深埋長隧洞不良地質(zhì)治理關(guān)鍵技術(shù)研究

趙 毅

(中鐵隧道股份有限公司， 鄭州 450001)

隧洞工程在交通、水利、礦山等領(lǐng)域都具有重要作用，是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)建設(shè)之一。隨著近幾年我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷增多，復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧洞建設(shè)也逐漸增多[1-6]。尤其是我國西南部地區(qū)存在地形條件特殊、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的特殊工程地質(zhì)條件，隧洞特別是深埋長隧洞工程的施工地質(zhì)條件復(fù)雜建設(shè)往往面臨穿越多種不良地質(zhì)的工程挑戰(zhàn)。受工期和設(shè)備的限制，難以對不良地質(zhì)做出準(zhǔn)確的預(yù)測。深埋長隧洞由于在施工中埋深不斷變化，穿越地層的地質(zhì)條件會發(fā)生很大變化，其施工和支護(hù)均是受多種因素互相制約、互相影響的復(fù)雜過程。尤其當(dāng)隧洞施工過程中穿越不良地質(zhì)區(qū)域，即富水破碎帶，經(jīng)常導(dǎo)致施工期間發(fā)生塌方、涌水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害，給工作人員和機(jī)械設(shè)備帶來了嚴(yán)重的安全隱患。

本文以滇中引水工程大理I段香爐山隧洞某施工隧洞為背景，對工程建設(shè)過程中穿越全風(fēng)化玄武巖不良地質(zhì)段的塌方和涌水的實際情況進(jìn)行了介紹，通過開展系統(tǒng)的現(xiàn)場勘察和研究分析，綜合考慮施工進(jìn)度與安全的基礎(chǔ)上，對穿越斷層破碎帶中塌方、涌水以及軟巖變形等不良地質(zhì)的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以期為類似工程的類似提供經(jīng)驗借鑒和技術(shù)參考。

1 工程及塌方涌水災(zāi)害概況

1.1 工程概況

在建的滇中引水工程是云南省為解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，實施該工程可有效地緩解滇中地區(qū)較長時間的缺水矛盾，改善河道和高原湖泊的生態(tài)及水環(huán)境狀況，受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河六個州的35個縣(市、區(qū))，國土面積3.69 km2。按照水資源配置，滇中引水工程多年平均引水量34.03億m3(渠首水量)。

工程主要建設(shè)內(nèi)容包括水源工程和輸水工程兩個部分。水源工程泵站從金沙江無壩取水；年均引水量34.03億m3，設(shè)計流量135 m3/s，最大提水凈揚程219.04 m，共安裝12臺離心式水泵機(jī)組，總裝機(jī)容量480 MW。輸水工程總干渠全線 664 km，共劃分為6段。隧洞58座，長612 km，占線路總長的92.13%，與輸水線路直接相交的工程活動性斷裂16條，其中全新世活動斷裂5條。因此滇中引水工程具有引水規(guī)模大、隧洞線路長、穿越地質(zhì)條件十分復(fù)雜等特點，存在巖溶地下水、活動斷裂、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。大理Ⅰ段香爐山隧洞為總干渠第一段，全長62.6 km，最大埋深1 450 m，是滇中引水工程控制性工程，共布置10條施工隧洞，采用鉆爆施工方案施工。為進(jìn)一步查明隧洞地質(zhì)條件、開展圍巖穩(wěn)定、地下水處理等重大問題的試驗研究，深化勘察設(shè)計工作及為輸水隧洞主體工程順利實施創(chuàng)造基本條件，某施工隧洞作為勘察試驗性工程進(jìn)行施工。

該隧洞進(jìn)口位于汝南河槽谷清水江附近，地表與香爐山隧洞高差約500 m，布置于汝南河?xùn)|側(cè)山體內(nèi)，穿越的地層主要為Nβ、T2b2、Pβ玄武巖及碳酸鹽巖等，大部分洞段地下水豐富。隧洞前段以較軟～中硬安山質(zhì)玄武巖為主，巖體較破碎，完整性極差。隧洞中段以灰色、淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖為主，厚度大于394 m，巖質(zhì)較堅硬，巖體較破碎。隧洞后段以深灰色玄武巖，地表未出露，巖質(zhì)較堅硬，巖體較破碎。中后段埋深較大，且在中段穿越石灰窯斷裂帶，與該隧洞軸線夾角約40°，隧洞主要受該斷裂控制。隧洞圍巖詳細(xì)分類結(jié)果：Ⅴ類圍巖長1 015.42 m，占隧洞長度的81.49%，Ⅳ類圍巖長230.58 m，占隧洞長度的18.51%，該隧洞最大埋深585 m。斷裂影響帶內(nèi)相對完整的碎裂巖及主斷帶角礫巖飽和單軸抗壓強度一般2～10 MPa，主斷帶內(nèi)碎粉巖飽和單軸抗壓強度較低，一般0.5～2 MPa，巖石膠結(jié)性質(zhì)較差，疊加相對豐富的地下水影響，洞室圍巖穩(wěn)定、軟弱圍巖大變形問題非常突出。工程區(qū)地貌如圖1所示。

圖1 香爐山隧洞某施工隧洞工程區(qū)地貌影像圖

隧洞建設(shè)工區(qū)屬清水江-劍川巖溶水系統(tǒng)范圍，地下水類型主要有孔隙水、基巖孔隙-裂隙水和裂隙-溶隙水。進(jìn)口緊鄰該巖溶水系統(tǒng)的排泄區(qū)清水江，其總體流向NW向，高程2 500～2 800 m，江邊出露了較多泉水，明顯泉水點有5個，較大的巖溶泉有2個?？紫端饕x存于全強風(fēng)化帶巖體內(nèi)；裂隙水則主要賦存于基巖的微新巖體中。隧洞穿越Pβ、Nβ玄武巖類地層，以裂隙水為主，透水性較強，地下水豐富。且隧洞大部分穿越石灰窯斷裂帶，斷裂還可能溝通上部巖溶水，帶內(nèi)巖體破碎，透水性相對較好，地下水豐沛。穿越石灰窯斷裂帶及全風(fēng)化帶巖體存在高外水壓力、涌水突泥等問題。

1.2 塌方涌水概況

樁號XLS5K0+065～XLS5K0+067洞段上臺階開挖支護(hù)施工過程中，洞內(nèi)正進(jìn)行鋼支撐安裝時，頂拱突然塌方。塌方沿洞長約2 m，寬約7 m，塌方高度約1～1.5 m。為避免塌方情況惡化，在圍巖穩(wěn)定后繼續(xù)完成剩余系統(tǒng)支護(hù)施工。支護(hù)完成后該段發(fā)生二次塌方，此次塌方將上一循環(huán)施作的超前注漿小導(dǎo)管和兩榀鋼支撐范圍的系統(tǒng)支護(hù)全部破壞，二次塌方最大塊體直徑約1.5 m，塌方范圍沿軸向長度擴(kuò)大至4 m左右(XLS5K0+065～XLS5K0+069)，寬度擴(kuò)大到9 m，高約4 m。開挖后對該段地質(zhì)情況進(jìn)行分析，圍巖主要為全-強風(fēng)化安山質(zhì)玄武巖，呈塊狀、散體結(jié)構(gòu)，部分泥化嚴(yán)重，有滴狀滲水，屬Ⅴ類圍巖洞段塌方。頂拱塌方情況如圖2所示。

圖2 頂拱塌方情況

樁號XLS5K0+114～XLS5K0+115頂拱發(fā)生塌方，塌方部位為正頂拱偏左，塌方體主要為松散、碎塊結(jié)構(gòu)體，塌方持續(xù)時間約1 h后，塌方部位開始涌水，施工方立即投入2臺潛水泵進(jìn)行排水，累計抽排46h后，排完洞內(nèi)積水，按85%的排水效率，預(yù)估洞內(nèi)滲水量約為80 m3/h。該段處于斷層影響帶，圍巖為灰綠色-灰白色安山質(zhì)玄武巖，巖體碎裂多泥化，巖性軟弱，性狀極差，為Ⅴ類圍巖。掌子面左側(cè)頂拱有管狀流水，右側(cè)頂拱有面狀流水，總水量約10～15 L/s。同時，在此樁號后的開挖過程中，掌子面超前探孔以及頂拱排水孔持續(xù)出水，單孔最大出水量達(dá)1～2 L/s，總出水量達(dá)6～7 L/s，且?guī)r體泥化、遇水軟化現(xiàn)象非常明顯，在滲壓作用下巖體自穩(wěn)能力極差。涌水情況如圖3所示，排水情況如圖4所示。

圖3 巖體泥化及掌子面涌水情況

圖4 超前探孔及排水孔排水情況

2 塌方涌水災(zāi)害治理措施

2.1 軟巖變形的開挖支護(hù)措施

香爐山隧洞某施工隧洞每個收斂監(jiān)測面共布設(shè)5處測點，監(jiān)測點位置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點布置

以樁號XLS5K0+115邊墻兩側(cè)變形為例分析。安裝埋設(shè)后開始每日收斂變化量約在2 mm左右，2019年05月11日右側(cè)邊墻塌方每日收斂變化量達(dá)到10 mm左右，采取工字鋼對撐措施來緩解變形，每日收斂變化量達(dá)到5 mm左右。右側(cè)塌方灌漿處理期間，由于灌漿量較大導(dǎo)致右側(cè)邊墻變形使對撐工字鋼屈服，過程中經(jīng)持續(xù)監(jiān)測每日收斂變化量達(dá)到26 mm，灌漿停止后收斂變形逐漸穩(wěn)定。此后隨著隧洞底板混凝土的澆筑，邊墻變形速率逐漸趨于穩(wěn)定。位移曲線如圖6所示。

圖6 樁號0+115 mDE收斂監(jiān)測位移曲線圖

綜合分析頂拱塌方和邊墻發(fā)生失穩(wěn)變形的原因，主要是由鋼支撐底角缺少約束造成。增設(shè)鋼仰拱或澆筑混凝土底板后對洞室的穩(wěn)定性起決定性作用。然而，考慮洞室開挖過程中鋼支撐仰拱擴(kuò)挖部位形成超挖，造成鋼支撐懸空。同時，本工程底板混凝土內(nèi)布設(shè)雙層鋼筋，綜合建基面清理及鋼筋綁扎，一倉底板混凝土備倉約需72小時以上，長時間備倉容易造成鋼支撐缺乏約束造成隧洞邊墻失穩(wěn)。因此，為盡快在開挖后形成環(huán)狀受力支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用以下方案簡化合并仰拱和混凝土底板混凝土的施工程序：

在底板混凝土總的含筋量基本不變的情況下，鋼支撐仰拱擴(kuò)挖部位取消，直接在結(jié)構(gòu)混凝土底層鋼筋高程安裝仰拱支撐并與兩側(cè)工字鋼焊接，然后滿噴C20混凝土，使鋼支撐盡快成環(huán)受力。

底板混凝土部位開挖完成后，及時在結(jié)構(gòu)混凝土上層鋼筋高程位置安裝另外一個鋼支撐并與兩側(cè)工字鋼焊接，取消底板鋼筋，僅保留邊墻鋼筋，然后及時澆筑混凝土使鋼支撐成環(huán)受力，如圖7所示。

圖7 簡化底板混凝土布置

通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)，塌方多出現(xiàn)于拱頂，對于這種情況總結(jié)得出應(yīng)采用小導(dǎo)管和超前錨桿的聯(lián)合支護(hù)形式進(jìn)行超前支護(hù)。在超前支護(hù)的基礎(chǔ)上，采用預(yù)留核心土開挖方法，每次開挖循環(huán)0.6～1.2 m進(jìn)尺。上半斷面環(huán)形部分采用密孔距、低單耗、控制最大單段藥量等控制爆破方法或人工風(fēng)鎬配合挖掘機(jī)開挖。核心土主要為反壓作用，同時核心土可作為超前小導(dǎo)管施工和架設(shè)鋼架的作業(yè)平臺。超前小導(dǎo)管，鋼拱架施工完成后開挖核心土，同時采取系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)噴混凝土噴錨支護(hù)等及時施工，與超前支護(hù)接成整體，更好地發(fā)揮聯(lián)合支護(hù)作用。同時，為防止因開挖后掌子面卸荷回彈帶動頂拱及邊墻兩側(cè)巖體變形進(jìn)而產(chǎn)生塌方災(zāi)害，對掌子面周邊1 m范圍內(nèi)噴射混凝土加固限制其進(jìn)一步變形。

2.2 涌水災(zāi)害治理措施

本文結(jié)合現(xiàn)場斷層破碎帶中往往伴含水豐富且水壓力較高的情況，針對富水?dāng)鄬悠扑閹Ф炊危岢觥跋忍胶缶?，以堵為主、堵排結(jié)合、統(tǒng)籌兼顧”的總體思路和原則。

首先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，基于超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果及開挖圍巖素描采用動態(tài)設(shè)計管理。

隨后，對于股狀小流量涌水，遵循“表面及側(cè)向有序引排、周邊淺層固結(jié)、深部灌漿封堵”的思路。對于股狀大流量突涌水，遵循“表面有序引排、深部泄水降壓、澆筑止?jié){墻、淺層固結(jié)、擇機(jī)封堵或可控排放”的思路。

在上述思路中，超導(dǎo)管注漿或?qū)φ谱用孢M(jìn)行超前注漿是治理的關(guān)鍵技術(shù)，通過進(jìn)行注漿形成全斷面帷幕，可達(dá)到堵水和加固圍巖的目的，具體施工方案根據(jù)超前地質(zhì)鉆孔揭露的地質(zhì)情況和地下水情況選用以下兩種方案進(jìn)行施工：

1)超前小導(dǎo)管注漿。當(dāng)開挖面僅采用抽水滿足不了排水要求時且外水壓力小于1 MPa，圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體強度較低但巖石十分軟弱的情況下，采用超前小導(dǎo)管對掌子面周邊進(jìn)行全斷面注漿。加固底層同時封堵地下水，減少滲水對隧洞施工的影響。小導(dǎo)管采用Φ42×3.5 mm無縫鋼管，縱環(huán)向間距3.0×0.3 m，L=4.5 m，外插角25°～30°，周邊全斷面注漿，注漿加固長度為4米，加固范圍為開挖線外2～3米，開挖3米后，再進(jìn)行下一循環(huán)注漿，如圖8所示。

圖8 超前小導(dǎo)管注漿示意圖

2)掌子面帷幕灌漿。當(dāng)圍巖較差，涌水量較大且外水壓力大于1 MPa時，對掌子面進(jìn)行帷幕注漿堵水。注漿要按照先外后內(nèi)，間隔鉆孔，逐步加密，隨鉆隨注的方式進(jìn)行，用后序注漿孔檢查前序注漿孔的注漿效果，開挖時輔以小導(dǎo)管超前支護(hù)。帷幕注漿治理措施施工關(guān)鍵技術(shù)施作步驟及工藝要求應(yīng)符合以下描述：

帷幕灌漿施工前應(yīng)先分析超前地質(zhì)預(yù)報提供的信息，掌握地質(zhì)情況以及地下水分布部位和特點，采取相應(yīng)的超前灌漿材料和灌漿工藝。對于本工程中巖層較破碎且掌子面和邊頂拱已經(jīng)出現(xiàn)明顯集中涌水的情況，應(yīng)在掌子面澆筑混凝土止?jié){墻，必要時采用鋼筋混凝土止?jié){墻，超前灌漿鉆孔應(yīng)在止?jié){墻混凝土強度達(dá)到 75%后進(jìn)行。后續(xù)洞段超前灌漿利用前一循環(huán)灌漿時的搭接段作為巖體止?jié){墻。

單個注漿鉆孔的作用范圍根據(jù)巖層裂隙(巖溶)發(fā)育情況、含水層分布情況、斷面大小和鉆孔作業(yè)要求而定，注漿孔自掌子面沿開挖方向，以隧洞中軸為中心呈傘狀布置。按照先外后內(nèi)，間隔鉆孔，逐步加密的方式進(jìn)行鉆孔。鉆孔外偏角10°～15°，鉆孔按照先外后內(nèi)，間隔鉆孔，逐步加密的方式進(jìn)行鉆孔，開孔直徑Φ90，終孔直徑Φ75。注漿孔布置方案、孔底間距孔口位置、鉆孔偏角等詳見帷幕預(yù)注漿堵水示意圖，如圖9所示。

單孔注漿方式可分為分段式注漿和全孔一次注漿。本工程富水破碎帶圍巖裂隙發(fā)育或破碎，難以成孔，為避免灌漿過程中繞塞冒漿，促使?jié){液在巖層裂隙中均勻擴(kuò)散，保證注漿質(zhì)量，提高注漿堵水率，本工程分段前進(jìn)式注漿方法。分段注漿的分段長度根據(jù)巖層裂隙發(fā)育程度、涌水量大小而定?？紤]到玄武巖破碎帶成孔條件差，且漿液擴(kuò)散程度難以進(jìn)行預(yù)測，注漿循環(huán)長度不宜過長，為保證注漿質(zhì)量，超前預(yù)注漿每孔注漿段長度為 20 m。同時，為使?jié){液在巖體裂隙中充填擴(kuò)散，嚴(yán)格控制注漿壓力。注漿壓力與巖層裂隙發(fā)育程度、涌水壓力等其他因素有關(guān)。注漿前要首先測定地下水靜水壓力。設(shè)計終壓值即為所測的地下水靜水壓力加上1.5～2.0 MPa。在溶洞有充填物及細(xì)小裂隙段，注漿終壓宜加大。

圖9 帷幕預(yù)注漿縱斷面示意圖

對于當(dāng)前嚴(yán)重擾動的破碎段的處理措施需根據(jù)前述灌漿實驗的注漿效果而定。由于巖土體結(jié)構(gòu)松散，且地下水通道發(fā)育，易發(fā)生水流較大的情況。采用普通硅酸鹽水泥注漿受地下水流動的作用的注漿效果一般，擴(kuò)散范圍較小。因此，根據(jù)出水量的大小進(jìn)行復(fù)合注漿。對于出水量較小的測孔(小于100 L/min)，直接采用0.5∶1純水泥漿灌注；對于出水量較大的測孔(大于100 L/min)，采用0.8∶1水泥漿摻加10%～25%水玻璃灌注，若涌水較大且外漏較嚴(yán)重時，摻入水溶性聚氨酯等化學(xué)材料灌注。

循環(huán)帷幕注漿完成后，在突水點中間部位或可能存在滲水隱患的部位施工3個探水檢查孔，探測孔深度比系統(tǒng)灌漿孔小1～2 m，單孔出水量小于5 L/min說明涌水量很小灌漿效果良好。若仍存在較大滲水，則再結(jié)合前期的鉆孔灌漿情況進(jìn)行針對性的隨機(jī)加密短鉆孔灌漿封堵，直至出水量較小封堵滿足要求。加密孔根據(jù)滲水情況與前期堵水灌漿孔交叉并隨機(jī)布置。同時，由于止?jié){墻外側(cè)存在死角，為確保安全，可增加兩個循環(huán)的小導(dǎo)管注漿加固。

現(xiàn)場隧洞試驗段采用上述研究確定的塌方及涌水災(zāi)害治理措施效果明顯，圍巖開挖后整體穩(wěn)定性顯著增強，局部塌方次數(shù)減少，掌子面及邊頂拱出水量明顯減少，堵水較為成功。

3 結(jié)語

結(jié)合滇中引水工程大理I段香爐山隧洞某施工隧洞應(yīng)對塌方及涌水災(zāi)害的處理措施，對穿越不良地質(zhì)段的隧洞災(zāi)害特點和治理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，初步得出以下結(jié)論：

針對斷層破碎帶、軟巖等不良地質(zhì)洞，嚴(yán)格遵循“管超前、短進(jìn)尺、強支護(hù)、早封閉、勤量測”的施工基本原則。開挖前采取超前支護(hù)，開挖后及時采取噴錨-鋼拱架聯(lián)合支護(hù)，合理設(shè)置開挖方法盡早使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合成環(huán)，并適時實施二次襯砌。

斷層破碎帶及富水洞，優(yōu)先采用“先探后掘，以堵為主、堵排結(jié)合”的施工原則。優(yōu)化確定掌子面帷幕超前注漿的治理工藝，將隧洞施工過程中的突涌水風(fēng)險降至最低，并做好抽排措施。