對引紅濟(jì)石輸水隧洞工程不良地質(zhì)段施工的認(rèn)識

郭 毅

（陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司 陜西 楊凌 712100）

1 引紅濟(jì)石調(diào)水工程概況

1.1 工程介紹

引紅濟(jì)石調(diào)水工程為大（2）型水利工程，工程位于太白縣，是把漢江北岸褒河支流紅巖河水通過穿越秦嶺的隧洞自流調(diào)入渭河南岸支流石頭河中的跨流域調(diào)水工程，年調(diào)水量9210萬m3。工程受益區(qū)為陜西省關(guān)中地區(qū)中西部的咸陽、楊凌、西安三個(gè)市區(qū)。工程的建設(shè)將為近期緩解關(guān)中地區(qū)中西部部分城市供水矛盾，優(yōu)化渭河流域水資源的配置發(fā)揮作用。工程由低壩引水樞紐和輸水隧洞（洞長19.76km）兩部分組成。輸水隧洞設(shè)計(jì)流量13.5m3/s，無壓自流輸水，縱坡1/890，糙率0.014。0+009.56～8+600段采用鉆爆法施工，斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×寬），8+600～19+825.94段采用掘進(jìn)機(jī)法施工，斷面為圓形，成洞直徑D=3.0m。輸水隧洞洞身長度19.76km，為特長水工隧洞，為了隧洞施工交通的需要和方便隧洞建成后檢修和維護(hù)修理，在其樁號3+120m和7+140m處設(shè)支洞兩條，在15+504m設(shè)1#通風(fēng)和進(jìn)料豎井。7+140m處的勘探試驗(yàn)洞為永臨結(jié)合建筑物，3+120m處的2#支洞為臨時(shí)建筑物。

1.2 工程地質(zhì)

1.2.1 地質(zhì)概況

輸水線路由西至東跨越侵蝕中山、太白山間構(gòu)造盆地兩大地貌單元。侵蝕中山海拔高程1550m～1950m。太白盆地盆底中心位于方才關(guān)至涼峪之間，盆底基巖最低高程約1250m，東西長約5km，第四系堆積物厚300m～350m。

基巖有秦嶺群上亞群(pt2qL3)片巖夾片麻巖，中亞群(pt2qL2)大理巖，下亞群(pt2qL1)片麻巖及燕山期花崗巖(γ52)，均屬硬質(zhì)巖。

輸水洞線位于太白—桃川向斜南翼，NEE組和NE組壓扭性斷層較發(fā)育。太白盆地第四系松散地層廣泛覆蓋，初步查明的主要構(gòu)造有：太白—桃川向斜，小罐子─西溝─鸚鴿嘴斷層(F1)，拐里—雪門溝斷層(F6)。地下水較豐富，第四系孔隙潛水向盆地中心徑流，弱透水層增多逐漸轉(zhuǎn)化為承壓水，水頭高出含水層頂板3m～50m；基巖裂隙水主要分布于表層風(fēng)化巖體中，一般以下降泉形式在沖溝出露；大理巖溶隙承壓水主要分布斷層破碎帶及影響帶。

1.2.2 輸水洞線工程地質(zhì)條件

線路位于盆地南緣，洞線長19.76km，洞室一般埋深150m～300m，最大450m，洞室均位于基巖中，片麻巖段長5.15km，大理巖段長6.6km，片巖段長7km，花崗巖段長1km?；鶐r面高程1623m～1750m，高出洞頂160m～300m，圍巖弱─微風(fēng)化，巖體較完整，以Ⅲ類圍巖為主，次為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，總體上圍巖穩(wěn)定性較好。存在的主要水文、工程地質(zhì)問題有：（1）洞室分布的大理巖及斷層破碎帶地段地下水較豐富，對圍巖穩(wěn)定和施工有一定影響；（2）隧洞深埋段可能產(chǎn)生輕微巖爆。

2 目前遇到的主要不良地質(zhì)段介紹

2.1 1#支洞塌方不良地質(zhì)段

（1）0+257—0+237段：2005年11月19日在0+254～0+246洞頂部出現(xiàn)大面積坍塌，由于無規(guī)律不間斷坍塌，盡管采取了人為的支護(hù)措施，還是多次塌壞工作架及支撐，在0+254—0+246洞段頂部形成高度 3.3m～10.0m，寬度13.2m～15m的塌腔。該區(qū)段后地質(zhì)編錄為f9斷層，產(chǎn)狀127°/NE∠42°斷層充填黑色泥質(zhì)（有嗅味）及白色糜棱巖，遇水軟化無強(qiáng)度，呈散體結(jié)構(gòu)，斷層寬度超過4.5m，斷層影響范圍超過20m，后采用了“松原木棚戶、復(fù)式鋼拱架、加長自進(jìn)式錨桿，管棚、砼組合支護(hù)”方案通過。

（2）0+222—0+208段：2006年2月9日在0+222～0+218段進(jìn)行鋼拱架支護(hù)時(shí)，洞室頂部圍巖出現(xiàn)塌落，施工人員即進(jìn)行支護(hù)，但坍塌不斷出現(xiàn)將支護(hù)塌掉，并將掌子面塌滿，編錄為f14斷層。圍巖為片麻巖、炭質(zhì)片巖互存，斷層出露寬度超過3m，中間夾雜白色糜棱巖、黑色泥質(zhì)，走向115°傾向北東，巖石出露后風(fēng)化嚴(yán)重，后采用“將小導(dǎo)管棚砸入塌落體，對塌落體固結(jié)灌漿，然后采用短開挖、復(fù)式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護(hù)”的方案處理通過。

（3）0+75—0+73段：2006年11月6日0+73掌子面拱頂及左側(cè)壁突然出現(xiàn)塌落，工作架被塌壞，塌方范圍不斷擴(kuò)大，最大塌落高度距設(shè)計(jì)開挖線2.5m～3.0m，據(jù)地質(zhì)編錄為f27斷層，產(chǎn)狀 290°～310°∠37°～45°，在洞室底部出現(xiàn)露角礫巖斷層泥和糜棱巖，巖體極為破碎。由于地下水活動(dòng)加劇，對圍巖的泥化作用十分明顯，巖體松散無強(qiáng)度。由于該斷層與洞軸線小角度相交，最小夾角僅為2°，對洞室穩(wěn)定極為不利，后采用“封閉掌子面、對底部不良地質(zhì)段進(jìn)行毛石砼回填，限制底部軟弱地基變形復(fù)式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護(hù)”的方案處理通過。

2.2 Ⅰ標(biāo)段

2007年5月1+067.5～1+068.5施工中多次出現(xiàn)塌方，地質(zhì)編錄為f56斷層，充填斷層角礫巖，斷層泥夾角后采用注漿固結(jié)掌子面及塌方體，后采用管棚法通過。

1+824處穿過F2斷層，雖然施工中通過，但由于斷層穿越洞段圍巖破碎，多為泥質(zhì)和炭粉，在此段施工支護(hù)后經(jīng)常出現(xiàn)收斂變形比較大的情況，引起噴護(hù)砼裂縫、掉塊和拱架變形等，特別是出現(xiàn)涌水后洞段變形特別大，單邊變形75cm后進(jìn)行了加固處理，并處理軟弱地板186m（澆筑40cm厚砼）。

2.3 Ⅱ標(biāo)段

Ⅱ標(biāo)段2#支洞在10月26日下午14時(shí)掌子面K+020處突發(fā)涌泥，涌出的泥石流涌滿至K0+110斷面，泥石流方量約2000m3，水位淹沒到K0+156處，淹沒已成洞段136m，部分施工設(shè)備也被埋入泥石流中，后編錄分析為F1大斷層所致。

2008年11月21日凌晨3時(shí)3+853掌子面突發(fā)涌水，水量約70m3/h～90m3/h，涌水將掌子面淹沒，直至12月5日增加抽水水泵及管道后才將水抽退，據(jù)分析此次涌水為大理巖承壓裂隙水。

2.4 Ⅲ標(biāo)段

引水隧洞6+809～6+805段地質(zhì)編錄為Ⅳ類圍巖，巖石裂隙發(fā)育，且裂隙內(nèi)充填物為泥質(zhì)，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈。2008年4月8日15：00爆破結(jié)束，在出渣過程中，拱部突發(fā)涌水（涌水量達(dá)40m3/h），造成6+809～6+805段大面積塌方。塌方發(fā)生以后，塌方范圍不斷擴(kuò)大，塌腔形狀近似長方體：寬約6m，縱向長度4m左右，高約12m(塌腔頂距設(shè)計(jì)開挖底)。由于開始對塌方的原因認(rèn)識不充分，利用固結(jié)灌渣無效、組合鋼拱架推進(jìn)無效、雙層小管棚無效，最終決定利用MD-50錨索鉆機(jī)打Φ110的大鋼管棚護(hù)，鋼拱架、噴砼、錨桿聯(lián)合支護(hù)。

3 不良地質(zhì)段的地質(zhì)情況原因分析

3.1 直接地質(zhì)原因

（1）Ⅰ標(biāo)段與Ⅱ標(biāo)段的涌水最終經(jīng)省水電設(shè)計(jì)院地質(zhì)隊(duì)補(bǔ)充勘查該段不良地質(zhì)段主要受 F1、F11、F2、F21斷層的影響，F(xiàn)1和F11斷層注水性好，可能發(fā)生較大的涌水和突泥現(xiàn)象，F(xiàn)2和F21斷層以糜棱巖和破碎粉巖為主，穩(wěn)定性極差。

（2）勘探試驗(yàn)洞及標(biāo)塌方主要受石溝河 F6、F12、F21斷層帶影響，斷層帶巖體為極不穩(wěn)定的類圍巖，完整性較差，局部圍巖可能存在層間裂隙承壓水，斷層帶涌水量約100m3/h～150m3/h。

3.2 最根本原因

引紅濟(jì)石隧洞的斷裂構(gòu)造、豐富的地下水以及多層軟弱巖層是隧洞開挖的三大不利因素。

（1）引紅濟(jì)石隧洞前半段(西部)位于太白盆地南緣斜坡地帶，后大部分（東段）位于太白盆地中，在出口段才出盆地，是東西向斜穿并非秦嶺主脊的一條線路。沿線不僅發(fā)育東西向或近東西向的區(qū)域性大斷裂，還發(fā)育有走向北東向、北西向及南北向的大斷裂10余條，及其派（伴）生次級斷層、小斷層及節(jié)理密集帶難以勝數(shù)。太白盆地是一個(gè)地塹式斷陷盆地，它是由一系列大型斷層控制發(fā)育的，它的形狀受斷層的產(chǎn)狀所控制，據(jù)研究這些斷層在產(chǎn)生之后，又受后期的多次構(gòu)造作用，變得破碎松散，成為含水構(gòu)造，水量豐富且導(dǎo)水性好。

（2）引紅濟(jì)石隧洞多位于地表水之下，特別是隧洞后半段位于太白盆地下，紅巖河穿越太白盆地之中，支流及小沖溝水流在隧洞頂部通過，而本區(qū)的斷層不僅含水而且為導(dǎo)水構(gòu)造，與地表水緊密相連。其次，本區(qū)為碳酸巖變質(zhì)巖，雖巖溶作用不強(qiáng)烈，但發(fā)育有小型溶洞，溶蝕裂隙地下水補(bǔ)排條件非常通暢。第三，太白盆地是一個(gè)負(fù)地形，又是一個(gè)向斜構(gòu)造，這樣的構(gòu)造就是一個(gè)匯水構(gòu)造。隧洞掘通后形成一個(gè)集水廊道，地下水必然豐富。2#支洞開挖后其周圍幾條溝道滲水減少就是最明顯的例證。

（3）引紅濟(jì)石隧洞沿線分布有炭質(zhì)片巖、云母片巖、糜棱巖，為強(qiáng)度很低的軟巖。加之受多次構(gòu)造作用，巖石非常破碎而質(zhì)軟，隧洞開挖后穩(wěn)定性很差，干燥時(shí)可以短時(shí)自穩(wěn)，遇水則易變形，發(fā)生坍塌和蠕變，在埋深較大，地應(yīng)力較大時(shí)宜發(fā)生蠕變和擠出，這種地層對隧洞施工是非常不利的。

4 不良地質(zhì)段施工處理措施分析

不良地質(zhì)段發(fā)生坍塌也與施工單位對地質(zhì)的復(fù)雜性認(rèn)識不足、存在僥幸心理、采取的措施不夠得力有關(guān)。對于以上幾次塌方處理常規(guī)的方法都是采用封閉巖石掌子面、對塌方體固結(jié)灌漿后采用小管棚或大管棚、鋼拱架、噴錨砼處理，比較嚴(yán)重的采用了大管棚施工，且及時(shí)對圍巖采取了仰拱封閉圍巖，防止風(fēng)化，防止水泡，對量測變形較大的洞段采取深孔錨固處理，還及時(shí)進(jìn)行了二次鋼筋砼襯砌。

5 不良地質(zhì)段施工建議

（1）加強(qiáng)地質(zhì)勘探及施工地質(zhì)預(yù)報(bào)。對于復(fù)雜的不良地質(zhì)隧道，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探，大力發(fā)展綜合勘探手段，不斷提高物探技術(shù)水平，使其能滿足工程地質(zhì)工作的要求，達(dá)到規(guī)范化應(yīng)用的成熟程度。在施工應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，最有效的辦法就是利用超前地質(zhì)鉆機(jī)，簡單快捷地分析前方圍巖情況、滲水涌水情況，及時(shí)調(diào)整確定施工方案。

（2）對于不良地質(zhì)段嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺，弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤測量”的施工方法，遵循慢步快跑，謹(jǐn)慎穩(wěn)妥通過，及時(shí)施作一次支護(hù)，必要時(shí)進(jìn)行二次鋼筋砼支護(hù)。

（3）對于不同的不良地質(zhì)段采取不同的處理措施。

對于遇水軟化膨脹的軟弱圍巖，應(yīng)及時(shí)做好收斂變形量測工作，及時(shí)施工仰拱，使支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉成環(huán)，改善洞室結(jié)構(gòu)的受力條件，為防止變形過大造成襯砌凈空的減少，一定要預(yù)留變形量。

對于涌水量較大的圍巖，要采取排堵結(jié)合的方法，做好抽排水工作，勤觀察注意巖體和地下水變化情況。水量大但圍巖強(qiáng)度堅(jiān)硬的以排為主，水量大圍巖松散較弱的采取砼襯砌緊跟，必要時(shí)還要超前灌漿。

6 結(jié)語

地下隧洞施工不良地質(zhì)段施工的關(guān)鍵是結(jié)合實(shí)際情況制定好施工方案。以上總結(jié)的不良地質(zhì)段的處理方法可為今后同類型工程提供借鑒，避免塌方事故發(fā)生，節(jié)約工程成本。