喀雙超長隧洞主要環(huán)境工程地質問題及處理措施

李永兵，崔 健

（1.新疆阿勒泰地區(qū)水利水電勘測設計院，新疆阿勒泰836500；2.新疆天合環(huán)境技術咨詢有限公司，新疆烏魯木齊830063）

1 工程概況

喀雙超長隧洞全長283.3km，平均埋深428m，最大埋深774m，設計洞徑6.56～9.06m，縱坡1/2560，設計流量40m3/s。其中：隧洞采用TBM掘進機施工總長227.41km，鉆爆法施工總長56.0km。

2 區(qū)域地質

2.1 地形地貌

喀雙隧洞位于阿爾泰山和東天山之間所夾的準噶爾盆地東部邊緣，按區(qū)域地形和地貌形態(tài)可分為：低山區(qū)、剝蝕丘陵區(qū)二大地貌單元，總地勢由北東向南西傾斜。低山區(qū)主要分布于隧洞沿線前段的阿爾泰山南麓、北塔山山前一帶，高程700～1290m，相對高差50～150m，為干燥、剝蝕強烈荒漠地貌；剝蝕丘陵區(qū)主要分布于隧洞沿線中段的準噶爾盆地東部邊緣一帶，海拔高程750～1000m，地形平緩，一般高差10～20m，為干燥戈壁荒漠地貌。

2.2 地層巖性

喀雙隧洞通過的地層：主要為古生界泥盆系（D）凝灰質砂巖、凝灰?guī)r、鈣質砂巖；石炭系（C）凝灰質砂巖、凝灰?guī)r、石英斑巖；華力西期（γ）侵入的花崗巖，屬厚層狀和塊狀堅硬巖；尾部分布少量中生界二疊系（P）砂巖、砂礫巖；三疊系（T）泥巖夾砂巖，屬中厚層狀軟質巖。其中：泥盆系+石炭系地層總長209.12km，占洞長73.75%；花崗巖（γ）總長59.68km，占洞長21.05%；二疊系+三疊系軟巖地層總長12.15km，占洞長4.29%。

2.3 地質構造

喀雙隧洞在區(qū)域構造上主要受準噶爾優(yōu)地槽褶皺帶的控制，斷裂構造線的走向以290°～320°為主。沿線自北向南主要發(fā)育5條區(qū)域性大斷裂：額爾齊斯河斷裂（F9）、烏倫古河斷裂（F11）、恰烏斷裂（F12）、克烏東斷裂（F13）、卡拉麥里斷裂（F14），走向NW、陡傾角、破碎帶寬度90～100m，最寬800m，其次還發(fā)育有73條規(guī)模不等的次級斷層。經統(tǒng)計，喀雙隧洞段通過的78條斷層破碎帶累計長度2.54km。

2.4 水文地質條件

喀雙隧洞沿線主要為低山丘陵地貌，以古生代和華力西期侵入巖的堅硬層狀、塊狀巖石為主，地下水除河谷潛水和丘陵夷平面上高地沼澤潛水呈狹長狀和小片狀分布外，主要為賦存于斷裂破碎帶中、構造裂隙的脈狀裂隙水和風化裂隙中的基巖裂隙水。

區(qū)內除烏倫古河近垂直穿過隧洞外，無其它地表水系。地下水主要接受大氣降水補給，總體上通過基巖裂隙由北向南徑流。區(qū)內部分低洼的山間小盆地也往往成為地下水的排泄區(qū)。由于工程區(qū)范圍內氣候干燥，蒸發(fā)量大，低洼排泄區(qū)的地表水及淺埋地下水礦化度較高。

3 主要環(huán)境工程地質問題

根據地質勘察試驗資料分析，喀雙超長隧洞存在的主要工程地質問題是：塌方、突涌水、巖爆、高外水壓力、軟弱巖體大變形等。

3.1 隧洞破碎巖體塌方問題

隧洞的塌方通常與斷層、節(jié)理裂隙、層面、巖石強度、巖體的完整性及地下水有直接或間接的關系，在斷層破碎帶（特別是區(qū)域性大斷裂破碎帶）、溝谷交匯、結構面發(fā)育、隧洞淺埋、地表徑流與地下水豐富的洞段易產生塌方。

從勘探成果資料綜合判斷，喀雙隧洞易發(fā)生塌方的洞段主要處于5條區(qū)域性大斷裂帶內和73條局部較大的次級斷層帶及影響帶內，其次處于喀臘塑克水庫附近、烏倫古河河床底部段、裂隙較發(fā)育的Ⅳ、Ⅴ類圍巖段、高地應力中等巖爆段和軟巖—極軟巖段。以上段洞段塌方的形式主要為表層脫落、掉塊或局部坍塌。因此在施工開挖過程中通過以上洞段附近，建議采用短進尺、強支護和快襯砌的方法施工。

3.2 隧洞突涌水問題

（1）由地表斷裂帶泉水溢出測流試驗分析：沿線斷裂構造帶泉水流量一般為0.01～0.9L/s，估算最大涌水量Q=12m3/h。

（2）由斷層破碎帶內5眼大口徑井水文地質抽水試驗分析：區(qū)域性斷裂帶巖體，滲透系數K=（48.7～7.52）×10-4cm/s，單位涌水量平均值Q=92.44m3/（h·km）；次級斷層帶巖體，滲透系數K=（33.6～3.59）×10-5cm/s，單位涌水量平均值Q=62.64m3/（h·km）。

（3）由沿線勘探小口徑深孔抽水試驗分析：喀雙隧洞段埋深40m以下—洞底巖體滲透系數平均值K=1.1×10-6cm/s，一般巖體單位涌水量平均值Q=4.9m3/（h·km）。

（4）由沿線勘探小口徑深孔壓水試驗分析：喀雙隧洞段在洞底線以上50m范圍內，巖體透水率平均值q=0.47Lu，滲透系數平均值K=5.92×10-6cm/s，一般巖體單位涌水量平均值Q=14m3/（h·km）。

（5）根據喀雙隧洞段T0-T6勘探試驗洞開挖洞段實測涌水量，推算隧洞一般巖體單位涌水量平均值Q=13.95m3/（h·km）。

（6）根據上述5種方法計算參數綜合分析，可以看出：

①在區(qū)域水文地質條件上，喀雙隧洞段處于準噶爾盆地沙漠東部邊緣，遠離高山區(qū)，除烏倫古河外，無常年性的河流分布。氣候干燥、多風，降水量少（多年平均降水量172.8mm），蒸發(fā)量大(多年平均蒸發(fā)量1867.6mm)，地下水對基巖裂隙和斷層破碎帶補給量甚微。整個隧洞除隧洞進口段和穿烏倫古河段分別受水庫和河水補給影響外，其余隧洞段主要接受大氣降水補給。

②在構造條件上，隧洞段內均為基巖裂隙水，沒有形成統(tǒng)一的地下水位。因此，工程區(qū)主要的是賦存在構造裂隙和風化裂隙中的基巖裂隙水和斷層脈狀裂隙水。

③隧洞沿線表層強、弱風化層基巖裂隙水與下部新鮮基巖裂隙水水力聯(lián)系微弱，隧洞段巖體富水性屬貧水區(qū)，為微—極微透水性。初步判斷，施工中隧洞段總體涌水量不大。

因此，該工程可能易發(fā)生涌水量相對較大的洞段與可能易發(fā)生塌方的洞段位置大致相同。隧洞段主要以裂隙水形式產生滲流、滴水或局部線狀流水，產生突水或突泥可能性不大。

3.3 隧洞巖爆問題

根據喀雙隧洞ZK13（孔深392m）、ZK14（孔深416m）、ZK195（孔深571m）、ZK25（孔深711m）、ZK69（孔深720m）鉆孔地應力測試結果來看：當隧洞埋深小于300m，最大主應力σm=5.3～9.2MPa，巖石強度應力比9.6～16.8，屬低地應力無巖爆區(qū)（段）；埋深300～600m，最大主應力σm=10～19.5MPa，巖石強度應力比5.1～11.3，屬中等地應力無—輕微巖爆區(qū)（段）；埋深600～712m，最大主應力σm=21.6～36.0MPa，巖石強度應力比3.4～4.6，屬高地應力輕微—中等巖爆區(qū)（段）。經統(tǒng)計：隧洞段低—中等地應力無巖爆段總長134.02km；中等—高地應力輕微巖爆段總長126.06km；高地應力中等巖爆段總長23.33km。

3.4 隧洞高外水壓力問題

（1）根據鉆孔揭露，喀雙隧洞沿線地下水埋深一般8.5～26.7m，局部最大埋深44m，洞室基本位于地下水位以下144～745m；從鉆孔壓水試驗成果看，洞室圍巖透水率都比較小，大部分巖體透水率小于0.1Lu，少數巖體透水率為為1～3Lu。

依據GB50487-2008《水利水電工程地質勘察規(guī)范》附錄W—外水壓力折減系數，喀雙隧洞外水壓力折減系數一般取0.1～0.3，斷層破碎帶處取0.8。初步判斷，折減后隧洞遭受外水壓力絕大部分處于0.16～0.75MPa范圍內，僅少數斷層破碎帶內可能存在1～2.5MPa外水壓力。

（2）從區(qū)域水文地質條件分析，隧洞地下水為基巖裂隙水，表層基巖裂隙水與下部新鮮基巖裂隙水水力聯(lián)系不強，洞身巖體屬貧水區(qū)，為微—極微透水性。初步判斷工程區(qū)內除存在的斷層破碎帶、烏倫古河段考慮有高外水壓力外，其它洞段存在高外水壓力外的可能性不大，即使有水水量也很小。

3.5 隧洞軟巖大變形問題

處于軟巖中的隧洞在開挖后，因構造應力的擠壓及巖體膨脹作用，易引起圍巖發(fā)生變形、垮塌和圍巖破壞的工程地質災害。

喀雙隧洞中的軟巖主要集中分布在尾端，總長度12.15km，巖性為二疊系砂巖、砂礫巖及三疊系泥巖，砂礫巖干抗壓強度18.7MPa；泥巖干抗壓強度13.6MPa，自由膨脹率49.5%。圍巖類別屬Ⅳ類。因此，在隧洞施工開挖過程中主要發(fā)生塑性變形。

（1）通過軟巖吸水試驗結果可以得出，粘土礦物含量越高，巖石的吸水能力越強，因此，各鉆孔所在軟巖段吸水膨脹軟化可能性：泥質砂巖＞泥炭質砂巖＞凝灰?guī)r。

（2）通過對軟巖段物理模型破壞實驗分析可知，隧洞破壞過程為：頂沉、冒頂、底臌及兩幫收縮。其中：圍巖首先在隧洞的左上部產生應力集中，隨著埋深的增加以及巖層結構的影響，分別在圍巖的左上部、右下部及左下部分別產生應力集中。圍巖的破壞形式主要為剪切破壞，且塑性區(qū)的分布向深部轉移，將會加劇隧洞圍巖的破壞。

（3）斷層破碎帶TBM施工隧洞，圍巖大變形過程物理模型試驗結果表明，隧洞頂部是應力集中部位，且最先產生破壞，由此造成兩幫收縮及底板鼓起，最終導致全斷面破壞。其破壞前有較長時間的能量積聚，一旦超過圍巖強度，則會出現(xiàn)突然性，大范圍的破壞。

（4）斷層破碎帶鉆爆施工隧洞，圍巖大變形過程物理模型試驗結果表明，隨著隧洞頂部是集中應力向下傳遞，隧洞左下角最先出現(xiàn)破壞，由此造成兩幫收縮變形及底板鼓起，最終導致全斷面破壞。其破壞前有較長時間的能量積聚，一旦超過圍巖強度，則會出現(xiàn)突然性破壞。

4 隧洞預處理措施

4.1 塌方處理

根據勘察工程地質條件綜合分析：喀雙隧洞易發(fā)生塌方的洞段，主要處于5條區(qū)域性大斷裂帶內和73條局部較大的次級斷層帶及影響帶內；其次處于水庫附近、烏倫古河河床底部段；裂隙較發(fā)育的Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖段；中等巖爆段；尾部軟巖—極軟巖段。

（1）Ⅲb類圍巖：屬中—堅硬巖,一般圍巖整體基本穩(wěn)定，局部圍巖受斷層破碎帶及影響帶或裂隙面切割組合的影響，可能產生掉塊和失穩(wěn)，穩(wěn)定性差。不支護可能產生塌方或變形破壞。

①對于圍巖基本穩(wěn)定的洞段，采用噴15～20cm厚C30混凝土，視需要還可設置2.5～3.5m長?22mm～?25mm隨機錨桿，局部邊頂拱掛?8@200mm×200mm鋼筋網。

②對于發(fā)育的裂隙面組合不穩(wěn)定塊體或穩(wěn)定性較差的洞段，采用隨機錨桿和掛網噴混凝土支護。頂拱90°設置2.5～3.5m長?25mm隨機錨桿，頂拱180°掛?8@200mm×200mm鋼筋網，頂拱290°噴15～20cm厚C30混凝土，側拱有不利組合結構面時局部設置砂漿錨桿+?8@200mm×200mm鋼筋網。

③對局部發(fā)育的斷裂破碎帶和影響帶，可采用跟進隨機錨桿、格柵拱架或環(huán)形鋼拱架+鋼筋排和噴混凝土支護。

（2）Ⅳ類圍巖：屬較軟—軟巖，圍巖強度低,一般圍巖整體不穩(wěn)定。圍巖自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。

①局部圍巖條件相對較好，具有一定的自穩(wěn)能力，可采用系統(tǒng)錨桿掛網噴混凝土的支護形式，視需要設置格柵拱架或鋼拱架支護。

②圍巖不穩(wěn)定或穩(wěn)定時間很短，頂拱180°設置2.5～3.0m長?25mm隨機錨桿，側拱55°設置2.5～3.0m長?22mm～?25mm砂漿錨桿；頂拱290°掛?8@200mm×200mm鋼筋網并噴15cm厚C30混凝土，設置HW125～HW150環(huán)梁支撐拱架，局部視需要設置?16mm～?18mm鋼筋排，必要時及時封閉底拱。

③當遇到規(guī)模較大的斷層影響帶或地下水較豐富段時，可以采用小導管超前注漿預加固圍巖等方法，并跟進隨機錨桿、環(huán)形鋼拱架+鋼筋排和噴護處理，及時封閉底拱。

（3）Ⅴ類圍巖：圍巖極不穩(wěn)定，為規(guī)模較大的斷層破碎帶。頂拱180°設置2.5～3.5m長?25mm隨機錨桿，側拱55°設置2.5～3.5m長?22mm～?25mm砂漿錨桿；頂拱290°掛?8@150mm×150mm鋼筋網并噴15～20cm厚C30混凝土，設置HW150環(huán)梁支撐拱架，頂拱圍巖易坍塌部位采用?20mm鋼筋排，穿越斷層破碎帶時需要設置小導管超前注漿預加固圍巖，及時封閉底拱。

4.2 涌水處理

（1）超前高壓注漿。采用分段全斷面超前鉆孔高壓注漿的治理方法進行涌水及涌泥治理。具體為：在掘進掌子面按一定距離，呈放射狀布置鉆孔，注漿材料可采用普通水泥漿液、超細水泥漿液、普通C-S雙液漿液和高早強度HSC漿液為主。

（2）超前支護法。對于充填型規(guī)模較大的夾泥斷層破碎帶，可采用挑梁法開挖支護，先在洞口1.0～2.0m范圍內架設鋼支撐打錨桿，并在架好的鋼支撐上向洞內打工字鋼，形成“挑梁”，然后將挑梁部分和鋼支撐部分整體澆筑混凝土形成安全棚，再挖去挑梁下充填物，接長邊墻支腿，按此步驟循環(huán)作業(yè)。

（3）管棚法施工，上部管棚混凝土護頂、下部側墻施工。

（4）預加固法。若鄰近有已開挖隧洞，可采用該方法。具體為在鄰近的隧洞向上開斜洞至空洞斜上方，再平行隧洞軸線開掘一灌漿廊道，在廊道中打孔灌漿，鉆孔深入隧洞頂部上方，對空洞充填物加固。然后挖除泥石、修復接長鋼支撐、減底、挖至設計底板線，再進行永久襯護。

4.3 巖爆處理

對輕微巖爆的處理辦法為：鉆淺孔噴水釋放應力，再進行錨網噴支護。對中等巖爆的處理辦法為：除了噴水、鉆孔釋放一部分應力外，須及時進行錨、網、噴、格棚或槽鋼架支護，控制落石。對強烈?guī)r爆的處理辦法：為架設全圓鋼拱架，再鋪以格柵或槽鋼拱架，及時用混凝土回填塌穴。使用TBM上部外角為6°的超前鉆，預打補償和超前錨桿，使巖體原始地應力釋放，以便減緩開挖后的圍巖應力，使之不發(fā)生巖爆或削弱巖爆。緊跟掘進噴混凝土支護，及時加錨桿以阻止頂板的進一步破壞，防止劇烈的巖塊彈射。因此，在巖爆段換刀時，應迅速退機，使刀盤與掌子面保持一定距離，并用冷水噴灑或噴射混凝土后再進行作業(yè)。

4.4 高外水壓力處理

（1）處理高外水壓力問題，通常采用“灌”、“排”及“排灌結合”的對策措施。

（2）“灌”亦為對隧洞圍巖進行防滲固結灌漿和襯砌與圍巖的回填灌漿，形成一定厚度的阻水環(huán)形圍幕，以承擔主要外水荷載。

（3）“排”分2種情況，一種是利用排水孔和襯砌外圍的引排措施，降低襯砌的外水壓力。另一種是在主洞外側打排水洞排水，降低外水壓力。

（4）“灌排相結合”亦為在圍巖防滲固結灌漿范圍內，打短排水孔和引排措施，降低襯砌的外水壓力。

（5）在地下水溢出量較大的洞段（如線狀流水和涌水洞段），宜采用灌排結合的處理措施。在圍巖滲透性差，溢出水量小的洞段，宜以排水為主。

（6）在裂隙水發(fā)育的洞段，處理措施比較復雜，視具體情況采取“排”、“截”、“堵”、“防”相結合的綜合處理措施。

4.5 軟巖大變形處理

（1）針對軟巖吸水軟化問題，在含水量較大的隧洞圍巖開挖前，應首先采取堵水、疏水措施，盡可能減小圍巖與水的作用；同時，開挖后應及時采用噴漿等措施封閉圍巖，避免圍巖與環(huán)境水的進一步接觸，從而盡可能保護圍巖的強度。

（2）對于處于軟巖段的隧洞施工，在上述措施采用適合于圍巖大變形的錨桿支護材料進行初次支護，在有控制性地釋放圍巖變形能量的基礎上，根據蠕變理論計算出合理的預留量，待圍巖變形趨穩(wěn)后，實施永久支護。

（3）對于處于斷層破碎帶TBM施工的洞段，應在注漿改善圍巖強度及結構的基礎上，短進尺掘進，及時實施采用適合于圍巖大變形的錨桿支護材料進行初次支護，并對變形關鍵部位進行加強支護，在有控制性地釋放圍巖變形能量的基礎上，待圍巖變形趨穩(wěn)后，二次支護采用管片內部注漿，形成永久支護。

（4）對于處于斷層破碎帶鉆爆法施工的洞段，應在注漿改善圍巖強度及結構的基礎上，小進尺分部開挖，采用超前錨桿保護頂部圍巖，及時實施采用適合于圍巖大變形的錨桿支護材料進行初次支護，待圍巖變形趨穩(wěn)后，實施永久支護。

（5）在軟巖段施工過程中，應及時加強圍巖變形及支護受力監(jiān)測，為圍巖穩(wěn)定性評價提供依據。

5 小結

從已探明的喀雙輸水隧洞工程地質情況來看，局部洞段具備發(fā)生破碎巖體塌方、斷層破碎帶突涌水、高地應力產生巖爆、高外水壓力、軟巖大變形等地質災害的條件。但總體看比較適合TBM機械化快速施工，對于局部存在的上述主要工程地質缺陷，設計主要考慮采用鉆爆法施工，降低TBM卡機的風險。