滇中引水工程隧洞施工技術(shù)研究

梁 強 云南省滇中引水工程有限公司

禹賽云 云南恒城監(jiān)理建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司

滇中引水工程位于云南省中部，工程具有引水規(guī)模大、隧洞線路長、穿越地質(zhì)條件十分復雜等特點，存在巖溶地下水、活動斷裂、高地應(yīng)力、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，可從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益，工程建設(shè)不存在難以克服的技術(shù)問題和重大環(huán)境制約因素，已具備全面開工條件。

1 工程概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，工程多年平均引水量34.03億m3，其中九道河隧洞為引水工程中典型隧洞。九道河隧洞CX106+082～九道河隧洞出口段位于九道河隧洞中后段，隧洞總體方向東偏北25°，全長7276.33 m，設(shè)計斷面尺寸8.26m×8.96m，馬蹄形斷面，為無壓洞。出口底板高程1924.689m，設(shè)計引用流量100m3/s。

隧洞穿越地段屬低中山地貌，主要山脊、河流NNE向，沿線地面高程2067m～2193 m，谷底高程一般1770 m～1820 m，最大山頂高程2354 m，位于隧洞中段葫蘆德附近。該段隧洞埋深較大、溝谷部位及出口段埋深較小，埋深多在100 m～300 m 之間，最大埋深約380m，穿越?jīng)_溝部位埋深一般100m～150m。隧洞穿越的斷層帶及影響帶累計長度約911 m，約占該段隧洞總長的12.5%，以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主的軟巖（5 MPa＜Rb≤15 MPa）洞段累計長度約4921m，約占67.6%。

2 主要工程地質(zhì)問題及圍巖分類

2.1 工程地質(zhì)問題

該段隧洞埋深一般在100 m～300m，沿線構(gòu)造發(fā)育，圍巖穩(wěn)定問題突出，存在的主要工程地質(zhì)問題如下：

（1）軟巖隧洞圍巖大變形問題。

隧洞穿越斷層及埋深較大的軟巖洞段可能發(fā)生軟巖擠壓大變形問題。根據(jù)前期勘察成果統(tǒng)計分析，可能發(fā)生極嚴重擠壓變形洞段主要分布在JDHT02+609～JDHT02+846、JDHT04+035～JDHT04+198、JDHT06+843～JDHT06+892、JDHT 07+674～JDHT 07+714 與JDHT08+223～JDHT08+455段，上述洞段斷層發(fā)育，圍巖極不穩(wěn)定。此外在埋深較大的軟巖洞段可能存在輕微～中等擠壓變形。

（2）斷層洞段圍巖穩(wěn)定問題。

隧洞穿越4條Ⅱ級斷層，11條Ⅲ級斷層，在過斷層部位隧洞可能存在圍巖嚴重擠壓變形和變形破壞問題，應(yīng)加強超前預報及變形監(jiān)測，加強支護。

（3）隧洞涌突水問題

九道河隧洞斷層發(fā)育、隧洞埋深較大，隧洞涌突水問題較突出，根據(jù)隧洞涌突水災害風險劃分標準，預測該段隧洞涌突水災害風險等級A 級（極高風險區(qū)）段主要分布在JDHT2+736～JDHT2+846；隧洞涌突水災害風險等級B 級（高風險區(qū)）在JDHT4+035～JDHT4+198、JDHT 8+223～JDHT 8+263、JDHT8+415～JDHT8+455，這些洞段斷層發(fā)育。應(yīng)加強超前預報，加強超前支護和封堵，加強排水措施等。

（4）隧洞高外水壓力問題

該段隧洞埋深一般100 m～300m，最大埋深約380 m，水頭高度一般80 m～200 m，在樁號JDHT 2+609～JDHT 2+846、JDHT 2+846～JDHT 3+507、JDHT8+223～JDHT8+455段外水壓力大于或接近1.0MPa，最大外水壓力約1.08MPa，存在高外水壓力問題。施工和襯砌需特別注意，應(yīng)采用“堵”、“排”及“排堵結(jié)合”的對策措施。

（5）膏巖地層洞段腐蝕性問題

隧洞在JDHT3+913～JDHT4 +823段裂隙充填有厚度0.2～0.8cm膏巖，線比例＜1%的石膏，環(huán)境水對混凝土可能具有硫酸鹽型腐蝕，應(yīng)采取防腐蝕性措施。

（6）有毒有害氣體問題。

隧洞在JDHT02+609～JDHT03 +507段穿越白堊系普昌河組（K1p）地層，存在H2S氣體毒性、爆炸濃度超標問題，施工中應(yīng)加強有毒有害氣體監(jiān)測，加強通風或噴灑石灰水進行預防，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)處理措施。此外，隧洞前段（JDHT2+354～JDHT2+642、JDHT3+540～JDHT4+231）寬緩的背斜砂巖中可能聚集有高壓氣體等問題，據(jù)鉆孔ZK1644揭露，結(jié)合孔內(nèi)有毒有害氣體檢測，鉆進中出現(xiàn)的高壓氣體可能是CO2。高壓氣體對施工安全可能存在隱患，施工開挖可采用先導孔進行排導，并加強氣體監(jiān)測。

（7）地下水環(huán)境影響問題。

隧洞施工地下水可能影響范圍內(nèi)分布有10個泉水點，可能存在施工疏干影響，應(yīng)加強施工監(jiān)測并采用相應(yīng)工程措施。

2.2 隧洞文巖分類及邊坡穩(wěn)定條件

該段隧洞穿越地層巖性以“滇中紅層”泥質(zhì)巖為主，斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定條件差，隧洞圍巖詳細分類：Ⅲ2類圍巖全長約1927.7m，約占26.5%，IV類圍巖全長約3154.3m，約占43.4%，V類（含特殊不良地質(zhì)洞段）圍巖全長約2194.1m，約占30.2%。Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段（含特殊不良地質(zhì)洞段）約占該段線路73.5%，其中特殊不良地質(zhì)洞段主要指規(guī)模較大的斷層帶分布洞段，段長約273m，約占該段隧洞3.8%。

隧洞出口地形坡度25°，坡面較完整。坡面地表殘坡積層（Qedl）含礫粉質(zhì)粘土，厚度約1m～3m。該邊坡屬巖土混合邊坡，上部為土層、下部為巖層，下部巖層為層狀斜向結(jié)構(gòu)，卸荷裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育，開挖邊坡為泥質(zhì)軟巖、強風化巖體。邊坡開挖上部土層可能沿下伏基巖面滑動破壞，下部巖體可能由不連續(xù)面及巖體層面組成的平面破壞，或強風化巖體類圓弧形破壞。建議開挖后及時錨噴支護，并做好開挖坡面封閉及截排水。

3.隧洞開挖

3.1 邊挖邊襯洞段的確定

綜合考慮各種要求，隧洞按涌水風險等級為A級、B級的洞段按“以堵為主、及時封閉、限量排放”的支護原則，風險等級為C級、D的洞段中對地下水降低影響周邊用水戶用水安全的洞段按“邊挖邊襯，限量排放”、對普通洞段按“以排為主，堵排結(jié)合”的支護原則。

各隧洞施工程序選擇主要考慮以下因素：

（1）各條隧洞各工作面中須邊挖邊襯的A級、B段、C級和D級洞段在所在工作面中所占比例。若須邊挖邊襯洞段所占比例超過單工作面50%的洞段，則整個工作面洞段按邊挖邊襯考慮。

（2）各條隧洞各工作面中隧洞涌水量。對涌水量大的洞段，按全洞段進行襯砌考慮。

（3）各條隧洞各工作面中地質(zhì)條件較差的洞段，以及隧洞施工可能對地表水庫等造成影響洞段，按全洞段邊挖邊襯考慮。

（4）不屬于上述考慮范圍的，則按局部洞段邊挖邊襯考慮，即需要考慮開挖過程中進行邊挖邊襯的A級、B級、C級和D級洞段。

為使一條支洞的上下游工作面的施工組織設(shè)計方案盡量相同、便于施工組織管理、同時有利于資源利用，若某支洞有一個工作面需要進行邊挖邊襯，則此支洞的上下游工作面均按全洞段邊挖邊襯考慮。

3.2 輸水隧洞開挖

本標段隧洞開挖斷面隧洞斷面較大。由于各條隧洞均有部分洞段需采用邊挖邊襯，且隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)要求按全斷面施工（包括底板結(jié)構(gòu)混凝土也需要同時施工）。

隧洞II類、III類和IV類圍巖考慮分兩臺階、長臺階施工法，上臺階高約8.16m，下臺階高約2.0m，上臺階領(lǐng)先下臺階100m～150m。V類圍巖和不良地質(zhì)洞段考慮分三臺階開挖，確保掌子面的穩(wěn)定。下臺階頂面均作為底板棧橋的支撐面。為防止下臺階爆破對已澆筑混凝土的影響，前期隧洞開挖時，可考慮下臺階先期松動爆破但不出渣，預留作為棧橋前端架設(shè)基礎(chǔ)，在底板混凝土澆筑前再清除下臺階的渣料。Ⅱ類、Ⅲ類及無需鋼支撐的Ⅳ類圍巖隧洞。

需鋼支撐支護的Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖洞段，爆破開挖，超前支護、噴混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、鋼支撐及鎖腳錨桿、錨桿等一次支護應(yīng)及時跟進，在一個開挖循環(huán)里完成。施工中應(yīng)重視各臺階鋼支撐的連接工作，并要對于軟巖段隧洞底板和底板基礎(chǔ)承載力不足的洞段，受自卸汽車等來回壓、地下水浸泡等容易造成底板凸凹不平、施工環(huán)境較差，影響施工速度，對施工機械破壞大，同時也增加了混凝土回填量。

4.紅層軟巖隧洞變形控制措施

根據(jù)初步設(shè)計階段的地勘成果，本標段九道河隧洞軟巖大變形預測判別結(jié)果見表1。需要說明的是，由于受勘察鉆孔數(shù)量限制，初步設(shè)計階段勘察成果預測的本標段九道河隧洞軟巖大變形成果并不能完全代表隧洞實際地質(zhì)條件，實施時軟巖大變形洞段位置或長度均可能發(fā)生變化。

表1 九道河隧洞CX106+081～出口段涌水量預測成果表

針對滇中紅層軟巖特性及變形控制問題昆明院自可行性研究階段起就聯(lián)合國內(nèi)知名科研機構(gòu)開展了《滇中引水工程（萬家至新莊段）軟弱巖土體隧洞工程關(guān)鍵技術(shù)問題研究》重大科研課題研究，課題研究分為兩個子題進行。滇中紅層軟巖隧洞變形控制措施可行性研究階段及初步設(shè)計階段研究成果已納入初步設(shè)計成果。

對于存在滇中紅層軟巖大變形問題洞段采取以下措施進行處理：

（1）開挖方法：隧洞開挖采用短進尺、分臺階，必要時預留核心土。

（2）嚴重擠壓變形洞段預留15cm變形量，極嚴重擠壓變形洞段預留20cm變形量。

（3）超前灌漿預加固及堵水：對斷層及構(gòu)造密集帶洞段、涌突水災害危險等級為A、B級洞段超前注漿，預加固提高圍巖自承能力或封堵降低施工期涌突水風險。

（4）超前支護：對埋深大于200 m 的V 類圍巖洞段、嚴重擠壓變形洞段采用超前小導管（Φ42，L=4.5m@0.3m×3m）進行預加固；極嚴重擠壓變形洞段采用超前大管棚進行預加固。

（5）一次支護：隧洞開挖完成后立即施做一次支護，為適應(yīng)隧洞開挖完成后變形、充分釋放圍巖形變荷載，嚴重及極嚴重擠壓變形洞段采用讓壓支護體系，錨桿采用恒阻讓壓錨桿（C25@1.5m×1.5m，L=6m），全洞段采用可壓縮式鋼支撐（I20@0.5m）。Ⅳ類軟巖洞段、Ⅴ類圍巖洞段均采用20cm厚C20混凝土仰拱封底形成封閉結(jié)構(gòu)。

（6）二次支護：施工期根據(jù)變形監(jiān)測成果適時施做二次支護、回填灌漿及固結(jié)灌漿。

由于招標階段未新增相關(guān)勘察試驗成果，因此楚雄段隧洞超前預加固、超前支護、一次支護、二次支護、軟巖洞段預留變形量仍沿用初步設(shè)計成果。實施階段將結(jié)合水利規(guī)劃總院相關(guān)審查意見及滇中紅層軟巖隧洞變形控制措施第三階段研究成果復核軟巖洞段預留變形量及其與支護設(shè)計參數(shù)協(xié)調(diào)關(guān)系，復核襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計。

5.結(jié)論

總之，引水隧洞作為當前階段水利工程施工的重要組成部分，有著重要的經(jīng)濟和社會價值。隨著水利工程建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，引水隧洞施工的數(shù)量和規(guī)模也在不斷擴大，對各項施工技術(shù)的利用頻率也會逐漸增加，因此我們應(yīng)該給予技術(shù)管理足夠的重視，要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行進一步的優(yōu)化創(chuàng)新，除此之外，還要能夠加強施工過程中的質(zhì)量管控，為水利建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展做出貢獻。