輸水隧洞特殊地質(zhì)洞段施工處理思路與方法

李萬金

（新疆水利水電項目管理有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程及地質(zhì)概況

某引水工程輸水隧洞進口倒虹吸末端，里程為SS60+079 m，進口底板高程為1818.34 m，出口接消能電站前池，出口里程為SS74+555 m，出口底板高程為1803.86 m[1]。隧洞全長14.48 km，隧洞設計流量20 m3/s，凈斷面采用城門洞型，全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌，寬×高為2.2 m×2.6 m，底坡1/1000。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m，隧洞沿線地形起伏連綿，溝谷縱橫，先后通過多條沖溝，地質(zhì)構(gòu)造復雜，隧洞沿線出露地層較多，地層巖性從老到新分別為石英砂巖夾白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、石英砂巖夾頁巖、石英砂巖、長石砂巖等隧洞沿線斷層及皺褶較發(fā)育，隧洞沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布，圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各種圍巖類別統(tǒng)計見表1。

表1 典型隧洞圍巖類別統(tǒng)計表

2 隧洞常規(guī)洞段施工方法

本次隧洞施工Ⅲ類及部分Ⅳ類圍巖約占整個洞身段的70%左右，洞段地質(zhì)條件較好，施工中只需進行常規(guī)支護便可以滿足圍巖圍巖穩(wěn)定。施工方法如下：

（1）Ⅲ類圍巖洞段支護及襯砌施工方法

支護方式采用“網(wǎng)噴砼厚8 cm+砂漿錨桿+C25砼厚30 cm，部分洞段采用“網(wǎng)噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25鋼筋砼厚30 cm”加固圍巖，圍巖滿足穩(wěn)定要求。

（2）Ⅳ類圍巖洞段支護及襯砌施工方法

Ⅳ類圍巖洞段支護方式采用“網(wǎng)噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25鋼筋砼厚40 cm，部分洞段采用“網(wǎng)噴砼厚12.6 cm+砂漿錨桿+Ⅰ12.6鋼支撐+C25鋼筋砼厚30 cm”加固圍巖，圍巖滿足穩(wěn)定要求。

3 特殊地質(zhì)洞段施工

典型隧洞地質(zhì)條件復雜，其不良地質(zhì)情況包含巖溶洞段、高應力洞段、高承壓水洞段等[2]。施工中存在的問題：1）開挖后洞頂巖體破碎掉塊，地下水涌入隧洞，使邊墻巖體變軟，排水后隧洞圍巖仍坍方嚴重；2）原支護掛網(wǎng)噴砼掛網(wǎng)困難，噴砼隨巖體掉下；3）工12.6鋼支撐剛度小，其強度不能維持圍巖穩(wěn)定，使斷面變形嚴重，噴10 cm砼不能與襯砌緊密結(jié)合。本文將對各不良地質(zhì)情況進行分述，提出相應的處理措施。

3.1 特殊地質(zhì)洞段加固措施

隧洞進出口Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段改進支護措施有2種。第一種在Ⅳ類圍巖穩(wěn)定性差的洞段、Ⅴ類圍巖洞段改進為“注漿小導管超前支護+工14鋼拱架噴14 cm砼+系統(tǒng)錨桿+C30鋼筋砼40 cm”；第二種在進口段、出口Ⅴ類圍巖洞段改進為采用工14鋼支撐結(jié)合系統(tǒng)錨桿支護，噴C20砼14 cm厚，襯砌厚度加大為50 cm，并結(jié)合超前高壓預灌漿進行掘進，局部掉塊嚴重地段掛鋼筋網(wǎng)，高外水頭洞段考慮排水后進行固結(jié)灌漿，改進后的支護措施圖見圖1。

圖1 改進后的支護措施圖

支護方式改進后，對隧洞進、出口開挖洞段，部分Ⅳ類、V類圍巖穩(wěn)定性較差洞段及時支護，可以保證圍巖穩(wěn)定，斷面變形也隨之變小。盡管在工程投資上因鋼支撐、鋼筋砼及固結(jié)灌漿的量的增加而增大，但是改進的支護措施不僅保證了開挖后圍巖穩(wěn)定時間，確保了施工安全，縮短了工期。

3.2 巖溶區(qū)洞段施工

在地表水和地下水作用下對工程區(qū)內(nèi)可溶性巖層經(jīng)過化學反應和外力機械破壞作用而形成的巖層溶蝕現(xiàn)象稱為巖溶。工程區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖分布較廣，約占本段線路的28.68%，地表及深部巖溶發(fā)育。溶蝕洼地、溶蝕漏斗、落水洞、溶洞、暗河等各種巖溶形態(tài)都有不同程度發(fā)育。在隧洞施工中若遇有巖溶危害而不能改變隧洞軸線情況時，可以根據(jù)巖溶對隧洞影響情況，采取不同的處理措施進行處理[3]：

1）洞穴處理

①封閉處理：對較小溶洞或者已枯干的溶洞，施工中主要采用C20W6混凝土回填封閉處理，對空隙較大的部位采用漿砌石充填。

②跨越或繞洞處理：當溶洞規(guī)模較大，溶洞內(nèi)封閉或填充處理困難或需要的填充物多，工程量和投資增加很大，可根據(jù)具體條件采用隧洞內(nèi)增設支墩、承托縱梁、拱橋等梁跨跨越巖溶地段，或者經(jīng)過地質(zhì)勘察和設計論證后進行擾洞處理，前提要保證安全經(jīng)濟。

③其它輔助措施：對隧洞周邊巖體進行封閉、注漿加固、支頂加固，在清除松動巖石困難的情況下，為防止洞穴壁或頂板坍塌，可采用錨桿或大鋼管、鋼軌加固巖體。

2）巖溶水的處理

施工中隧洞兩側(cè)設有排水溝、集水井等措施進行排水，并配備充足的抽水設備，但當隧洞巖溶水較大而排水裝置無法滿足時，應在隧洞來水一側(cè)設置泄水洞來排除巖溶水，降低地下水位，保持隧洞在施工中干燥。除泄水洞外，還可以采用暗溝、埋管、涵洞、滲溝、或增加集水井和抽水泵來排除地下水。

對通過居民區(qū)洞段的巖溶水處理原則應以堵為主，可采取超前固結(jié)灌漿、回填混凝土和回填灌漿等處理措施，防止地下水位下降，影響居民生活用水。

3）巖溶洞穴堆積物的處理

巖溶洞穴堆積物較其他巖體松軟、強度低、下沉量大和穩(wěn)定性差。施工中隧洞必須穿越洞穴堆積物地段時，對少量巖溶堆積采取換填的處理方式；當堆積物范圍大、堆積較厚且處理過程和后期可能引發(fā)更多安全問題時，采用加設木樁基礎、旋噴樁、高壓注漿等方式進行地基處理，隧洞邊墻和頂拱采用拉桿、掛鋼筋網(wǎng)等措施，并采用鋼支撐，鋼筒等加固巖體的處理措施。

4）巖溶地面塌陷的處理

隧洞通過巖溶地段時因地下水狀態(tài)的改變和隧洞開挖時應力重分布造成圍巖失穩(wěn)而導致地面塌陷，一般情況存在突發(fā)性，危害較大。發(fā)生地面塌陷后，采用空腔充填、管棚支撐和地表注漿等處理措施。

3.3 高地應力區(qū)洞段施工

隧洞洞身最大埋深達480 m，地應力較高，易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，巖爆易造成人員、設備事故。為了防止洞身圍巖破壞及巖爆向廣度和深度方向發(fā)展，在工程中可采取以下措施[4]：

（1）在施工前，應進行詳細的地質(zhì)勘查，掌握巖爆的范圍。

（2）施工過程中，通過必要的現(xiàn)場測試及應力分析，預測巖爆的發(fā)展方向。

（3）改變開挖斷面，由城門洞型改為馬蹄形或圓形開挖斷面，并合理安排開挖順序，以達到控制巖爆的目的。

（4）對于局部地應力特別大，巖爆現(xiàn)象比較明顯的洞段，可采取改變洞段走向的方法來減小巖爆的危害，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的施工在圍巖基本穩(wěn)定后方可進行。

3.4 斷層破碎帶洞段施工

對于地質(zhì)勘察(預測)出的斷層或破碎帶，在施工過程中極有可能會發(fā)生塌方，因此在開挖前，應進行詳細的施工組織設計，制定合理的施工程序和方法。工程中常見的處理措施主要有以下幾種[5]：

（1）在開挖接近斷層破碎帶位置時，應嚴格控制開挖進尺及爆破參數(shù)，可采取在掌子面打超前錨桿或超前管棚的方法加固圍巖，開挖完成后及時進行噴錨支護。

（2）若斷層帶圍巖較破碎，自穩(wěn)能力極差，開挖成洞困難，掌子面無法進行超前錨桿施工時，可采取超前固結(jié)灌漿加固圍巖，或在掌子面噴一層混凝土進行穩(wěn)固，然后再進行超前錨桿或超前管棚的施工，噴錨施工難以滿足要求時，亦可采用鋼支撐進行支護。

（3）初期支護結(jié)束后，應對斷層帶進行變形監(jiān)測，必要時采取二次加固處理，若條件允許，可在初期支護趨于穩(wěn)定時，將該段的鋼筋混凝土襯砌先行施工，避免因圍巖失穩(wěn)出現(xiàn)大的塌方。

3.5 承壓涌水洞段施工

隧洞洞身位于地下水位線以下，地下水位線最大高出洞頂320 m，隧洞開挖至節(jié)理密集帶或斷層破碎帶時，極有可能會出現(xiàn)涌水、涌泥等現(xiàn)象。工程中常見的處理措施主要有以下幾種[6～7]：

（1）借鑒以往工程經(jīng)驗，對于伴有地下水活動特別是有高壓水的洞段，應以引排為主，即做好洞身的排水孔、洞內(nèi)排水溝等相關排水工作。

（2）通過圍巖局部固結(jié)灌漿的方法來封閉涌水通道、提高圍巖的防滲能力也是很好的方法，一方面解決了涌水問題，另一方面也穩(wěn)固了圍巖，此種方法可與斷層破碎帶的處理結(jié)合進行。

（3）若施工過程已查明涌水來源，并且涌水量不大的洞段，也可采用截斷水源或涌水通道的方法來控制洞身涌水。

（4）也可結(jié)合實際，借鑒其他工程的成功案例，如引灤入津工程采用一種自漲式開口錨桿，此種錨桿由鐵皮卷成中空，打入圍巖后，既可以起到排水的作用，又可以緊貼圍巖，起到局部加固的作用。

4 結(jié)論及建議

該輸水隧洞與2018年11月施工完畢，特殊地質(zhì)洞段的處理措施在實際施工中經(jīng)過驗證是可行的，現(xiàn)得到以下結(jié)論及建議：

（1）該輸水隧洞施工中巖溶段施工、斷層破碎帶、下水涌水、涌泥等不良地質(zhì)問題的處理會花費較長的時間，也會投入較多的人力、財力和物力，因此在施工前應花費更多的時間進行地質(zhì)勘察。

（2）長輸水隧洞在地質(zhì)勘查期間，由于隧洞埋深較大，不能完全準確的確定工程地質(zhì)條件，因此在設計施工中與原設計施工措施存在一定的差異。

（3）盡管輸水隧洞已施工完成，針對施工中出現(xiàn)的問題總結(jié)出各種工程措施，可供其他隧洞施工參考借鑒。