孫 勝
甘肅省長瀚建設工程有限公司 甘肅蘭州 730000
引洮供水一期工程渠(管)系包括總干渠1 條,長度110.47km,設計引水流量32m3/ s,加大引水流量36 m3/ s;干渠三條,長146.18km;支渠20 條,長度256.52km;城市供水專用管線2 條,長47.02km;鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管線10 條,總長70.25km。引洮供水一期工程2006 年12 月開工建設,2014 年11 月建成通水,在工程建設期間,引洮供水一期總干渠多洞段不同程度出現(xiàn)突水、突泥、塌方掉塊等險情,尤其是總干渠3#隧洞進口段出現(xiàn)涌水事件,通過分析原因,采取“堵排結(jié)合”及工程措施進行處理,歷時一年有效解決了涌水問題,保證了總干渠建成安全運行。
引洮供水一期總干渠全長109.39km,其中88%為隧洞,共18 座,總長96km,隧洞單洞長度大于10km 的有4個,不但隧洞單洞長度大,由于穿越秦嶺東西向構(gòu)造帶、祁呂賀“山”字形構(gòu)造體系、河西系扭動構(gòu)造體系及隴西帚狀旋卷構(gòu)造體系的復合部位,地質(zhì)構(gòu)造復雜,新構(gòu)造活動強烈。秦嶺北緣大斷裂帶、深埋隧洞地應力、中生代白堊系及新生代第三系紅色碎屑沉積巖地層極軟巖、第四系飽水黃土等工程地質(zhì)問題相當突出,給工程施工管理造成了較大的困難,同時導致工程進度嚴重滯后,工程造價不斷攀高。
施工期間,百公里的隧洞群,多洞段出現(xiàn)嚴重的涌水、涌砂、塌方、變形等地質(zhì)災害,建設過程困難重重。比如總干渠3#隧洞進口段地下暗河涌水量增加至最大值1640m3/ h;總干渠3#隧洞楊家大莊穿越700m 深度秦嶺北緣大斷層;總干渠3#隧洞楊家大莊地下涌水淹沒斜井垂直高度100m;引總干渠7#隧洞TBM 掘進疏松砂巖卡機;總干渠15#隧洞失陷性黃土洞段塌方冒頂?shù)仁录?。針對各隧洞在不同階段出現(xiàn)的復雜地質(zhì)條件,建設者不斷探索隧洞施工新技術(shù),新工藝,并且通過各種技術(shù)咨詢活動,有效的解決了隧洞施工遇到的各種難題,在保證安全前提下,確保了工程順利建成通水。
引洮供水一期總干渠3#隧洞進口樁號8+902~9+005 涌水洞段為三疊系灰黑色灰?guī)r,鈣質(zhì)膠結(jié),受構(gòu)造影響嚴重,裂隙發(fā)育,為密集裂隙帶,具有較強的透水導水性,并且為向斜核部及斷層破碎帶、影響帶,由7 條斷層組成,基本組成斷層的物質(zhì)成分主要有斷層泥、斷層角礫,伴隨巖溶管道涌水,巖體自穩(wěn)性差,巖體成層狀碎裂結(jié)構(gòu),為極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖。
2010 年5 月27 日,隧洞掘進至樁號8+914 時,隧洞拱側(cè)出現(xiàn)股狀壓力突水,該處圍巖屬于極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖,突水中伴隨有渾濁體,側(cè)頂部出現(xiàn)不同程度塌方掉塊,此時涌水流量85m3/ h,24h 后出水量逐漸減小,最后穩(wěn)定在30m3/ h,2010 年6 月3 日隧洞開挖至樁號8+940時,當時在掌子面進行支護作業(yè),側(cè)頂拱出現(xiàn)壓力涌水,最大射程5.4m,單孔出水量為39m3/ h,合計為145.8m3/ h。由于出水量增加,原有排水設備不能滿足排水需要,加之上游隧洞掘進未貫通,洞內(nèi)積水自下游向上游排放,洞內(nèi)水位快速抬高,掌子面積水深度已高達1.5m,造成洞內(nèi)變壓器損毀,輔助小型工器具全部淹沒,造成施工暫停。
隨后緊急安裝離心水泵2 臺,φ159 排水管2500m,隨著人力、物力等人員設備投入,排水力度加大,洞內(nèi)積水快速排出。6 月24 日恢復隧洞施工,但在掘進至樁號8+930.9 處時,掌子面底拱處又發(fā)生涌水,涌水量達到495m3/ h,致使洞內(nèi)積水水位加快上漲,掌子面位置水位達到2.6m,由于洞內(nèi)原有排水設備已全部損毀,洞內(nèi)積水自內(nèi)向外流出洞外,隨著洞內(nèi)涌水量不斷加大,根據(jù)排水量計算洞內(nèi)涌水量約達到1638m3/ h,原有排水設施已不能滿足需求,為了盡快排水,在原有排水設施基礎上增加排水設備并架設φ300 排水管2500m,洞內(nèi)安裝315kVA變壓器1 臺,配置大型離心泵2 臺,潛水泵2 臺,快速進行洞內(nèi)積水搶險抽排工作,同步進行注漿封堵工作。
2010 年11 月26 日至27 日,建設單位邀請江河水利水電咨詢中心對引洮供水一期總干渠3#隧洞進口涌水段施工進行了技術(shù)咨詢,咨詢意見要求結(jié)合施工揭示的工程地質(zhì)情況及施工條件,在掌子面位置設置止?jié){墻,對洞身開挖輪廓線外圍和洞身全斷面超前注漿是必要的;建議進一步加大施工排水能力,按照“堵排結(jié)合,以排為主”的原則進行該段施工;建議加強地質(zhì)超前預報和已開挖段變形監(jiān)測,確保施工人員安全;建議復核隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算成果,在該段灰?guī)r地層施工開挖完成后,盡快完成永久襯砌工作。引洮一期總干渠3#隧洞進口相關參數(shù)如表1 所示。
表1 引洮一期總干渠3#洞進口相關參數(shù)
由于隧洞掌子面涌水量較大,且為多點出水,人工無法實施鉆孔作業(yè),為提供作業(yè)環(huán)境及保證灌漿效果,在樁號8+931 掌子面處澆筑矩形砼墻封閉掌子面,預埋DN300 鋼管用于臨時排水,并在端部安裝控制閘閥。
堵水采用二重管無收縮雙液WSS 工法向圍巖注漿,形成圍巖注漿固結(jié)封堵圈,減小巖溶管道過水斷面以限制涌水量,為隧洞施工提供較好的施工環(huán)境。根據(jù)施工現(xiàn)場鉆機的性能和注漿隊伍的施工經(jīng)驗,采用長循環(huán)注漿。注漿材料采用A、B 化學漿液,A 液為稀釋后的水玻璃,B 液為添加劑和水組成?;瘜W外加劑的主要功能是調(diào)節(jié)漿液的適灌性和混合液的凝結(jié)時間。根據(jù)該段隧洞的工程地質(zhì)條件,在掌子面共布設灌漿孔28 個,間距1.5m,排距0.5m,實際灌漿過程依據(jù)圍巖破碎程度和涌水情況適當加密注漿孔。注漿采用特殊的端點混合器和二重管噴射方式,用注漿泵將A、B 化學漿液壓入外管和內(nèi)管,并在二重管的端頭混合器中混合,通過濾網(wǎng)在水平方向?qū)崿F(xiàn)噴射,注漿壓力為0.5~1.5MPa,漿液的初凝時間一般為0.5~2min,噴射過程實行階梯回抽噴射,以10~20cm 為一區(qū)間,所有階梯噴射完畢對注漿孔實行封堵。
引洮一期總干渠3#隧洞較大涌水灌漿施工在引洮工程開工以來尚屬首次,特別是在甘肅省水利施工方面也是首次,缺乏實踐經(jīng)驗。為此,施工過程灌漿施工時要不斷驗證和修改灌漿有關參數(shù),及時調(diào)整灌漿施工方法。灌漿深度、灌漿壓力、材料及漿液濃度等要通過現(xiàn)場試驗進行調(diào)整。需要認真總結(jié)經(jīng)驗,不斷優(yōu)化修正方案,并且提出存在的問題,按照確定的“堵排結(jié)合”的原則,不斷完善涌水洞段灌漿施工實施方案,參建單位盡快做好各項工作,待洞內(nèi)積水退到掌子面時立即實施灌漿處理措施。
2010 年11 月17 日—12 月5 日完成樁號8+931 掌子面超前深孔固結(jié)灌漿及涌水洞段環(huán)向固結(jié)灌漿封堵作業(yè),在隨后的隧洞掘進過程中,掌子面涌水部位仍然較多且涌水量較大,導致隧洞注漿及掘進多次中斷,通過及時調(diào)整灌漿作業(yè)工序與注漿材料配合比,并且實施強排水強掘進措施,先后通過5 個循環(huán)超前深孔固結(jié)灌漿,至2011 年6 月14 日隧洞掘進至樁號8+993 處成功穿越富水洞段,并對8+965 右側(cè)拱頂出現(xiàn)的涌水裂隙空洞部位及8+970~8+993 不良地質(zhì)洞段側(cè)墻與底板裂隙涌水進行了封堵加固并且埋設盲管導流,使涌水洞段的險情得到有效控制,隨后隧洞恢復正常掘進。
引洮一期總干渠3#隧洞進口后續(xù)施工中堅決貫徹執(zhí)行“弱爆破、短進尺、強支護”的“新奧法”開挖及掘進理念,采取一次支護和二次襯砌聯(lián)合支護方式,隧洞一次支護采用掛φ6.5 鋼筋網(wǎng)片、噴C20 砼、打錨桿、支設鋼拱架。對圍巖破碎及特殊洞段先期進行了長大管棚聯(lián)合固結(jié)灌漿超前預支護處理。即沿隧洞頂拱襯砌外緣一定距離打入一排縱向鋼管,并且在插入鋼管后,再往管內(nèi)注漿以固結(jié)軟弱圍巖、充填鋼管與孔壁之間的空隙,使管棚與圍巖固結(jié)緊密,以提高鋼管的強度。開挖后架設拱形鋼架支撐,形成牢固的棚狀支護結(jié)構(gòu)。主要灌漿范圍為洞頂以上5.5m(一倍洞徑),洞身兩側(cè)各2m,固結(jié)灌漿孔深可根據(jù)超前地質(zhì)預報確定;隧洞二次襯砌現(xiàn)澆鋼筋砼,并且進一步做好地下水導排工作。在采用新技術(shù)、新材料、新方法有效施工技術(shù),經(jīng)過參建單位共同努力,2011 年12 月引洮一期總干渠3#隧洞建成具備通水條件。
通過對引洮一期工程典型突水、突泥及疏松砂巖不良洞段的技術(shù)難題探索研究,其中引洮供水一期總干渠3#隧洞穿越西秦嶺北緣大斷裂帶,跨越地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)并橫穿區(qū)域性活動斷裂帶,海拔2200m 的高山渠磨石梁、駝子山等崇山峻嶺,隧洞埋深750m,地應力大,分布地下暗河,地質(zhì)構(gòu)造極為復雜。主要工程地質(zhì)問題多與圍巖工程地質(zhì)特性有關,極軟圍巖穩(wěn)定問題,普遍存在于泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖及砂礫巖等極軟巖洞段,圍巖穩(wěn)定性極差;斷裂帶圍巖穩(wěn)定問題,主要存在秦嶺北緣影響段。隧洞穿越極軟圍巖及秦嶺北緣影響段時,圍巖穩(wěn)定性極差。
引洮供水一期總干渠3#隧洞進口段涌水量增加至最大值1640m3/ h,通過專家技術(shù)咨詢,采取“堵排結(jié)合”中二重管無收縮雙液WSS 工法向圍巖注漿治理,埋設DN300 鋼管及封堵加固并埋設盲管導流,歷時一年涌水洞段的險情得到有效控制,成功實現(xiàn)了總干渠3#隧洞施工安全,質(zhì)量和進度得到有效提升,為引洮總干渠全線完成襯砌具備通水條件奠定了基礎。
通過對引洮一期工程典型突水、突泥及疏松砂巖不良洞段的技術(shù)難題探索研究,其目的是總結(jié)經(jīng)驗,汲取教訓,以提高隧洞設計、施工的技術(shù)水平,做好地質(zhì)勘測、超前預報、施工支護方式等措施,采取新技術(shù)、新工藝,做好施工方案與設計方案現(xiàn)場結(jié)合,有效解決施工過程中突水、突泥及疏松砂巖不良洞段的技術(shù)問題,提高建設管理水平。