大断面隧洞断层处理技术研究——以巴拉水电站Fx1断层为例

摘要:本文以巴拉水电站引水隧洞Fx1断层处理工程为背景，针对大断面隧洞穿越大规模断层破碎带的复杂地质条件，系统阐述了塌方段与变形段的综合处理方案。通过反压回填、管棚注浆、排水导渗、分部开挖及混凝土衬砌等关键技术措施，有效控制了围岩变形与地下水危害，确保了施工安全与结构稳定。研究成果可为类似工程提供重要参考。

引言：

随着水利水电工程向高海拔、深埋方向发展，大断面隧洞穿越复杂地质构造的情况日益增多。断层破碎带作为最常见的不良地质体，其具有岩体破碎、自稳能力差、地下水活跃等特点，极易引发塌方、突泥涌水等灾害，严重威胁施工安全与工程进度[1-2]。巴拉水电站引水隧洞Fx1断层规模大（宽25~30m，影响带宽85m），且与引水隧洞小角度相交，围岩等级以Ⅴ类为主，地下水丰富，是典型的大断面隧洞断层处理难题。本文结合该工程实践，系统总结大断面隧洞断层处理的技术体系与实施经验。

1. 工程概况与地质条件

1.1 工程简介

巴拉水电站引水隧洞总长6.805km，设计断面为圆形，开挖断面直径14米（Ⅱ、Ⅲ类围岩）围岩顶拱270°范围采用喷20cm厚混凝土为永久支护，底拱90°范围浇筑C25F100W6混凝土，混凝土衬砌厚度60cm；或12.9米（Ⅳ类围岩）衬砌厚度0.8m,，13.4米（V类围岩）衬砌厚度1m,衬砌后内径统一为11米。Fx1断层为区域性活动断裂，走向NW30°，倾向SW，倾角75°，与引水隧洞在3#施工支洞下游以15°小角度相交。根据断层段开挖揭露，Fx1断层核心带宽度25~30m，影响带宽度约85m，主要由全风化~强风化的碎裂岩、断层泥组成，局部夹杂未完全风化的岩块。

1.2 工程地质与水文条件

•岩体特性：断层带内岩体呈碎块~碎裂结构，节理发育，RQD值普遍小于25%，属极不稳定围岩；

•地下水条件：受火烧山2#冲沟地表径流补给，断层带地下水活跃，实测单孔涌水量达5~8L/min，水化学类型为HCO₃⁻-Ca²⁺型，对普通硅酸盐水泥具弱腐蚀性；

•地应力特征：隧洞埋深120~300m，最大水平主应力约12MPa，方向近EW向，与洞轴线夹角较小，易加剧围岩片帮。

上述条件导致Fx1断层段施工中多次发生塌方（累计塌方量约1200m³）与初期支护变形（最大收敛值3.5cm），需采取针对性处理措施。

2. Fx1断层塌方段处理方案

2.1 塌方原因分析

塌方发生在桩号隧5+299~5+307段，主要原因包括：①断层带岩体强度低，无法承受拱顶荷载；②地下水软化岩体，降低摩擦系数；③原支护参数（间距1.2m的I20a工字钢+Φ42mm超前小导管）偏弱；④掌子面暴露时间过长（超24h），未及时封闭。

2.2 综合处理技术

2.2.1 应急封闭与反压加固

•掌子面封闭：塌方后立即采用渣料反压掌子面（防止进一步垮塌），并对渣料反压范围外及顶部垮塌空腔采用砂袋回填（厚度≥2m），表面喷射20cm厚C20早强砼，防止空腔扩大；预埋4根Φ200mm钢花管（间距1.5m×1.5m）引排渗水，避免积水浸泡渣料。

•反压渣料固结：对反压至隧5+290以上的渣料分层湿喷C20砼（厚度20cm），形成临时止水壳；随后布置2排Φ108mm×6mm灌浆花管（间排距1m×1m，长度9m），注入水泥-水玻璃双液浆（水灰比1:1，水玻璃模数2.8~3.2，浓度35Be'），终压控制在1.5~2.0MPa，使松散渣料胶结成整体。

2.2.2 塌方空腔处理

•探测与管棚布设：采用跟管钻进技术（套管直径Φ127mm）探测空腔范围，确定塌方高度3~5m；沿洞轴线方向布置3排Φ108mm×6mm钢花管，第一排（距塌方边缘0.5m）3根，仰角10°，长度8m；第二排4根，仰角30°，长度10m；第三排3根，仰角45°，长度12m，形成扇形加固区。

•注浆工艺优化：采用“由下至上、间隔跳注”方式，先注单号孔再注双号孔，防止串浆；浆液配比为水泥:水玻璃=1:0.6（体积比），初凝时间控制在30~60s；注浆压力从0.5MPa逐步升至1.2MPa，当吸浆率＜1L/min时持续10min结束。

2.2.3 渗水处理

•深层排水：在掌子面左侧施作2个排水孔（Φ108mm×6mm，长度40m），分别以15°（水平）和90°（垂直）角度钻进，将前方山体水引至洞内排水沟；

•地表截排：在火烧坝2#冲沟铺设风筒布（幅宽2m），将地表径流直接跨越隧洞上方，避免下渗补给。

3. 变形段处理方案

3.1 变形特征与评估

桩号隧5+285~5+291段初期支护出现裂缝（最大宽度5mm）、喷层脱落，累计收敛变形3.5cm，超出允许值（规范限值2cm）。经四方会议论证，判定为“结构性变形”，需加强支护并尽快完成永久衬砌。

3.2 处理措施

•临时支撑：在变形区增设I25a工字钢横向支撑（间距1m）与竖向立柱（每榀拱架设2根），限制进一步变形；

•扩挖与衬砌准备：清除反压渣料至钢模台车轨道高程，对底板进行二次扩挖（深度0.95m），满足台车安装空间；

•钢筋施工保障：在两侧砌筑砂袋（高度1.2m），内部插入I25a工字钢作为模板支撑，防止钢筋绑扎时下沉；

•分段衬砌：采用12m钢模台车进行上半断面衬砌（角度214°），每6m一段单侧开挖下部，及时施作边墙组合小钢模（厚度δ=6mm，块体尺寸1.5m×1.0m），并在施工缝设置橡胶止水带。

4. Fx1断层及其影响带施工方法

4.1 开挖支护技术

4.1.1 超前支护体系

•双层管棚：在洞顶180°范围内施作Φ108mm×6mm注浆管棚，分为两层：第一层仰角3°，间距0.25m；第二层仰角6°，与第一层交叉布置，搭接长度7m，外露0.5m；管棚内设置3根Φ22mm钢筋笼，提高抗剪强度。

•径向小导管：系统锚杆调整为Φ48mm×4mm自进式注浆小导管（长度6m，间排距1.0m×1.0m），注浆压力0.8~1.0MPa，填充围岩裂隙。

4.1.2 分部开挖工艺

•双侧壁导洞法（适用于覆盖洞身≥50%段）：左、右导洞领先中间部分各5m，每循环进尺0.5m，采用60型小挖机配合弱爆破（药卷直径φ32mm，线装药密度150g/m）；开挖后立即初喷3~5cm C20砼，架设I25a工字钢（间距0.5m），挂设Φ8mm钢筋网（网格20cm×20cm），复喷至覆盖钢架2cm。

•单侧壁导洞法（适用于覆盖洞身＜50%段）：导洞领先另一侧10m，每循环进尺1m，其他工序同双侧壁法。

4.1.3 动态调控机制

建立“监测-反馈-调整”闭环管理：每日进行拱顶沉降（测点间距5m）与周边收敛（十字交叉布点）监测，若日变形速率＞5mm/d，立即增加临时支撑；待变形稳定后，切除内侧导洞钢架，进行永久衬砌。

4.2 混凝土衬砌技术

4.2.1 衬砌结构设计 

•衬砌厚度：Ⅳ类围岩段0.8m，Ⅴ类围岩段1m；

•钢筋配置：双层配筋（环向内外侧钢筋调整为C32@12.5cm，纵向内外层分布筋调整为C25@20cm），保护层厚度5cm；

•施工缝处理：每12m设一道橡胶止水带（规格CB30×8-30型），表面涂刷水泥基渗透结晶材料。

4.2.2 关键施工环节

•钢筋安装：底板预留钢筋插入砂垫层（深度≥30cm），浇筑前清理砂粒，确保搭接长度≥35d；

•模板体系：上半断面采用12m钢模台车，下半断面采用组合小钢模（单元尺寸1.5m×1.0m），封头使用异型木模板（厚度3cm）；

•混凝土浇筑：采用HBT80泵送C30W6F200混凝土，入仓坍落度16~20cm，两侧对称上升，高差≤50cm；振捣选用Φ50mm插入式振捣器，间距≤40cm，插入下层5cm；

•养护：拆模后立即覆盖土工布，洒水养护不少于28天，重点养护施工缝部位。

5. 技术创新与经验总结

5.1 技术创新点 

•多维度渗控体系：通过深层排水孔+地表截排+管棚注浆，构建“防-排-截”综合防水网络，将地下水压力降至0.3MPa以下；

•分级加载理念：反压渣料固结→管棚注浆→分部开挖→永久衬砌，实现荷载逐步转移，避免应力集中；

•智能监测应用：引入微震监测系统（传感器频率10~1000Hz），实时捕捉围岩破裂信号，预警塌方风险。

5.2 实践经验

•快速响应机制：塌方发生后应在2小时内完成反压封闭，防止空腔扩展；

•参数适配原则：管棚角度需根据塌方高度动态调整（本案例中10°~45°的组合效果最佳）；

•工序衔接要点：注浆完成后为了浆液快速凝结，确保后续开挖工序顺利进行，需采用水泥-水玻璃双液浆进行灌浆作业。 

结束语：

巴拉水电站Fx1断层的处理实践表明，针对大断面隧洞断层破碎带，需采用“超前加固+分部开挖+及时衬砌”的综合技术路线。通过反压回填控制塌方扩散、管棚注浆改善围岩力学性质、动态监测指导施工决策，可有效解决此类工程难题。本研究形成的技术体系对类似工程具有重要的推广应用价值。

参考文献：

[1]常潇. 大断面长引水隧洞富水断层带塌方处理[J]. 水利水电施工,2024(4):11-14.

[2]梅润雨,何骁,王义深,等. 穿越活动断层输水隧洞病害研究进展[J]. 水利水电快报,2024,45(1):44-51.