某工程放水洞设计及对不良地质情况的处理

***红山水库除险加固工程放水洞设计和施工中对不良地质情况的处理***红山水库地处***盆地西部边缘，水库库区为一天然形成的低洼封闭盆地，未筑坝；水库总库容5350万m3。新建放水隧洞位于库区东岸，全长1156m，其中有压洞200m，无压洞956m，均为城门洞型，底板两边设倾角为45度的对称肋脚，洞身开挖断面2.8*3.0m，衬砌厚度40cm，为钢筋混凝土衬砌。洞轴线穿越红山水库与白杨河之间的台地。1工程地质概况隧洞所处区域地层上部为第四纪上更新新世冲洪积堆积（Q3al+pl）卵砾石，厚度2～15m，稍密—中密态，中粗砂、泥质充填；下部为上第三系中新统桃树园组（N1t）红色泥岩、灰白色泥岩与青灰色砂岩互层，处于局部小背斜南翼，为卵砾石下卧层。隧洞有压洞及无压洞0+000～0+900地段分布岩层为红色泥岩，其节理裂隙发育,为碎裂结构，地层近于水平，倾角8.5°～10°，由南东向北西厚度由大变小，直至尖灭，其强风化层底限埋深50m，中等风化层底限埋深55m，其下为弱风化层、新鲜岩层，在垂直方向上随深度的增加岩体完整性由差变为较好；具崩解性、膨胀性、弱腐蚀性，饱和单轴抗压强度低、岩体完整性差的特点。该区段在无压洞0+155桩号处为一宽为1m的断层，开挖后在断层处形成2.0m的塌落拱。在放水隧洞的出口0+900～0.956区段岩层为厚度约15m的灰白色泥岩与青灰色砂岩互层，地层产状SW213°∠8.5°～10°，处在局部小背斜的核部及南翼，与下伏地层为整合接触关系。其中0+907～0+917段为一断层破碎带，断层宽10m，破碎带由砂、砾石和泥岩角砾组成，无层理，砾石局部呈直立定向排列，断层总体走向290°，根据现场调查，未见活动迹象；0+900～0+907和0+917～0+928段岩层为第三系青灰色砂岩、砂砾岩组成，受断层影响，岩层破碎无层理，局部呈流沙状态；0+928～0.956区段岩层为第三系灰白色泥岩、青灰色砂岩、砂砾岩互层，该区段上覆岩体厚3～8m，洞室岩体由强风化岩石组成，泥岩风化裂隙发育，砂岩、砂砾岩局部呈流沙状态。放水隧洞进水口处于上第三系中新统桃树园组（N1t）砖红色泥岩之中，在在水库设计蓄水位线和水位275.0米之间为高陡边坡，边坡多处于不稳定状态，可出现大面积的坍塌，导致边坡的再造，重塑边坡的稳定性，由于其节理裂隙发育，岩体属碎裂结构，成洞条件差。工程区分布的红色泥岩、灰白色泥岩与青灰色砂岩，均属软质岩，最大围岩压力4.1MPa，围岩类别除出口0+900～0.956区段为Ⅴ类外，余均为Ⅳ类，围岩稳定为Ⅲ类，稳定性差。该放水隧洞的工程地质问题有：断层、围岩不稳定、出口砂岩坍塌、围岩具膨胀性、崩解性、对混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性、进水口处高陡边坡不稳。2放水洞进、出口位置选择及设计根据放水洞进口工程地质条件，进水口选择在水位275m以下成洞条件相对较好，边坡相对稳定和平缓的位置，经技术经济比较，在平面布置上，选择明渠、涵洞和有压洞顺序相接的布置方式，经开挖处理，在围岩相对稳定和完整的位置形成洞口，洞口上覆岩体厚度为4.0m，洞口开挖后，边坡及洞室均稳定，未发生坍塌。放水洞出口围岩厚度3m，岩层为第三系灰白色泥岩、青灰色砂岩、砂砾岩互层，砂砾岩局部呈流沙状态，不具备成洞条件，设计时根据地形地质条件，沿轴线向上游开挖6.0m，开挖后形成的洞室上覆围岩厚度为8.0m，洞口经锚喷处理，放水洞出口洞室和开挖后形成的边坡处于稳定状态对于硫酸根离子等腐蚀的设计处理方案放水洞初设阶段地质勘察报告对围岩腐蚀性的试验结论为围岩中硫酸盐、镁盐、总矿化度等介质对砼不具腐蚀性，围岩对钢筋混凝土结构中钢筋具弱腐蚀性围岩对钢结构具强腐蚀性，初步设计中对腐蚀性的处理设计方案为在衬砌混凝土中搀加20%的矿渣微粉。隧洞洞室开挖后，通过对在有压洞拱顶渗出的水进行水质检验全分析，实验结果为SO42-含量为7367.8mg/l，cl-含量4023.6mg/l，表明围岩对混凝土、钢筋混凝土结构中钢筋和钢结构均具强腐蚀性，为满足隧洞衬砌体抗围岩腐蚀性的要求，通过混凝土配合比实验，确定在混凝土中掺加矿渣微粉，其中拱顶泵送混凝土中掺加的矿渣微粉占胶凝材料的40%，边墙和底板混凝土的矿渣微粉占胶凝材料的60%。隧洞开挖初期支护方案由于洞身小，工期紧，经技术经济比较，采用全线开挖完成后再衬砌的施工方案，这就要求必须采取相应的初期支护措施，针对隧洞沿线不同的地质条件，本工程在开挖过程中，采用不同的初期支护方法和技术，不仅保证了施工安全和工期而且大幅度节约工程支护投资，取得了很好的经济效益。隧洞除有压洞段、出口段和部分断层、大的裂隙发育区段外，大部分区段主要为小规模节理和裂隙，围岩整体性较高，基本处于稳定状态，但洞室开挖后由于暴露时间长，风化快，而且围岩小规模节理和裂隙发育、岩层层向近似水平且层厚无规则，使得洞室开挖后剥落掉块频繁，其主要发生在水平层向的拱顶和拱腰，塌落掉块面积在0.25～0.5m2之间，其次发生在边墙风化、龟裂后的块状掉落，掉块面积在0.018～0.25m2间，针对这种状况，本着施工安全快捷、投资小的原则，反复进行了各种支护工艺的实验，最后确定采用洞身设计混凝土衬砌外层纵、横向钢筋作为基本支护体，再在拱脚以上部位用锚杆锚固挂设￠8，间距200×200(mm)，宽1.0m的钢筋网片。锚固钢筋网片的锚杆为￠25，长1.5～2.5m，设在两拱腰和两起拱点处，间距1.0m；设计混凝土衬砌外层纵、横向钢筋基本支护体的制安为在边墙底部、起拱点和拱顶设一排五根长0.4m的￠16锚杆，锚杆每排间距2.0m，衬砌外层钢筋焊接的锚杆上，外层钢筋纵、横向间距均为200mm，规格为纵向钢筋为￠12、横向钢筋为￠16，￠16外层横向钢筋每隔2.0m一根的底部弯成直角。弯起长度为150mm，直接与底板基岩接触，承受整体钢筋支护体的自重和围岩掉块的重量。这样的支护措施实施后，支护体承受了全线岩块的掉落和多处小塌方承压不变形，证明这种支护措施在有小规模节理和裂隙发育，围岩整体性较高、基本处于稳定状态的隧洞施工初期支护中是有效和经济的，值得借鉴和推广。此隧洞有压洞段额和部分断层、侮大的裂隙发育筛区段的支护采拔用钢拱架和锚激喷相结合的方铸式进行隧洞的弄初期支护，由宇于有压洞段和本部分断层、大拔的裂隙发育区夏段裂隙发育，暖开挖后均发生传不同程度的掉臭块塌落现象，用该段采用钢拱朴架和和锚喷相俯结合的方式，逆其中钢拱架革为虾1鸦6凶号工字钢，间饺距惩2.0m星，锚杆为恭￠诊2织5改，戴长茎2.孔0雄～桌3亮.0m裳，锚杆间距贫0.8m粉，喷射混凝土研层厚鄙度肚10圣0熟～薯150m域m衡。己放水洞出口洞小室支护，由于乓岩层为第三系监灰白色泥岩、种青灰色砂岩、报砂砾岩互层，加砂砾岩局部呈聚流沙状态，经已反复试钻，锚点杆无法有效的榨发挥支护作用挎，故此区段断数层和流砂层采装用钢拱、钢板秀和混凝土素喷五相结合的支护端方式，其中拱届脚以上部位为赏2mm烛厚的钢板，直酸墙采用混凝土柄素喷，钢拱架楚为侵1护6照号工字钢，间闪距中2.0m铸。此区段其他乡部位其支护方间式同隧洞有压茎洞。猎通过对隧洞各佳区段不同地质端情况采取各种渗不同支护方式翻，有效的达到乎了初期支护的牌作用，隧洞开胜挖如期完工，后而且达到了安吐全生产拌。帅肉对断层的处理想方案荐红山水库放水碑洞全线有两处费断层，其中无奶压稀洞损0+15绳5丢处断层宽粗1.0m神，断层影响带逃宽吃5.0m温，经过对断层仰表现的地质现运象的分析，确妹定对断层及影私响带段与其他烘段设结构缝、抵断层处衬砌厚窝度经计算分析城加厚为摇500mm奋，纵横向钢筋航均加密加密，命回填及固结灌遣浆孔加密，固蜡结灌浆孔排距腿2.0m大，每排六孔，筝梅花型布置；诚回填灌浆孔排虚距石2.0m陷，间隔每排三怠孔、两孔，梅究花型布置。且乏要求施工中在金断层处必须设学回填及固结灌觉浆孔。忆0+90棵7馒～赢0+91斤7昌段断层宽荐10m麻，为一断层破碑碎带，破碎带疤由砂、砾石和阵泥岩角砾组成植，无层理，砾做石局部呈直立骤定向排列，断灶层总体走锹向障290弊°戚，由