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某输水隧洞工程地质条件和施工处理建议

来源:原创论文网 添加时间:2021-10-11

  摘    要: 以实际输水隧洞为研究对象,通过地质勘查与试验,对输水隧洞沿线的基本地质条件和主要工程地质问题进行了分析和评价,对影响隧洞施工的地下水进行了专门研究,并提出了隧洞支护衬砌、灌浆、通风与排水等工程措施,可为后续地下工程设计、施工处理相关工程地质问题提供参考。

  关键词 :     输水隧洞;工程地质评价;地下水;支护衬砌;对策;

  1、 工程概况

  某水库建设工程-主体、水保、环评部分施工包含引水隧洞一条,建筑级别为三级,该条隧洞一洞三用,集发电、导流、放空功能为一体,进口采用龙抬头方式,进口高程120.0m, 引水主洞段长483.15m, 洞径为3.0m, 底坡i=0.004,采用钢筋混凝土衬砌。主洞后分为两支,岔洞用来发电,发电岔洞长62.6m, 其后接露天式压力钢管,压力钢管主管长27.3m, 其后分为三个岔管“卜”型进入厂房机组,支洞则用来导流放空,支洞段长99.44m, 其后接埋地式压力钢管,总长13m, 出口采用锥形阀消能。

  2、 工程地质条件

  2.1、 基本地质条件

  输水隧洞布置于顺流右岸,沿线植被覆盖较好,山高林密,人口密度小,耕 地不多,坍塌、滑坡等不良物理地质现象不发育,侵蚀作用微弱。地表分布白垩 系上统江底河组下杂色泥岩段(K2j1)和马头山组(K2m)地层,岩性以砂泥岩为主, 岩层倾向87-90°、 倾角35-38°,岩层走向与洞轴线斜交,夹角78-81°,接近垂直,洞身围岩为强-弱风化状态,粉砂质泥岩、泥灰岩属软弱工程地质岩组、 长石石英砂岩属坚硬工程地质岩组,进出口围岩多为Ⅴ类,洞身段多为Ⅲ-Ⅳ类。 沿线未发育大的断裂构造和缓倾角结构面、软弱夹层 ,地层分布连续、岩性单 一、产状变化不大,隧洞进出口边坡、基础总体稳定。隧洞最大埋深300m左右, 洞身多处在地下水位线以下,地下水对隧洞施工影响较大,施工中应充分考虑洞 身排水问题。

  2.2、 输水隧洞工程地质问题评价

  2.2.1、 地表水对输水隧洞的影响

  根据收集资料及踏勘,沿线穿越箐沟较多,多为间歇性流水箐沟,地表无坝 塘、水库等地表水体存在,地表水对输水隧洞的施工影响较小,可不考虑。

  2.2.2、 地下水对输水隧洞的影响

  经对输水隧洞沿线走访踏勘,隧洞穿越箐沟多为间歇性流水箐沟,沿线地表 无泉点出露,但隧洞最大埋深达300m, 洞身长,地下水对隧洞施工的影响较大。 输水隧洞施工涌水量计算,采用大气降水入渗估算法、裘布依理论公式及正常涌水量经验公式三种方法计算[1]。
 

某输水隧洞工程地质条件和施工处理建议
 

  1)大气降水入渗法

  Q=a×F×P/365 (1)

  式中:Q为隧洞涌水量,m3/d; a为大气降水入渗系数,取10%;F为隧洞影响带汇水面积,按隧洞两侧各400m计;P为大气降水量,当地年平均降水量 上限,根据水文资料,计算得P=1328mm。

  2)正常涌水量经验公式法

  Q= LkH(0.676-0.06k) (2)

  式中:Q为隧洞涌水量, m3/s; L为隧洞长,3262.4m; k为含水体的渗透 系数,m/d, 按钻孔压水吕荣值平均5Lu换算得0.0432m/d; H为洞底以上潜水(含水体)的厚度,按分段地下水位线以下至隧洞底板厚度,m。

  3)最大涌水量经验公式法

  Q= L(0.0255+1.9224kH) (3)

  式中:字母含义与公式2相同。

  现根据上述3种公式计算输水隧洞施工涌水量见表1。

  表1 输水隧洞涌水量估算
表1 输水隧洞涌水量估算

  根据以上3种公式对输水隧洞分段的涌水量估算,施工过程中应充分考虑隧 洞的排水问题。

  2.2.3 、洞身围岩突发涌水、突泥的问题

  根据4个勘察钻孔资料分析,输水隧洞进出口部分洞身段围岩为强风化外, 大部分洞身段围岩均为弱风化,围岩相对完整、节理裂隙不发育。4个钻孔地下 水位埋深12.30-67.0m之间,洞身均在地下水位线以下及地下水位线附近,4个钻孔在洞身围岩上下共压水8段,吕荣值在2.33-12.65Lu之间,平均5.84Lu, 围岩多为弱透水层和相对隔水层,局部为中等透水层,洞身围岩透水性弱,在施 工过程中突发涌水、突泥的可能性不大,应做好预防工作,确保隧洞施工安全。 输水隧洞钻孔勘探成果见表 2。

  表2 输水隧洞钻孔勘探成果
表2 输水隧洞钻孔勘探成果

  2.2.4、 输水隧洞产生岩爆的可能性

  岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,根据发生 岩爆的条件分析如下:①根据工程区域内地质构造性质、分布规律及地震发生的历史和国家质量技术监督局发布的《中国地震动参数区划图》综合分析:工程区新构造运动迹象不明显、晚近时期构造活动不强烈、地震基本烈度为Ⅶ度,地震动峰值加速度0.10g, 地震动反映谱特征0.45s, 所以工程区不属于以构造应力为主的强烈上升地区。②输水隧洞位于属中高山侵蚀构造地形地貌,隧洞洞身全长3200m, 洞身埋深5-300m, 最大埋深300m, 自重应力较小,不属于自重应力为主地区,不属高山峡谷区、不属边坡应力集中的傍山隧洞。③输水隧洞洞身围岩为砂泥岩互层,属软弱-坚硬工程地质岩组,根据钻孔资料分析,RQD值在0-89%之间,岩体完整性为较破碎-较完整,岩体质量为非常不好-非常好,故产生岩爆的可能性较小。④4个钻孔地下水位埋深12.30-67.0m之间,洞身围岩均在地下水位线附近及以下。根据对输水隧洞分段的涌水量估算,洞身施工受地下水影响较大。

  综合上述分析[2],输水隧洞施工洞身围岩不会产生岩爆。

  2.2.5、 输水隧洞洞身围岩稳定问题

  输水隧洞进口地形坡度35-40°,出口地形坡度25-30,洞身埋深5-300m, 围岩为粉砂质泥岩夹泥灰岩、长石石英砂岩夹粉砂质泥岩,强-弱风化。进出口 洞身段围岩类别为Ⅴ类,洞身围岩类别Ⅲ-Ⅳ类。总体上隧洞成洞条件较好。存 在的主要问题是地下水对洞身施工的影响以及进出口段洞身围岩坍塌、掉顶的稳 定问题,施工中应做好排水工作,及时做好临时支护和加强施工安全管理工作。

  2.2.6、 隧洞高地温问题

  工程区不属于以构造应力为主的强烈上升地区,隧洞洞身全长3200m, 洞身 埋深5-300m, 自重应力较小,不属于自重应力为主地区。隧洞埋深小于1000m 时,地温起伏变化不大,而且洞身多在地下水位线以下,工程区隧洞沿线无温泉出露,所以输水隧洞施工不会产生高地温问题。

  2.2.7 、有毒、有害气体的影响

  输水隧洞洞身埋深5-300m, 洞身围岩为为粉砂质泥岩夹泥灰岩、长石石英 砂岩夹粉砂质泥岩,强-弱风化,隧洞不穿过含煤层,在施工中除爆破产生的炮 烟、氧气不足外,不会产生瓦斯、天然气、硫化氢、甲烷等有毒、有害气体和可 燃气体。施工中爆破产生的炮烟主要成份是一氧化碳和氮氧化物,需要通过一定 的通风和时间,才能将有毒气体排除或稀释到安全浓度。

  2.2.8、 矿山、矿洞对输水工程的影响

  输水隧洞沿线无矿山、矿洞,故矿山、矿洞不会对输水隧洞施工产生影响。

  3 、施工处理建议

  进口和出口段开挖进洞后应及时进行混凝土锁口,并采用钢支撑支护掘进, 必要时采用超前锚杆掘进,洞身掘进至岩体相对完整时修整断面及时进行初期支 护,掘进过程中根据岩石级别、岩体完整程度控制爆破用药量。进、出口段宜采 用浅孔小药量控制开挖洞断面,洞身段宜采用秒管(雷管)控制、掌子面中心掏槽、 洞断面边缘光面爆破技术掘进,局部裂隙发育掉块地段采用喷混凝土护壁后在进行掘 进。加强隧洞施工安全管理,做到短进尺、弱爆破、多循环、快支护、勤排水的 工程措施,保证隧洞施工安全。

  3.1、 支护衬砌

  由于隧洞洞身较长,而且没有地形条件布置支洞,为便于施工、节省工期考 虑,施工时隧洞开挖后及时进行初期支护,二期支护在洞身全部打通后进行[3]。

  1)Ⅴ类围岩段(0+000.00-0+200.00、3+000.00-3+200.00)

  初期支护采用钢支撑喷混凝土支护,钢支撑采用16号工字钢制作,每0.5m架设 一榀,钢支撑之间采用Φ25mm钢筋连接,连接钢筋间距200mm, 钢支撑架设后采用C20混凝土喷护,喷护厚16cm。底板浇筑 20cm厚C20混凝土。

  2)Ⅳ类围岩段 (0+200.00-0+800.00、2+910.00-3+000.00)

  初期支护采用钢支撑喷混凝土支护,钢支撑采用16号工字钢制作,每1m架设一榀,钢支撑之间采用Φ20mm钢筋连接,顶拱连接钢筋间距200mm, 边墙连接钢筋间距300mm, 钢支撑架设后采用C20混凝土喷护,喷护厚16cm, 底板浇筑 20cm厚C20混凝土;其余Ⅳ类围岩段(0+800.00-2+200.00、2+700.00-2+910.00)初期支护采用钢筋挂网喷锚支护,锚杆采用Φ20mm钢筋制作,根长2m, 间排距1m, 为全长黏结型锚杆,钢筋网采用φ8mm 钢筋制作,间排距0.25m, 喷混凝土厚10cm。底板浇筑20cm厚C20混凝土。

  3)Ⅲ类围岩段(2+200.00-2+700.00)

  初期支护采用锚喷支护,锚杆采用Φ18mm钢筋制作,根长2m, 间排距 1.5m, 为全长黏结型锚杆,C20喷混凝土厚10cm。底板浇筑20cm厚C20混凝土。

  二期支护采用C25钢筋混凝土衬砌,其中0+000.00-0+800.00和 2+910.00-3+200.00段衬砌厚度0.40m, 0+800.00-2+910.00段衬砌厚度0.30m。输水隧洞衬砌断面设计图见图1。

  图2 输水隧洞衬砌断面设计图
图2 输水隧洞衬砌断面设计图

  3.2、 施工灌浆

  隧洞在开挖过程中回填灌浆:顶拱120°范围,排距2-3m, 1-2孔/排,梅 花型布置。灌浆压力初步确定0.3MPa, 对衬砌隧洞进行全线回填灌浆,目的是 为填充隧洞超挖,围岩裂隙以及衬砌与周围岩体之间存在的空隙,使二者结合紧 密,以改善围岩与衬砌结构的传力条件,并且可以减少围岩渗漏。

  3.3、 施工通风

  隧洞通风方式采用压入式通风,每个错车道洞顶设一轴流风机满足通风要求,本工程通风方案为:本次隧洞群施工通风采用压入式,风管采用优质软质风管,新鲜风流通过轴流风机向掌子面送风,有毒(害)气体、污染空气沿主洞口排出,通风方案示意图见图2。

  图3 隧洞通风方案示意图
图3 隧洞通风方案示意图

  3.4、 施工排水处理对策

  本次隧洞开挖采用进出口双向开挖,施工排水采用集水坑与水泵、排水沟、排水管相结合的排水方式,集水坑位于开挖衬砌断面以 外,具体位置根据实际情况确定,集水坑顶设安全防护盖。具体处理措施如下:

  从出口往进口方向开挖,属于顺坡排水,在确保不出现大的地下水涌水、渗 水时,隧洞底板两侧设置排水沟,将水引至洞外,距离出口太长时,可先将水引至洞内集水坑,再通过水泵抽至洞外集中处理;从隧洞进口向出口方向开挖时,属于逆坡排水,需要通过抽排水设施(水泵)进行排水,水泵功率必须满足排水要求,先通过水泵抽至集水坑再通过水泵抽至洞口,水量较大时,可采用钻汇水孔汇集地下水,还需要通过超前钻孔预报,或采用灌浆阻水,充填掘进面前方周边围岩地下出水裂隙,形成止水圈(或加固圈),以避免因开挖引起洞周地下水大量 泄放,增加后期处理难度和恶化施工条件。

  4 、结论及建议

  总体来说,输水隧洞沿线工程地质条件不复杂,但输水隧洞无支洞,进出口 双向开挖单程线路1.6km, 开挖线路较长,存在的问题是进出口段洞身围岩坍塌、 掉顶、洞身段围岩的稳定、地下水对隧洞施工的影响等问题,施工中应做好临时 支护和和排水、通风等安全措施,加强施工安全管理工作。

  参考文献

  [1]王浩宇长输水隧洞中地下水影响评价分析及措施[J]陕西水利, 2020(01):117-119.
  [2]刘勇水城县观音岩水库输水系统工程地质条件及评价[J].陕西水利, 2016(06):61-62.
  [3]张新兴百色水利枢纽导流隧洞工程地质分析及开挖支护措施[J]广西水利水电, 2014(05):54-59..

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