孔羽超

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110000)

1 概 述

針對(duì)水工隧洞斷層及其影響破碎帶主要由松散狀、透水率高的小粒徑物質(zhì)組成的特點(diǎn)，采用凝固后成塊狀、透水率低、抗壓強(qiáng)度高的混凝土進(jìn)行回填、置換?；炷聊Y(jié)后，具備超強(qiáng)的可灌性，便于進(jìn)行阻水灌漿。同時(shí)，由于混凝土具備很強(qiáng)的抗壓能力，方便進(jìn)行管棚、小導(dǎo)管等施工?！盎靥罨炷林脫Q破碎松散體阻水防塌技術(shù)”是一種主動(dòng)干預(yù)的治理斷層破碎帶的施工技術(shù)，施工時(shí)不是被動(dòng)的等待塌方形成后進(jìn)行處理，而是用鉤機(jī)等施工設(shè)備先將隧洞底部清理干凈，然后對(duì)斷層松散體進(jìn)行擾動(dòng)破壞，泥質(zhì)松散體從斷層帶內(nèi)流出，形成空腔，然后采用抗分散的混凝土進(jìn)行回填，完成斷層內(nèi)的物質(zhì)置換，達(dá)到改善斷層組成物質(zhì)、順利具備成洞條件的目的。該項(xiàng)技術(shù)在遼寧省重點(diǎn)輸供水二段工程2#洞樁號(hào)8+985斷層帶、8+788斷層帶成功應(yīng)用，避免了兩次大的塌方涌水，保證了施工安全。

2 技術(shù)核心內(nèi)容

1)針對(duì)不良地質(zhì)段，將斷層破碎帶內(nèi)松散體釋放，拱部形成大的空腔，通過施工大直徑鉆孔至空腔內(nèi)，并利用孔內(nèi)攝像技術(shù)對(duì)空腔情況進(jìn)行調(diào)查和摸底；通過塌方體空腔調(diào)查確定回填混凝土布孔位置、角度、方向、孔徑等參數(shù)設(shè)計(jì)，最終形成最佳布孔方案，以達(dá)到回填混凝土充滿空腔的最佳效果[1]。

2)進(jìn)行混凝土中添加絮凝劑的泵送混凝土配合試驗(yàn)，確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

3)鉆孔中安裝混凝土輸送管路，進(jìn)行水下混凝土回填施工。

4)鉆設(shè)檢查孔并取芯，對(duì)混凝土置換效果進(jìn)行分析總結(jié)。

3 技術(shù)適用范圍

1)斷層向隧洞前方及頂拱部位延伸，兩側(cè)巖石基本穩(wěn)定。

2)斷層帶內(nèi)巖體較軟，泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)且頂拱上方溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，斷層帶內(nèi)以?shī)A砂、夾碎石、塊石為主。

3)具有一定的出水量，可以將破碎松散體帶出。

4 應(yīng)用案例

4.1 斷層破碎帶描述

二段隧洞樁號(hào)8+985頂拱處揭露一構(gòu)造擠壓帶，帶寬10cm，灰綠色，并向前方延伸，帶內(nèi)巖體糜棱巖化，左邊墻地下水呈線狀流水，其余部位巖體為大理巖，弱風(fēng)化，自樁號(hào)8+985由 Ⅲb類變?yōu)棰纛?。開挖至8+987，構(gòu)造擠壓帶已延伸至左掌子面，擠壓帶變寬，帶內(nèi)巖體較軟，泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)且頂拱上方溶蝕現(xiàn)象較重，斷層帶內(nèi)以?shī)A砂、夾碎石、塊石為主，斷層在洞內(nèi)出露部分可見寬度約為10m，斷層兩側(cè)巖石基本穩(wěn)定。經(jīng)布置超前地質(zhì)探孔勘查，1#孔布置在掌子面左側(cè)，距左邊墻2.2m，自目前掌子面鉆進(jìn)至12m時(shí)開始出水，但水量不大，鉆至17m時(shí)出水量變大，36m時(shí)出水量為18m3/h，經(jīng)地質(zhì)鉆取芯15m前為坡積物，主要為砂及碎石，15-55m為破碎帶，但在取芯過程中，不卡鉆，鉆至55m時(shí)出水量變大明顯，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，該探孔出水量達(dá)到100m3/h，加上其它出水點(diǎn)，出水量達(dá)到150m3/h。2#探孔布置在右側(cè)孔，距左邊墻1.75m，經(jīng)勘探1.7-5.5m為大理巖，5.5-50m為破碎帶，巖石破碎，為混合巖，巖石擠壓密實(shí)，鉆孔不卡鉆，鉆至50m時(shí)，鉆至5.7m時(shí)開始出水，鉆至33.7m時(shí)，出水量為30m3/h，鉆至50m時(shí)，出水量為80m3/h鉆探工作受出水影響，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。斷層帶內(nèi)物質(zhì)流出見圖1。

圖1 斷層帶內(nèi)物質(zhì)流出

4.2 回填混凝土的研制

由于斷層內(nèi)具有較大的涌水，回填混凝土必須具備水中抗離散、凝結(jié)速度快的特性，因此與常規(guī)混凝土不同，回填混凝土中添加絮凝劑澆筑水下混凝土。即在普通混凝土中摻加UWB—II型絮凝劑配置而成。

4.2.1 UWB—II型絮凝劑混凝土的性能特點(diǎn)

UWB—II型絮凝劑混凝土是在普通混凝土中摻加UWB—II型絮凝劑配置而成。UWB-Ⅱ型水下不分散混凝土絮凝劑是粉末狀混凝土外加劑，具有很強(qiáng)的抗分散性和較好的流動(dòng)性能，水下施工時(shí)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]。能夠賦予普通混凝土超強(qiáng)的抗分散性、適宜的流動(dòng)性和滿意的施工性能；從根本上解決了水下混凝土的抗分散性能、施工性能和力學(xué)性能三者之間的矛盾，真正實(shí)現(xiàn)了水下混凝土的自流平和自密實(shí)。

1)抗分散性能：Ⅱ型水下不分散混凝土7天水陸強(qiáng)度比在70%-85%，28d水陸強(qiáng)度比在80%-95%，Ⅱ型的抗分散性能提高明顯。即使受到水的沖刷作用仍然具有很強(qiáng)的抗分散性，混凝土配合比基本保持不變[3]。

2)塌落度保持性：Ⅱ型水下不分散混凝土完全靜停1小時(shí)，流動(dòng)性基本不損失，2h流動(dòng)性損失<10%，具有極佳的施工性。

3)流動(dòng)性：Ⅱ型水下不分散混凝土塌擴(kuò)度在500mm以上時(shí)，其和易性、保水性良好，不會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。Ⅱ型混凝土具有更好的填充性和自密實(shí)性。

4)強(qiáng)度：Ⅱ型水下不分散混凝土單方混凝土用水量在200-235kg/m3，根據(jù)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壓強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度。

5)無(wú)污染：由于水下抗分散混凝土具有良好的抗水沖刷能力，因此水泥流失量很少，不會(huì)污染環(huán)境。

4.2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)混凝土配合比性能試驗(yàn)結(jié)果，考慮原材料及現(xiàn)場(chǎng)施工因素影響，推薦混凝土施工配合比見下表1。

表1 混凝土施工配合比 kg/m3

4.2.3 施工工藝控制

1)摻量控制：

綜合考慮不分散性能和經(jīng)濟(jì)性，本次絮凝劑摻入量為膠凝材料的3%。

2)攪拌控制：

由于絮凝劑摻量較低，如攪拌不均勻或沒有充分溶解，就起不到相應(yīng)的作用。因此在拌合站攪拌設(shè)定時(shí)間上比普通混凝土延長(zhǎng)1min，設(shè)定拌合時(shí)間為180s。

3)坍落度控制：

由于混凝土直接回填進(jìn)空腔內(nèi)無(wú)法振搗，需自流平、自密實(shí)，因此嚴(yán)格控制出機(jī)口混凝土坍落度，一般控制在20-22cm。

4)擴(kuò)展度控制：

摻加了絮凝劑的混凝土，擴(kuò)展度控制在550mm左右。

4.3 回填置換方法

塌腔混凝土混凝土回填分兩次進(jìn)行，回填時(shí)在止?jié){墻上布設(shè)混凝土回填孔及排水孔，并對(duì)底部石渣進(jìn)行了部分清理，對(duì)止?jié){墻下部缺口進(jìn)行土模回填加固后進(jìn)行混凝土回填。施工前進(jìn)行回填混凝土孔及排水孔施工作業(yè)平臺(tái)的填筑，搭設(shè)腳手架工作，施工平臺(tái)利用洞挖石渣進(jìn)行填筑，腳手架按照60*60cm進(jìn)行搭設(shè)，以滿足鉆機(jī)鉆孔要求，回填混凝土孔及排水孔鉆孔采用LG40型錨固鉆機(jī)及100B潛孔鉆進(jìn)行施工，回填混凝土孔孔徑150mm，排水孔(兼做排氣孔)孔徑130mm，鉆孔完成安裝直徑150mm鋼管及125mm的鋼管，拆除腳手架，進(jìn)行底部石渣進(jìn)行清理，由于空腔內(nèi)不斷塌方，如已施工完成的混凝土回填孔被堵，可再次修筑施工平臺(tái)及搭設(shè)腳手架進(jìn)行重新打孔，回填孔確認(rèn)按要求施工完成后迅速對(duì)混凝土止?jié){墻底部空隙采用鋼筋石籠及編織袋裝天然砂進(jìn)行封堵，并在內(nèi)側(cè)采用防水布進(jìn)行封堵，盡量防止回填混凝土細(xì)骨料及水泥漿流失。待回填孔打好后，現(xiàn)場(chǎng)采用攝像機(jī)從打好的孔(已提前安裝￠100回填管)穿入，查看內(nèi)部空腔實(shí)時(shí)情況，通過攝像機(jī)可看出內(nèi)部巖石破碎，且滴滲水點(diǎn)較多，空腔較大，尤其是頂拱部位，塌腔造成的空腔高度較高，需立即對(duì)其進(jìn)行混凝土換填。為保證回填混凝土?xí)r回填管不被塌方石渣堵死，應(yīng)加快回填混凝土速度，回填過程中不能中斷，因此混凝土拌合選用2#洞拌合站拌制，10m3混凝土罐車，運(yùn)至施工作業(yè)面進(jìn)行塌腔混凝土回填施工。隧洞塌腔示意圖，見圖2；孔內(nèi)攝像對(duì)空腔情況進(jìn)行調(diào)查和摸底見圖3；回填置換效果圖見圖4。

圖2 隧洞塌腔示意圖

圖3 孔內(nèi)攝像對(duì)空腔情況進(jìn)行調(diào)查和摸底

5 結(jié) 論

在2#洞下游不良地質(zhì)段施工過程中，對(duì)于極有可能發(fā)生塌方地段，通過采用混凝土置換技術(shù)，避免了兩次大塌方及涌水涌砂的發(fā)生(樁號(hào)分別為8+985、8+788)。與被動(dòng)的后處理隧洞塌方進(jìn)行比較，采用本技術(shù)的直接經(jīng)濟(jì)效益和工期分析如下，以單掌子面為例計(jì)算。

5.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

1)采用混凝土置換破碎巖體處理塌方涌水方案：

塌方長(zhǎng)度按10m計(jì)算，破碎巖體按400m3計(jì)算，采用混凝土置換破碎巖消耗主要材料費(fèi)用如表2所示。

表2 混凝土置換消耗材料表

采用混凝土置換破碎巖方案，費(fèi)用共計(jì)55萬(wàn)。

2)采用常規(guī)處理塌方涌水方案：

常規(guī)處理塌方涌水方案步驟簡(jiǎn)述如下：①8+982-8+985m部位支立鋼支撐間距80cm，并采用10#槽鋼對(duì)各榀鋼支撐進(jìn)行連接；②鋼支撐施工分上下兩部分進(jìn)行施工，先施工頂拱部分，并采用Φ22，L=3m，間距1.2m*1.2m系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加固；③空腔部位鋼支撐施工完成后，在空腔內(nèi)設(shè)置防水布，并采用短型鋼焊接在鋼支撐上，對(duì)空腔內(nèi)的防水布支撐牢固，將流水隔在防水布以外，并在空腔適當(dāng)位置設(shè)置φ200mm排水管，將部分流水進(jìn)行引排，減少流水對(duì)防水布的壓力；④鋼支撐上鋪設(shè)雙層φ8@20cm*20cm的鋼筋網(wǎng)，對(duì)鋼支撐至空腔內(nèi)防水布之間約1m的空腔以及其它部位頂拱空腔采用逐層噴射混凝土進(jìn)行封閉；⑤噴混凝土完成后，將底部石渣在不影響渣堆穩(wěn)定的情況下，將渣堆底腳清除，碼放編織袋護(hù)腳，并埋設(shè)4根直徑200mm的導(dǎo)水管，導(dǎo)水管引出止?jié){墻之外；⑥渣堆坡面采用編織袋裝砂進(jìn)行碼筑封閉，并布設(shè)2*2m的固結(jié)灌漿孔，采用普通水泥摻加4%的水玻璃進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿完成在渣堆頂部鋪設(shè)防水布將流水壓在防水布底部，便于止?jié){墻混凝土澆筑施工；⑦在塌方部位后方澆筑底部2m厚的止?jié){墻，止?jié){墻與巖石接觸部位設(shè)置止水條，止?jié){墻基巖面清理干凈，并呈臺(tái)階狀布置在石渣上，止?jié){墻混凝土標(biāo)號(hào)為C30；⑧在渣堆止?jié){墻外側(cè)布設(shè)2個(gè)直徑130mm的回填混凝土孔，鉆孔打設(shè)至空腔10m高部位，孔內(nèi)插110mm鋼管，采用C30混凝土對(duì)空腔進(jìn)行回填；⑨在止?jié){墻輪廓線上頂拱及腰線以下1m范圍布設(shè)直徑108mm的管棚，管棚長(zhǎng)度25m，間距0.5m的管棚，管棚傾角上傾5°，管棚深度以穿過斷層到達(dá)上盤完整巖石，并具有一定的錨固深度為準(zhǔn)，在跟管內(nèi)安裝4根并焊在一起的Φ25的錨筋束，隨后灌入M30水泥砂漿，增加管棚的抗壓強(qiáng)度；⑩在頂部止?jié){墻上布置2個(gè)探水孔，探水孔孔深25m，首先在設(shè)計(jì)鉆孔位置采用100B鉆機(jī)鉆設(shè)一個(gè)孔徑130mm，孔深2m的鉆孔，安裝110mm的孔口管，孔口管利用錨固劑與鉆孔連接牢固，孔口管長(zhǎng)2.5m，外露0.5m，并安裝閥門，最后采用80mm的鉆頭，鉆至設(shè)計(jì)孔深。探水孔可根據(jù)管棚鉆孔出水情況，確定是否進(jìn)行施工。

采用常規(guī)處理塌方涌水方案消耗主要材料費(fèi)用如表3所示。

表3 常規(guī)方案消耗材料表

按照常規(guī)處理塌方涌水方案，灌漿費(fèi)用共計(jì)146萬(wàn)。

5.2 工期對(duì)比分析

1)采用混凝土置換破碎巖體處理塌方涌水方案：

破碎體清運(yùn)、混凝土回填耗時(shí)15d；

管棚鉆孔、安裝采用RPD管棚鉆機(jī)進(jìn)行施工，施工效率每天30m，則耗時(shí)14d；

管棚灌漿耗時(shí)3d；

開挖按照正常Ⅳ類圍巖考慮，每天一循環(huán)進(jìn)尺2.4m，則需要5d；

采用混凝土置換破碎巖體方案，工期耗時(shí)37d；

2)采用常規(guī)處理塌方涌水方案：

塌方清運(yùn)、混凝土回填：考慮到塌方不定時(shí)、不連續(xù)，切無(wú)規(guī)律可循，多伴有泥漿，清運(yùn)困難；并且對(duì)前次處理成果產(chǎn)生破壞，處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，按60d考慮；

管棚鉆孔、安裝采用RPD管棚鉆機(jī)進(jìn)行施工，施工效率每天30m，則耗時(shí)14d；

管棚灌漿耗時(shí)3d；

開挖按照破碎圍巖進(jìn)行施工，每循環(huán)0.5m進(jìn)尺，鋼支撐加密、錨桿數(shù)量增加，按每天1.5循環(huán)考慮，則需10/0.5/1.5=13d；

采用常規(guī)處理塌方涌水方案，工期耗時(shí)90d。