某輸水隧洞工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)及對(duì)策

涂建翔

(余干縣水利局，江西 余干 335100)

1 工程概況

某水庫建設(shè)工程-主體、水保、環(huán)評(píng)部分施工包含引水隧洞一條，建筑級(jí)別為三級(jí)，該條隧洞一洞三用，集發(fā)電、導(dǎo)流、放空功能為一體，進(jìn)口采用龍?zhí)ь^方式，進(jìn)口高程120.0m，引水主洞段長(zhǎng)483.15m，洞徑為3.0m，底坡i=0.004，采用鋼筋混凝土襯砌。主洞后分為兩支，岔洞用來發(fā)電，發(fā)電岔洞長(zhǎng)62.6m，其后接露天式壓力鋼管，壓力鋼管主管長(zhǎng)27.3m，其后分為三個(gè)岔管“卜”型進(jìn)入廠房機(jī)組，支洞則用來導(dǎo)流放空，支洞段長(zhǎng)99.44m，其后接埋地式壓力鋼管，總長(zhǎng)13m，出口采用錐形閥消能。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

輸水隧洞布置于順流右岸，沿線植被覆蓋較好，山高林密，人口密度小，耕 地不多，坍塌、滑坡等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，侵蝕作用微弱。地表分布白堊 系上統(tǒng)江底河組下雜色泥巖段(K2j1)和馬頭山組(K2m)地層，巖性以砂泥巖為主， 巖層傾向87-90°、 傾角35-38°，巖層走向與洞軸線斜交，夾角78-81°，接近垂直，洞身圍巖為強(qiáng)-弱風(fēng)化狀態(tài)，粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r屬軟弱工程地質(zhì)巖組、 長(zhǎng)石石英砂巖屬堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組，進(jìn)出口圍巖多為Ⅴ類，洞身段多為Ⅲ-Ⅳ類。 沿線未發(fā)育大的斷裂構(gòu)造和緩傾角結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層 ，地層分布連續(xù)、巖性單 一、產(chǎn)狀變化不大，隧洞進(jìn)出口邊坡、基礎(chǔ)總體穩(wěn)定。隧洞最大埋深300m左右， 洞身多處在地下水位線以下，地下水對(duì)隧洞施工影響較大，施工中應(yīng)充分考慮洞 身排水問題。

2.2 輸水隧洞工程地質(zhì)問題評(píng)價(jià)

2.2.1 地表水對(duì)輸水隧洞的影響

根據(jù)收集資料及踏勘，沿線穿越箐溝較多，多為間歇性流水箐溝，地表無壩 塘、水庫等地表水體存在，地表水對(duì)輸水隧洞的施工影響較小，可不考慮。

2.2.2 地下水對(duì)輸水隧洞的影響

經(jīng)對(duì)輸水隧洞沿線走訪踏勘，隧洞穿越箐溝多為間歇性流水箐溝，沿線地表 無泉點(diǎn)出露，但隧洞最大埋深達(dá)300m，洞身長(zhǎng)，地下水對(duì)隧洞施工的影響較大。 輸水隧洞施工涌水量計(jì)算，采用大氣降水入滲估算法、裘布依理論公式及正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式三種方法計(jì)算[1]。

1)大氣降水入滲法

Q=a×F×P/365

(1)

式中：Q為隧洞涌水量，m3/d；a為大氣降水入滲系數(shù)，取10%；F為隧洞影響帶匯水面積，按隧洞兩側(cè)各400m計(jì)；P為大氣降水量，當(dāng)?shù)啬昶骄邓?上限，根據(jù)水文資料，計(jì)算得P=1328mm。

2)正常涌水量經(jīng)驗(yàn)公式法

Q=LkH(0.676-0.06k)

(2)

式中：Q為隧洞涌水量， m3/s；L為隧洞長(zhǎng)，3262.4m；k為含水體的滲透 系數(shù)，m/d，按鉆孔壓水呂榮值平均5Lu換算得0.0432m/d；H為洞底以上潛水(含水體)的厚度，按分段地下水位線以下至隧洞底板厚度，m。

3)最大涌水量經(jīng)驗(yàn)公式法

Q=L(0.0255+1.9224kH)

(3)

式中：字母含義與公式2相同。

現(xiàn)根據(jù)上述3種公式計(jì)算輸水隧洞施工涌水量見表1。

表1 輸水隧洞涌水量估算

根據(jù)以上3種公式對(duì)輸水隧洞分段的涌水量估算，施工過程中應(yīng)充分考慮隧 洞的排水問題。

2.2.3 洞身圍巖突發(fā)涌水、突泥的問題

根據(jù)4個(gè)勘察鉆孔資料分析，輸水隧洞進(jìn)出口部分洞身段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化外， 大部分洞身段圍巖均為弱風(fēng)化，圍巖相對(duì)完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育。4個(gè)鉆孔地下 水位埋深12.30-67.0m之間，洞身均在地下水位線以下及地下水位線附近，4個(gè)鉆孔在洞身圍巖上下共壓水8段，呂榮值在2.33-12.65Lu之間，平均5.84Lu， 圍巖多為弱透水層和相對(duì)隔水層，局部為中等透水層，洞身圍巖透水性弱，在施 工過程中突發(fā)涌水、突泥的可能性不大，應(yīng)做好預(yù)防工作，確保隧洞施工安全。 輸水隧洞鉆孔勘探成果見表 2。

表2 輸水隧洞鉆孔勘探成果

2.2.4 輸水隧洞產(chǎn)生巖爆的可能性

巖爆是高地應(yīng)力條件下完整脆性硬質(zhì)圍巖失穩(wěn)的一種表現(xiàn)型式，根據(jù)發(fā)生 巖爆的條件分析如下：①根據(jù)工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)、分布規(guī)律及地震發(fā)生的歷史和國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》綜合分析：工程區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象不明顯、晚近時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)不強(qiáng)烈、地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震動(dòng)反映譜特征0.45s，所以工程區(qū)不屬于以構(gòu)造應(yīng)力為主的強(qiáng)烈上升地區(qū)。②輸水隧洞位于屬中高山侵蝕構(gòu)造地形地貌，隧洞洞身全長(zhǎng)3200m，洞身埋深5-300m，最大埋深300m，自重應(yīng)力較小，不屬于自重應(yīng)力為主地區(qū)，不屬高山峽谷區(qū)、不屬邊坡應(yīng)力集中的傍山隧洞。③輸水隧洞洞身圍巖為砂泥巖互層，屬軟弱-堅(jiān)硬工程地質(zhì)巖組，根據(jù)鉆孔資料分析，RQD值在0-89%之間，巖體完整性為較破碎-較完整，巖體質(zhì)量為非常不好-非常好，故產(chǎn)生巖爆的可能性較小。④4個(gè)鉆孔地下水位埋深12.30-67.0m之間，洞身圍巖均在地下水位線附近及以下。根據(jù)對(duì)輸水隧洞分段的涌水量估算，洞身施工受地下水影響較大。

綜合上述分析[2]，輸水隧洞施工洞身圍巖不會(huì)產(chǎn)生巖爆。

2.2.5 輸水隧洞洞身圍巖穩(wěn)定問題

輸水隧洞進(jìn)口地形坡度35-40°，出口地形坡度25-30，洞身埋深5-300m， 圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r、長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化。進(jìn)出口 洞身段圍巖類別為Ⅴ類，洞身圍巖類別Ⅲ-Ⅳ類?？傮w上隧洞成洞條件較好。存 在的主要問題是地下水對(duì)洞身施工的影響以及進(jìn)出口段洞身圍巖坍塌、掉頂?shù)姆€(wěn) 定問題，施工中應(yīng)做好排水工作，及時(shí)做好臨時(shí)支護(hù)和加強(qiáng)施工安全管理工作。

2.2.6 隧洞高地溫問題

工程區(qū)不屬于以構(gòu)造應(yīng)力為主的強(qiáng)烈上升地區(qū)，隧洞洞身全長(zhǎng)3200m，洞身 埋深5-300m，自重應(yīng)力較小，不屬于自重應(yīng)力為主地區(qū)。隧洞埋深小于1000m 時(shí)，地溫起伏變化不大，而且洞身多在地下水位線以下，工程區(qū)隧洞沿線無溫泉出露，所以輸水隧洞施工不會(huì)產(chǎn)生高地溫問題。

2.2.7 有毒、有害氣體的影響

輸水隧洞洞身埋深5-300m，洞身圍巖為為粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r、長(zhǎng)石石英 砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)-弱風(fēng)化，隧洞不穿過含煤層，在施工中除爆破產(chǎn)生的炮 煙、氧氣不足外，不會(huì)產(chǎn)生瓦斯、天然氣、硫化氫、甲烷等有毒、有害氣體和可 燃?xì)怏w。施工中爆破產(chǎn)生的炮煙主要成份是一氧化碳和氮氧化物，需要通過一定 的通風(fēng)和時(shí)間，才能將有毒氣體排除或稀釋到安全濃度。

2.2.8 礦山、礦洞對(duì)輸水工程的影響

輸水隧洞沿線無礦山、礦洞，故礦山、礦洞不會(huì)對(duì)輸水隧洞施工產(chǎn)生影響。

3 施工處理建議

進(jìn)口和出口段開挖進(jìn)洞后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行混凝土鎖口，并采用鋼支撐支護(hù)掘進(jìn)， 必要時(shí)采用超前錨桿掘進(jìn)，洞身掘進(jìn)至巖體相對(duì)完整時(shí)修整斷面及時(shí)進(jìn)行初期支 護(hù)，掘進(jìn)過程中根據(jù)巖石級(jí)別、巖體完整程度控制爆破用藥量。進(jìn)、出口段宜采 用淺孔小藥量控制開挖洞斷面，洞身段宜采用秒管(雷管)控制、掌子面中心掏槽、 洞斷面邊緣光面爆破技術(shù)掘進(jìn)，局部裂隙發(fā)育掉塊地段采用噴混凝土護(hù)壁后在進(jìn)行掘 進(jìn)。加強(qiáng)隧洞施工安全管理，做到短進(jìn)尺、弱爆破、多循環(huán)、快支護(hù)、勤排水的 工程措施，保證隧洞施工安全。

3.1 支護(hù)襯砌

由于隧洞洞身較長(zhǎng)，而且沒有地形條件布置支洞，為便于施工、節(jié)省工期考 慮，施工時(shí)隧洞開挖后及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)，二期支護(hù)在洞身全部打通后進(jìn)行[3]。

1)Ⅴ類圍巖段(0+000.00-0+200.00、3+000.00-3+200.00)

初期支護(hù)采用鋼支撐噴混凝土支護(hù)，鋼支撐采用16號(hào)工字鋼制作，每0.5m架設(shè) 一榀，鋼支撐之間采用Φ25mm鋼筋連接，連接鋼筋間距200mm，鋼支撐架設(shè)后采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚16cm。底板澆筑 20cm厚C20混凝土。

2)Ⅳ類圍巖段 (0+200.00-0+800.00、2+910.00-3+000.00)

初期支護(hù)采用鋼支撐噴混凝土支護(hù)，鋼支撐采用16號(hào)工字鋼制作，每1m架設(shè)一榀，鋼支撐之間采用Φ20mm鋼筋連接，頂拱連接鋼筋間距200mm，邊墻連接鋼筋間距300mm，鋼支撐架設(shè)后采用C20混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚16cm，底板澆筑 20cm厚C20混凝土；其余Ⅳ類圍巖段(0+800.00-2+200.00、2+700.00-2+910.00)初期支護(hù)采用鋼筋掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，錨桿采用Φ20mm鋼筋制作，根長(zhǎng)2m，間排距1m，為全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿，鋼筋網(wǎng)采用φ8mm 鋼筋制作，間排距0.25m，噴混凝土厚10cm。底板澆筑20cm厚C20混凝土。

3)Ⅲ類圍巖段(2+200.00-2+700.00)

初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，錨桿采用Φ18mm鋼筋制作，根長(zhǎng)2m，間排距 1.5m，為全長(zhǎng)黏結(jié)型錨桿，C20噴混凝土厚10cm。底板澆筑20cm厚C20混凝土。

二期支護(hù)采用C25鋼筋混凝土襯砌，其中0+000.00-0+800.00和 2+910.00-3+200.00段襯砌厚度0.40m，0+800.00-2+910.00段襯砌厚度0.30m。輸水隧洞襯砌斷面設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖2 輸水隧洞襯砌斷面設(shè)計(jì)圖

3.2 施工灌漿

隧洞在開挖過程中回填灌漿：頂拱120°范圍，排距2-3m，1-2孔/排，梅 花型布置。灌漿壓力初步確定0.3MPa，對(duì)襯砌隧洞進(jìn)行全線回填灌漿，目的是 為填充隧洞超挖，圍巖裂隙以及襯砌與周圍巖體之間存在的空隙，使二者結(jié)合緊 密，以改善圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的傳力條件，并且可以減少圍巖滲漏。

3.3 施工通風(fēng)

隧洞通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)，每個(gè)錯(cuò)車道洞頂設(shè)一軸流風(fēng)機(jī)滿足通風(fēng)要求，本工程通風(fēng)方案為：本次隧洞群施工通風(fēng)采用壓入式，風(fēng)管采用優(yōu)質(zhì)軟質(zhì)風(fēng)管，新鮮風(fēng)流通過軸流風(fēng)機(jī)向掌子面送風(fēng)，有毒(害)氣體、污染空氣沿主洞口排出，通風(fēng)方案示意圖見圖2。

圖3 隧洞通風(fēng)方案示意圖

3.4 施工排水處理對(duì)策

本次隧洞開挖采用進(jìn)出口雙向開挖，施工排水采用集水坑與水泵、排水溝、排水管相結(jié)合的排水方式，集水坑位于開挖襯砌斷面以 外，具體位置根據(jù)實(shí)際情況確定，集水坑頂設(shè)安全防護(hù)蓋。具體處理措施如下：

從出口往進(jìn)口方向開挖，屬于順坡排水，在確保不出現(xiàn)大的地下水涌水、滲 水時(shí)，隧洞底板兩側(cè)設(shè)置排水溝，將水引至洞外，距離出口太長(zhǎng)時(shí)，可先將水引至洞內(nèi)集水坑，再通過水泵抽至洞外集中處理；從隧洞進(jìn)口向出口方向開挖時(shí)，屬于逆坡排水，需要通過抽排水設(shè)施(水泵)進(jìn)行排水，水泵功率必須滿足排水要求，先通過水泵抽至集水坑再通過水泵抽至洞口，水量較大時(shí)，可采用鉆匯水孔匯集地下水，還需要通過超前鉆孔預(yù)報(bào)，或采用灌漿阻水，充填掘進(jìn)面前方周邊圍巖地下出水裂隙，形成止水圈(或加固圈)，以避免因開挖引起洞周地下水大量 泄放，增加后期處理難度和惡化施工條件。

4 結(jié)論及建議

總體來說，輸水隧洞沿線工程地質(zhì)條件不復(fù)雜，但輸水隧洞無支洞，進(jìn)出口 雙向開挖單程線路1.6km，開挖線路較長(zhǎng)，存在的問題是進(jìn)出口段洞身圍巖坍塌、 掉頂、洞身段圍巖的穩(wěn)定、地下水對(duì)隧洞施工的影響等問題，施工中應(yīng)做好臨時(shí) 支護(hù)和和排水、通風(fēng)等安全措施，加強(qiáng)施工安全管理工作。