E～NW向，傾向?yàn)镹E～SW向，傾角多為平緩，局部較陡，受褶皺及斷裂構(gòu)造影響，局部發(fā)生變化。

隧洞沿線地下水主要有：太古界呂梁山群變質(zhì)巖類裂隙水、寒武奧陶系碳酸巖類裂隙巖溶水、石炭系和三疊系砂巖裂隙水與松散巖類孔隙水四種類型。

3 不良地質(zhì)情況及處理措施

山西省中部引黃隧洞工程不良地質(zhì)情況存在多種情況，主要有部分支洞和主洞為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，地質(zhì)不確定性因素較多，穩(wěn)定性差，開挖過程中洞頂易坍塌。

部分洞段巖溶地下水位位于洞頂以上。隧洞開挖時(shí)可能出現(xiàn)涌水或突水現(xiàn)象。

部分洞段埋深較大，在地應(yīng)力作用下，圍巖易產(chǎn)生變形等。

3.1 預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)措施

預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)主要有超前地質(zhì)勘探、選擇合理的施工程序和方法、超前支護(hù)等。

超前勘探預(yù)先探明斷層破碎帶及涌水地段的位置和規(guī)模，判斷該段巖性、產(chǎn)狀、巖層的性質(zhì)和厚度、節(jié)理裂隙、斷層以及巖體的結(jié)構(gòu)；通過對鉆孔內(nèi)水壓力的量測或抽水試驗(yàn)，探測各段水文地質(zhì)情況，包括涌水量和水壓力等。

預(yù)防圍巖坍塌失穩(wěn)，應(yīng)遵循“早預(yù)報(bào)、預(yù)加固、防排水、短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的原則。

當(dāng)斷層帶、節(jié)理發(fā)育段圍巖較為破碎時(shí)，超前支護(hù)主要采取超前錨桿、超前小導(dǎo)管預(yù)注漿或超前管棚法，在超前支護(hù)的保護(hù)下，分塊、分層、分區(qū)域開挖，預(yù)防圍巖坍塌。

3.2 地下涌水特點(diǎn)及處理

對地下水活動(dòng)較嚴(yán)重的洞段，由于隧洞本身具有封閉的特點(diǎn)，當(dāng)大量地下水涌入隧洞時(shí)，則隧洞可能會在極短的時(shí)間內(nèi)被淹，造成人員和設(shè)備的損失，須采取措施。處理方式一般采用排、堵、截、引等綜合考慮。

3.3 巖爆的形成及預(yù)防

巖爆多發(fā)生在隧洞埋深較大、巖體完整、干燥和質(zhì)地堅(jiān)硬的巖層。巖爆處理為加強(qiáng)巖爆區(qū)支護(hù)，如掛網(wǎng)噴錨支護(hù)、混凝土襯砌、噴鋼纖維混凝土等。調(diào)整圍巖應(yīng)力狀態(tài)，如松動(dòng)爆破法、超前鉆孔預(yù)爆法、噴射高壓水沖洗法等，達(dá)到預(yù)先釋放能量，預(yù)防巖爆發(fā)生。

3.4 塌方的產(chǎn)生及處理

隧洞施工過程中遇到斷層、破碎帶等，開挖后出現(xiàn)應(yīng)力釋放，承壓塊、松散結(jié)構(gòu)、顆粒間無膠結(jié)或膠結(jié)差、小褶皺、巖層軟硬相間體及施工方法不當(dāng)?shù)龋桩a(chǎn)生坍塌或滑塌現(xiàn)象，稱為塌方。

塌方處理一般采用加固塌方圍巖，及時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，托住頂部，清除塌渣，隨挖隨噴射混凝土，同時(shí)配備臨時(shí)支撐構(gòu)件。

3.5 有害氣體及預(yù)防

隧洞開挖過程產(chǎn)生的瓦斯、煤氣、甲烷等為有害氣體。預(yù)防有害氣體主要有超前探測、排放、通風(fēng)、防護(hù)及注漿止氣等方法。

3.6 軟巖地段施工處理

巖石及巖層遇水軟化，具有容易變形、承載力差等特點(diǎn)。軟巖地段一般采用疏通地表排水，堵塞地表裂縫、超前加固圍巖、縮小開挖斷面、進(jìn)行有效支護(hù)等。

4 管棚的適用范圍及結(jié)構(gòu)要求

超前管棚支護(hù)適用于圍巖破碎、自穩(wěn)性差的洞口、支洞及主洞段。為了增加穩(wěn)定性，超前管棚支護(hù)一般與鋼拱架結(jié)合使用，使圍巖穩(wěn)定，避免塌方。

山西省中部引黃隧洞工程中洞口、支洞及主洞段存在不良地質(zhì)地段，需要多種處理方式。目前只針對使用超前管棚支護(hù)方法進(jìn)行論述。在超前管棚支護(hù)前，先在隧洞頂拱開挖區(qū)外按斜角15°鉆孔，成孔后安裝鋼管棚。管棚采用φ89mm、壁厚5mm、長度8～10 m的鋼制花管，鋼管間距要求不大于1m，縱向兩組管棚之間搭接長度不小于2m，鋼管外露端與鋼格柵拱架牢固焊接；然后通過鋼制花管對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，使圍巖形成穩(wěn)定的頂拱。超前管棚支護(hù)后，從上而下進(jìn)行開挖，邊開挖邊進(jìn)行格柵拱架的分段安裝，及時(shí)對暴露巖石進(jìn)行噴混凝土保護(hù)。

5 管棚支護(hù)的實(shí)施

針對山西省中部引黃工程隧洞中特點(diǎn)，根據(jù)規(guī)程、規(guī)范的要求，對管棚支護(hù)使用的原材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，對施工設(shè)備加強(qiáng)維修保養(yǎng)，對施工方案進(jìn)行精心審查，對工藝流程科學(xué)安排，嚴(yán)格施工過程監(jiān)督管理，詳細(xì)情況敘述如下。

5.1 原材料

超前管棚支護(hù)使用的鋼管、鋼筋、水泥、水、外加劑等，首先檢驗(yàn)出廠合格證，然后取樣試驗(yàn)，滿足要求。

5.2 設(shè)備

在超前管棚支護(hù)施工前，對ZQS-100B潛孔鉆進(jìn)行維修和保養(yǎng)，對底座認(rèn)真檢查，正式開鉆前做試驗(yàn)性鉆孔。

5.3 注漿施工工藝流程

施工準(zhǔn)備（機(jī)具檢修、備料）——鋼管原材料抽檢——加工鋼管（鉆機(jī)就位）——鋼管與鉆機(jī)連接——鉆孔（地質(zhì)鉆機(jī)）——鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度（鉆機(jī)移位）——管棚鉆孔完成——安裝灌漿管道——管道壓力試驗(yàn)（配漿）——注漿——結(jié)束。

5.4 施工方案

1）鉆孔。采用ZQS-100B型潛孔鉆進(jìn)行鉆孔，鉆孔就位，精確測定孔的平面位置、傾角、外插角，并對每個(gè)孔進(jìn)行編號。鉆孔外插角2°～4°，鉆孔仰角的確定根據(jù)鉆孔深度及鉆桿強(qiáng)度確定，施工時(shí)控制在2°～2.5°。過程中控制鉆機(jī)下沉量及左右偏移量?？刂沏@孔平面位置，管棚不允許侵入隧道開挖線內(nèi)，相鄰的鋼管不相撞和立交。量測孔的斜度，發(fā)現(xiàn)誤差超限及時(shí)糾正，至終孔仍超限時(shí)采用封孔重鉆。對鉆孔檢查，慢速鉆進(jìn)，待導(dǎo)向部位或鉆頭進(jìn)入巖層后，加速鉆進(jìn)。鉆頭粘貼黃土或停止鉆進(jìn)時(shí)，須將鉆頭提出孔外。鉆孔作業(yè)分班連續(xù)進(jìn)行，及時(shí)填寫鉆孔記錄，交接班時(shí)提交注意事項(xiàng)并簽字確認(rèn)。

2）清孔驗(yàn)孔。鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對孔深、孔徑進(jìn)行檢查，滿足要求時(shí)清孔。清孔時(shí)采用高壓風(fēng)槍掃孔，清除雜物。

3）注漿順序。從隧洞的拱頂對稱向下進(jìn)行，如遇漏漿或跑漿，則間隔一個(gè)孔或三個(gè)孔注漿，注漿結(jié)束后利用止?jié){閥保持孔內(nèi)壓力穩(wěn)定，直至漿液完全凝固。

4）注漿。水泥加水玻璃現(xiàn)場拌制，漿液攪拌均勻，隨拌隨用。漿液配置過程中，現(xiàn)場人員監(jiān)督，及時(shí)填寫注漿原始記錄、水泥用量、注漿時(shí)間、注漿壓力和注漿量。水泥加水玻璃配合比為水泥：水：水玻璃=516kg：412kg：627kg。注漿設(shè)備進(jìn)場后連接壓力表，調(diào)試注漿機(jī)和注漿流量記錄儀，做好試模，為注漿做好準(zhǔn)備。注漿采用一次性注漿，注漿過程中壓力為0.3MPa～0.5MPa，持續(xù)時(shí)間5min，然后關(guān)閉止?jié){閥，停止注漿，對完成注漿的鋼管末段采用球閥封堵，編號備案。

5）注漿結(jié)束條件。單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，漿液注入量已達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%以上，施工段注漿全部結(jié)束后，所有的孔全部符合單孔結(jié)束條件時(shí)，可判斷注漿結(jié)束。

6）注漿效果檢驗(yàn)。每個(gè)孔的注漿壓力，是否達(dá)到設(shè)計(jì)值；在注漿過程中漏漿、跑漿是否嚴(yán)重；注漿量保持并擴(kuò)散均勻，分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。幾個(gè)方面均達(dá)到要求的前提下，可認(rèn)為注漿效果良好。

6 管棚支護(hù)現(xiàn)場檢測

對山西省中部引黃隧洞工程中洞口、支洞及主洞段三處超前管棚支護(hù)現(xiàn)場檢查，結(jié)果如下：

1）孔位、孔深、孔斜。對三處共10個(gè)點(diǎn)的孔位、孔深、孔斜進(jìn)行檢查，有9個(gè)孔全部符合要求；有1點(diǎn)孔位偏差超出3cm，經(jīng)處理滿足要求。

2）孔口封閉、止?jié){閥。對三處共15個(gè)鋼管管口檢查，全部安裝止?jié){閥，注漿結(jié)束后均采取了孔口封閉，符合要求。

3）注漿壓力、注漿量。經(jīng)過比對和查閱過程資料，超前管棚支護(hù)三處70組數(shù)據(jù)，注漿壓力處于0.35～0.5MPa之間，單根管注漿量為0.5～1.4m3，符合設(shè)計(jì)規(guī)定的注漿壓力及注漿量要求。

7 結(jié)束語

山西省中部引黃隧洞工程中局部地質(zhì)條件為不良地質(zhì)地段，通過實(shí)施超前管棚支護(hù)，綜合效果顯著。

7.1 梁式結(jié)構(gòu)和拱殼效應(yīng)同時(shí)發(fā)揮作用

在隧洞的洞口、支洞和主洞不良地質(zhì)地段，實(shí)施超前管棚支護(hù)，先施工的管棚以掌子面前方圍巖支撐和后方圍巖支撐為連接點(diǎn)，形成梁式結(jié)構(gòu)，二者形成環(huán)繞隧洞拱部的殼狀結(jié)構(gòu)，有效抑制圍巖松動(dòng)和塌方。

7.2 改善力學(xué)性能，加固破碎巖體

不良地質(zhì)地段節(jié)理裂隙發(fā)育，超前管棚支護(hù)時(shí)注漿漿液經(jīng)管壁孔進(jìn)入圍巖裂隙中，使圍巖松散體膠結(jié)和固結(jié)，改善了破碎巖體的物理力學(xué)性能，增強(qiáng)了圍巖承受能力，起到了加固管棚周邊圍巖的目的。

7.3 管棚形成的半圓形可降低爆破沖擊波作用

隧洞爆破施工過程中，掌子面爆破產(chǎn)生的沖擊波和爆破產(chǎn)生的氣體，擴(kuò)散時(shí)遇到超前管棚支護(hù)形成的半圓形被發(fā)射、吸收或繞射，可降低爆破沖擊波對圍巖擾動(dòng)或破壞。

7.4 支撐巖體，保證施工安全

隧洞超前管棚支護(hù)剛性增大，管棚上部活動(dòng)體移動(dòng)或坍塌到管棚上，起到緩沖作用，減少二次破壞。另外，在隧洞中超前管棚支護(hù)可增強(qiáng)巖面穩(wěn)定性，安全系數(shù)增大，確保施工過程安全。