(山西省小浪底引黃工程建設(shè)管理局，山西 運城 044000)

1 工程簡介

山西省小浪底引黃工程位于山西省南部的運城市境內(nèi)，工程總體走勢為東南—西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫區(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)水工程。工程南靠黃河，北到涑水河流域與臨汾市接壤，東面和晉城市相連，工程地跨運城市中東部大部分縣市。工程建設(shè)任務(wù)是為運城鹽湖區(qū)、聞喜、絳縣、夏縣、垣曲五縣(區(qū))提供農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水，工程年引水量2.47億m3。工程引水干線建筑物主要包括輸水隧洞、進水塔、低下泵站、板澗河調(diào)蓄水庫和末端呂莊出水池。輸水隧洞干線總長59.6km，布設(shè)有兩條隧洞和一座箱涵，縱坡為1/3000。其中，1號隧洞為圓形壓力隧洞，長5.77km，洞徑5m；2號隧洞為無壓自流隧洞，長52.8km，隧洞為城門洞形，寬3.8m，頂拱為半圓形，總凈高5m。

本文選擇的施工Ⅴ標(biāo)7號支洞及其控制主洞(樁號23+295～26+860)即為小浪底引黃工程2號隧洞的一部分，支洞及其控制主洞位于中條山東麓群山內(nèi)，隧洞埋深180～320m；由于引水隧洞斷面較小，采用先開挖、初次支護后混凝土襯砌的施工工藝，鋼筋混凝土襯砌設(shè)計強度等級為C25，襯砌厚度為Ⅲ類圍巖300mm、Ⅳ類圍巖350mm、Ⅴ類圍巖400mm。

2 地質(zhì)情況

山西省小浪底引黃工程7號支洞控制主洞下游樁號25+234～25+271洞段埋深約200m左右，地層為元古界震旦系上統(tǒng)許山組(Z1x)凝灰質(zhì)安山巖與擔(dān)山石組(Z1d)含礫石英砂巖，安山巖超覆于擔(dān)山石組之上，為角度不整合接觸。在此附近區(qū)域為中條山山前大斷裂帶，大斷裂帶影響上盤約935m，大斷裂帶上盤為許山組(Z1x)凝灰質(zhì)安山巖夾雜少量黏土巖、石英角礫巖，斷裂帶下盤為擔(dān)山石組(Z1d)含礫石英砂巖，巖體松散，為碎塊狀結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)巖碎塊、斷層泥和古風(fēng)化殼強風(fēng)化的殘留物混合物，巖石完整性、穩(wěn)定性均較差。本洞段地下水豐富，多為巖石裂隙水，開挖后頂部滲水量瞬間增大，后又逐漸減小。7號支洞下游斷層破碎帶所處地質(zhì)構(gòu)造位置見圖1。

圖1 7號支洞控制主洞斷層破碎帶所處地質(zhì)構(gòu)造位置

3 開挖及變形搶險處理過程

3.1 開挖期間塌方處理

斷層破碎帶和角度不整合接觸帶巖體完整性和穩(wěn)定性極差，開挖期間樁號25+258拱頂部整體坍塌，形成坍塌空腔，坍塌空腔深度0.5～1.5m，長約2～2.6m，塌方量約40m3。

塌方發(fā)生后，參建四方(建設(shè)單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位、施工單位)立即現(xiàn)場開會討論，暫定初步處理方案：?對塌方段用I20a鋼拱架支護，間距0.8m；?每榀鋼拱架打設(shè)一環(huán)超前小導(dǎo)管并灌漿(φ42，L=3m，每環(huán)32根)；?打設(shè)系統(tǒng)錨桿(間排距1m，φ25，L=2m)；?全斷面掛鋼筋網(wǎng)片(φ8,150mm×150mm)；?對塌方空腔噴C20混凝土進行回填；?對掌子面后方已開挖的10m洞段(樁號25+246.5～25+255.5)增加10榀I20a型鋼拱架進行加固處理施工，對該洞段塌方處理至樁號25+261。

根據(jù)上述方案處理完成后，持續(xù)進行了收斂變形監(jiān)測，約40天后圍巖基本趨于穩(wěn)定，累計收斂變形值最大32mm，未超過該埋深最大允許變形值的90%(72mm)。

3.2 圍巖及拱架發(fā)生嚴重變形后的搶險處理

3.2.1 圍巖及拱架嚴重變形

由于持續(xù)降雨等原因，在圍巖基本穩(wěn)定后約60天變形觀測資料發(fā)現(xiàn)塌方支護洞段圍巖發(fā)生二次變形，且變形強烈，收斂變形量平均3～5mm/d，沉降量0.14～0.4mm/d，噴護混凝土出現(xiàn)約5～50mm裂縫，局部混凝土脫落；鋼拱架扭曲變形，已侵占了二襯位置，此時該洞段地下水由原來的清水變?yōu)閿嗬m(xù)渾濁，有時呈泥糊狀，出水點沿裂縫不斷變換位置，出水點出水量也頻繁變化，由原來固定位置變成似暴雨狀線狀多處涌水。變形情況見圖2。

圖2 變形情況

3.2.2 搶險處理方案

參建四方立即赴現(xiàn)場查看，并對此變形段(25+245～25+261)確定了如下初步處理方案：

a.打泄壓導(dǎo)水孔。在該洞段頂部100°范圍打泄壓導(dǎo)水孔(孔間、排距2m，孔深4m，孔內(nèi)安裝φ42鋼花管)進行排水，將上部巖層裂隙水釋放，減小頂部水壓。

b.增加臨時頂支加固。對樁號25+245～25+263洞段已安裝鋼拱架進行臨時頂支加固。具體做法：在起拱處和距底部約50cm處分別加設(shè)臨時水平橫撐(I16工字鋼)，底部安裝水平橫向底梁(I16工字鋼)，在水平底梁兩側(cè)分別安裝2根鎖腳錨桿(φ25，2.5m)，以增強抵抗力。

c.增設(shè)鋼拱架和水平底梁。對樁號25+245～25+263洞段已安裝鋼拱架間間隔增設(shè)鋼拱架，鋼拱架采用I20a工字鋼，并安裝水平橫向底梁(I20a工字鋼)，在水平底梁兩側(cè)分別安裝2根鎖腳錨桿(φ25，2.5m)，頂拱、側(cè)墻間用I16工字鋼縱向連接(間距1.0～1.5m)，加長鎖拱錨桿(φ25，4m)，安裝完成后噴護C20混凝土200mm。

d.底板混凝土硬化。完成拱架加固后對底板澆筑200mm厚C20混凝土。

e.拆除臨時水平橫撐。在底板硬化后滿足強度要求時拆除起拱處及距底部約0.5m處的水平橫撐。

f.加強安全監(jiān)測。現(xiàn)場派專職安全人員進行安全監(jiān)護，加強該洞段變形觀測。

3.2.3 支護二次變形

方案確定后，立即實施。樁號25+250～25+261洞段起拱處臨時橫撐時加固三天后發(fā)現(xiàn)原臨時橫撐(8根I16工字鋼)嚴重變形(彎曲、扭曲)、樁號25+256.1原拱架變形加大拱腿已失穩(wěn)(見圖3)，樁號25+250附近頂拱扭曲變形嚴重(見圖4)；塌方段兩側(cè)原穩(wěn)定洞段出現(xiàn)5～15mm裂縫，頂部混凝土掉塊嚴重(見圖5)；洞頂壓力水向上下游方向不斷延伸。

圖3 拱腿及支撐變形情況

圖4 頂拱變形情況

圖5 裂縫情況

針對變形洞段不斷擴大、加固鋼拱架變形失穩(wěn)等情況，現(xiàn)場緊急采取搶險措施：?在原臨時橫撐(I16工字鋼)上部增設(shè)I20臨時橫撐并用3根I20a縱向連接所有臨時橫撐、增設(shè)的I20臨時橫撐上部增加3道豎向支撐，底部I20a臨時橫撐增加縱向連接，增強整體抵抗力；?在出水較大處和有可能出水洞段加打泄壓導(dǎo)水孔排水。

4 第二次搶險處理方案

從搶險過程可見塌方洞段(樁號25+245～25+261)上部圍巖仍在坍塌沉降，古風(fēng)化殼殘留物在地下水作用下堆積于頂拱上，形成碎石堆積體，致使拱架和圍巖發(fā)生變形，且向上下游方向不斷擴展，局部出現(xiàn)天窗式瀉流坍塌；樁號25+234～25+245洞段和25+261～25+271洞段分別受到樁號25+245～25+261洞段變形和滲漏水的影響，形成似濁流狀碎石塊體擠壓，地下水掏蝕形成空洞造成地應(yīng)力不均勻，圍巖出現(xiàn)蠕變和突變變形。除險加固表面鋼拱架、噴錨支護已不能支撐洞室穩(wěn)定，需要對塌方段進行圍巖灌漿，使破碎巖體固結(jié)成穩(wěn)定保護殼，阻止塌方擴大。

參建四方進洞查看了變形情況并討論了方案，形成搶險意見如下：

a.搶險處理先保證洞室安全，搶險過程中加強安全監(jiān)護，確保作業(yè)人員安全，如果出現(xiàn)重大險情，作業(yè)人員及時撤離。

b.對于存在安全隱患的嚴重變形洞段加強加固，臨時橫撐全部改為I20a，并且增加縱向連接，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強抵抗力。

c.對樁號25+245～25+267洞段已安裝鋼拱架間間隔增設(shè)鋼拱架，鋼拱架采用I20a工字鋼，并安裝水平橫向底梁(I20a工字鋼)，加長側(cè)頂拱鎖拱錨桿(φ25，3m)，每榀8根，頂拱、直墻間根據(jù)情況采用φ20鋼筋配合I16/I20工字鋼縱向連接，全斷面鋼筋掛網(wǎng)(Φ8,150mm×150mm)，噴護C20混凝土。

d.該變形洞段加固完成洞室初步穩(wěn)定后，對樁號25+234～25+271洞段共約37m進行全斷面灌漿固結(jié)處理。

e.灌漿完畢洞室穩(wěn)定后拆除臨時支撐，間隔拆除臨時支撐進行變形監(jiān)測，洞室穩(wěn)定后澆筑20cm厚C20混凝土底板保證洞室安全。

f.在進行變形段處理期間，加強該洞段變形觀測。

5 斷層破碎帶除險加固方案

按照第二次搶險方案實施后，在樁號25+234～25+271洞段重新布設(shè)的6個監(jiān)測斷面顯示，一周后平均水平收斂變形0.6～1.5mm，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但已渡過危險期。

5.1 固結(jié)灌漿及灌漿材料的技術(shù)要求

a.根據(jù)該斷層洞段的地質(zhì)情況，水泥基類注漿材料難以有效固結(jié)，也難以達到穩(wěn)定固結(jié)圍巖的效果好的支護強度。因此，需采用新型化學(xué)灌漿材料進行固結(jié)處理，化灌材料應(yīng)滲透擴散性強、固結(jié)強度高、與圍巖黏結(jié)力強，施工工藝安全可靠；綠色環(huán)保、無毒無害。

b.在樁號25+245～25+261塌方洞段的固結(jié)灌漿厚度設(shè)計為4m；兩側(cè)各10m范圍洞段固結(jié)灌漿厚度設(shè)計為3m，以期把松散的圍巖固結(jié)成完整的自承載性、自支護性圍巖圈。

c.實施固結(jié)灌漿后須確保該洞段洞室穩(wěn)定，圍巖收斂變形、沉降速率和累計變形量須滿足規(guī)范要求。

5.2 擬實施的注漿方案

5.2.1 漿液選擇

本次注漿咨詢了相關(guān)專家并相互對比后，選擇了某技術(shù)有限公司的Ⅰ型瑞諾加固材料。

Ⅰ型瑞諾加固材料是一種新型化學(xué)灌漿材料，由A、B兩組分組成，現(xiàn)場施工時由氣動注漿泵自動按照1∶1體積比進料、混合、注入圍巖中。此化灌材料的物化性參數(shù)見表1。

表1 瑞諾加固材料物化性能參數(shù)(Ⅰ型)

Ⅰ型瑞諾加固材料相比傳統(tǒng)化灌材料具有以下優(yōu)異特性：

a. 100%樹脂含量，沒有任何溶劑和非活性成分，無有害性的化學(xué)成分；而國內(nèi)傳統(tǒng)的化灌材料一般都摻有一定量的有害的非活性溶劑。

b.漿液黏度低，滲透擴散性好，漿液的固結(jié)速度較快，一般在巖石中滲透擴散距離為3～5m。

c.漿液固結(jié)強度增長快速，1h能達到40MPa以上。

d.漿液可以根據(jù)工程需要配置成在富含水圍巖中不發(fā)泡，有效固結(jié)和增強；也可以配置成在富含水圍巖中與水反應(yīng)發(fā)泡膨脹，發(fā)泡倍數(shù)可以調(diào)整。而傳統(tǒng)的化灌材料要么在富含水圍巖中較難固結(jié)(如環(huán)氧類灌漿材料)，要么在富含水圍巖中發(fā)泡嚴重，強度很低，固結(jié)圍巖的效能差(無法實現(xiàn)可控的發(fā)泡特性)。

e.Ⅰ型瑞諾加固材料由A、B雙組分按固定體積比1∶1包裝，現(xiàn)場無需調(diào)整配比，經(jīng)配套的雙組分注漿泵自動進料、混合、輸出，且輸出流量大(最大流量達到20L/min以上)，整個系統(tǒng)工藝先進可靠。而傳統(tǒng)化灌材料需要在施工現(xiàn)場配置漿液，注漿泵無法在圍巖中實現(xiàn)均勻的滲透和控制擴散固結(jié)范圍。

5.2.2 注漿孔布置設(shè)計

a.樁號25+245～25+261洞段。每環(huán)布置注漿孔7個，1、2、7號孔，孔深4m；3～6號孔，孔深3m；孔徑42mm。注漿孔每環(huán)間距2.0～3.0m。該洞段共設(shè)計5排注漿孔。注漿孔布置見圖6。

圖6 化灌注漿孔布置示意圖(單位：mm)

b.兩側(cè)洞段?？紤]到該洞段的變形相對較小，從經(jīng)濟和技術(shù)可靠角度，設(shè)計注漿孔孔深為3m，孔徑為42mm，孔排距2.0～4.0m。注漿孔孔位布置方式同上。注漿孔數(shù)為56個。

由于斷層破碎帶地質(zhì)情況復(fù)雜，施工中根據(jù)實際情況隨時調(diào)整孔位及間排距，保證固結(jié)灌漿效果。

5.2.3 注漿

5.2.3.1 試驗和檢查

將樁號25+239～25+245洞段作為本次除險加固注漿實驗段，實驗段加固效果滿足工程要求后繼續(xù)施工；注漿完成后鉆孔打檢查孔檢驗注漿效果，檢查孔孔深4m。

注漿過程中根據(jù)現(xiàn)場情況和檢查孔檢驗效果，對滲水大、吃漿量小的局部洞段進行二次灌漿，保證工程質(zhì)量。

5.2.3.2 注漿工藝

用6分無縫壓力注漿鋼管或中空自攻式麻花鉆桿連接封孔器，封孔安裝在孔口0.5m左右位置。

在封孔器外連接可曲撓管、注漿槍注漿泵出料管。

注漿壓力不大于8MPa。

5.2.3.3 注漿泵及配件

a.注漿泵。本化灌材料配套的注漿設(shè)備為雙組分氣動注漿泵，由空壓機帶動，壓風(fēng)要求0.4～0.8MPa，壓風(fēng)流量≥3m3/h。該泵可自動進料、混合、輸出。具體參數(shù)見表2，注漿泵見圖7。

表2 雙組分氣動注漿泵性能參數(shù)

圖7 氣動注漿泵

b.注漿配件?，F(xiàn)場注漿需要配備高壓漿液輸出膠管(10m/根)、可曲撓銅管(2m/根)、封孔器(30cm/根)、無縫注漿鋼管(1m/根)、專用注漿混合槍等?，F(xiàn)場連接用A13快接或M2.5×20細螺紋方式。注漿配件連接見圖8。

圖8 注漿配件連接簡圖1-注漿管;2-封孔器；3-快速接頭;4-專用注漿槍;5-高壓膠管;6-氣動注漿泵;7-A組分;8-B組分

c.注漿封孔器使用。選用的注漿封孔器外徑36mm，加壓到3MPa時快速膨脹到60mm左右，可快速封堵住注漿孔，且具有不可逆泄壓性；之后漿液頂開封孔器前端的薄鋁片，漿液在壓力驅(qū)動下快速滲透、擴散至周圍裂隙中，并與水發(fā)生作用，膨脹固結(jié)，封堵住滲水、涌水通道。

5.2.3.4 注漿用量及耗時

根據(jù)上述設(shè)計方案，固結(jié)洞段長度為37m，加固圍巖漿液體積為2617.4m3×2.4%=63m3，重量約37.2t，固結(jié)耗時8天。

6 斷層破碎帶初支變形處理效果

7號支洞控制主洞下游25+234～25+271段經(jīng)過上述方法處理后，洞室未再出現(xiàn)安全隱患，累計收斂變形值最大17mm，后經(jīng)過近一年多的持續(xù)變形監(jiān)測，已經(jīng)穩(wěn)定。

7 結(jié) 語

山西省小浪底引黃工程施工Ⅴ標(biāo)7號支洞控制主洞下游變形搶險施工中采取臨時支撐加強支護體系，保證灌漿期間洞室穩(wěn)定，防止灌漿固結(jié)過程中發(fā)生塌方等次生災(zāi)害，之后用化學(xué)灌漿對洞室圍巖進行固結(jié)，形成保護殼，確保洞室安全，成功處理了斷層破碎帶，方法簡便易操作，且耗時較短，希望此案例可為類似工程提供借鑒。