對引紅濟石輸水隧洞工程不良地質段施工的認識

郭 毅

（陜西引紅濟石工程建設有限公司 陜西 楊凌 712100）

1 引紅濟石調水工程概況

1.1 工程介紹

引紅濟石調水工程為大（2）型水利工程，工程位于太白縣，是把漢江北岸褒河支流紅巖河水通過穿越秦嶺的隧洞自流調入渭河南岸支流石頭河中的跨流域調水工程，年調水量9210萬m3。工程受益區為陜西省關中地區中西部的咸陽、楊凌、西安三個市區。工程的建設將為近期緩解關中地區中西部部分城市供水矛盾，優化渭河流域水資源的配置發揮作用。工程由低壩引水樞紐和輸水隧洞（洞長19.76km）兩部分組成。輸水隧洞設計流量13.5m3/s，無壓自流輸水，縱坡1/890，糙率0.014。0+009.56～8+600段采用鉆爆法施工，斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸3.0m×2.8m（高×寬），8+600～19+825.94段采用掘進機法施工，斷面為圓形，成洞直徑D=3.0m。輸水隧洞洞身長度19.76km，為特長水工隧洞，為了隧洞施工交通的需要和方便隧洞建成后檢修和維護修理，在其樁號3+120m和7+140m處設支洞兩條，在15+504m設1#通風和進料豎井。7+140m處的勘探試驗洞為永臨結合建筑物，3+120m處的2#支洞為臨時建筑物。

1.2 工程地質

1.2.1 地質概況

輸水線路由西至東跨越侵蝕中山、太白山間構造盆地兩大地貌單元。侵蝕中山海拔高程1550m～1950m。太白盆地盆底中心位于方才關至涼峪之間，盆底基巖最低高程約1250m，東西長約5km，第四系堆積物厚300m～350m。

基巖有秦嶺群上亞群(pt2qL3)片巖夾片麻巖，中亞群(pt2qL2)大理巖，下亞群(pt2qL1)片麻巖及燕山期花崗巖(γ52)，均屬硬質巖。

輸水洞線位于太白—桃川向斜南翼，NEE組和NE組壓扭性斷層較發育。太白盆地第四系松散地層廣泛覆蓋，初步查明的主要構造有：太白—桃川向斜，小罐子─西溝─鸚鴿嘴斷層(F1)，拐里—雪門溝斷層(F6)。地下水較豐富，第四系孔隙潛水向盆地中心徑流，弱透水層增多逐漸轉化為承壓水，水頭高出含水層頂板3m～50m；基巖裂隙水主要分布于表層風化巖體中，一般以下降泉形式在沖溝出露；大理巖溶隙承壓水主要分布斷層破碎帶及影響帶。

1.2.2 輸水洞線工程地質條件

線路位于盆地南緣，洞線長19.76km，洞室一般埋深150m～300m，最大450m，洞室均位于基巖中，片麻巖段長5.15km，大理巖段長6.6km，片巖段長7km，花崗巖段長1km。基巖面高程1623m～1750m，高出洞頂160m～300m，圍巖弱─微風化，巖體較完整，以Ⅲ類圍巖為主，次為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，總體上圍巖穩定性較好。存在的主要水文、工程地質問題有：（1）洞室分布的大理巖及斷層破碎帶地段地下水較豐富，對圍巖穩定和施工有一定影響；（2）隧洞深埋段可能產生輕微巖爆。

2 目前遇到的主要不良地質段介紹

2.1 1#支洞塌方不良地質段

（1）0+257—0+237段：2005年11月19日在0+254～0+246洞頂部出現大面積坍塌，由于無規律不間斷坍塌，盡管采取了人為的支護措施，還是多次塌壞工作架及支撐，在0+254—0+246洞段頂部形成高度 3.3m～10.0m，寬度13.2m～15m的塌腔。該區段后地質編錄為f9斷層，產狀127°/NE∠42°斷層充填黑色泥質（有嗅味）及白色糜棱巖，遇水軟化無強度，呈散體結構，斷層寬度超過4.5m，斷層影響范圍超過20m，后采用了“松原木棚戶、復式鋼拱架、加長自進式錨桿，管棚、砼組合支護”方案通過。

（2）0+222—0+208段：2006年2月9日在0+222～0+218段進行鋼拱架支護時，洞室頂部圍巖出現塌落，施工人員即進行支護，但坍塌不斷出現將支護塌掉，并將掌子面塌滿，編錄為f14斷層。圍巖為片麻巖、炭質片巖互存，斷層出露寬度超過3m，中間夾雜白色糜棱巖、黑色泥質，走向115°傾向北東，巖石出露后風化嚴重，后采用“將小導管棚砸入塌落體，對塌落體固結灌漿，然后采用短開挖、復式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護”的方案處理通過。

（3）0+75—0+73段：2006年11月6日0+73掌子面拱頂及左側壁突然出現塌落，工作架被塌壞，塌方范圍不斷擴大，最大塌落高度距設計開挖線2.5m～3.0m，據地質編錄為f27斷層，產狀 290°～310°∠37°～45°，在洞室底部出現露角礫巖斷層泥和糜棱巖，巖體極為破碎。由于地下水活動加劇，對圍巖的泥化作用十分明顯，巖體松散無強度。由于該斷層與洞軸線小角度相交，最小夾角僅為2°，對洞室穩定極為不利，后采用“封閉掌子面、對底部不良地質段進行毛石砼回填，限制底部軟弱地基變形復式拱架、超前管棚、超前灌漿、砼組合支護”的方案處理通過。

2.2 Ⅰ標段

2007年5月1+067.5～1+068.5施工中多次出現塌方，地質編錄為f56斷層，充填斷層角礫巖，斷層泥夾角后采用注漿固結掌子面及塌方體，后采用管棚法通過。

1+824處穿過F2斷層，雖然施工中通過，但由于斷層穿越洞段圍巖破碎，多為泥質和炭粉，在此段施工支護后經常出現收斂變形比較大的情況，引起噴護砼裂縫、掉塊和拱架變形等，特別是出現涌水后洞段變形特別大，單邊變形75cm后進行了加固處理，并處理軟弱地板186m（澆筑40cm厚砼）。

2.3 Ⅱ標段

Ⅱ標段2#支洞在10月26日下午14時掌子面K+020處突發涌泥，涌出的泥石流涌滿至K0+110斷面，泥石流方量約2000m3，水位淹沒到K0+156處，淹沒已成洞段136m，部分施工設備也被埋入泥石流中，后編錄分析為F1大斷層所致。

2008年11月21日凌晨3時3+853掌子面突發涌水，水量約70m3/h～90m3/h，涌水將掌子面淹沒，直至12月5日增加抽水水泵及管道后才將水抽退，據分析此次涌水為大理巖承壓裂隙水。

2.4 Ⅲ標段

引水隧洞6+809～6+805段地質編錄為Ⅳ類圍巖，巖石裂隙發育，且裂隙內充填物為泥質，地下水活動強烈。2008年4月8日15：00爆破結束，在出渣過程中，拱部突發涌水（涌水量達40m3/h），造成6+809～6+805段大面積塌方。塌方發生以后，塌方范圍不斷擴大，塌腔形狀近似長方體：寬約6m，縱向長度4m左右，高約12m(塌腔頂距設計開挖底)。由于開始對塌方的原因認識不充分，利用固結灌渣無效、組合鋼拱架推進無效、雙層小管棚無效，最終決定利用MD-50錨索鉆機打Φ110的大鋼管棚護，鋼拱架、噴砼、錨桿聯合支護。

3 不良地質段的地質情況原因分析

3.1 直接地質原因

（1）Ⅰ標段與Ⅱ標段的涌水最終經省水電設計院地質隊補充勘查該段不良地質段主要受 F1、F11、F2、F21斷層的影響，F1和F11斷層注水性好，可能發生較大的涌水和突泥現象，F2和F21斷層以糜棱巖和破碎粉巖為主，穩定性極差。

（2）勘探試驗洞及標塌方主要受石溝河 F6、F12、F21斷層帶影響，斷層帶巖體為極不穩定的類圍巖，完整性較差，局部圍巖可能存在層間裂隙承壓水，斷層帶涌水量約100m3/h～150m3/h。

3.2 最根本原因

引紅濟石隧洞的斷裂構造、豐富的地下水以及多層軟弱巖層是隧洞開挖的三大不利因素。

（1）引紅濟石隧洞前半段(西部)位于太白盆地南緣斜坡地帶，后大部分（東段）位于太白盆地中，在出口段才出盆地，是東西向斜穿并非秦嶺主脊的一條線路。沿線不僅發育東西向或近東西向的區域性大斷裂，還發育有走向北東向、北西向及南北向的大斷裂10余條，及其派（伴）生次級斷層、小斷層及節理密集帶難以勝數。太白盆地是一個地塹式斷陷盆地，它是由一系列大型斷層控制發育的，它的形狀受斷層的產狀所控制，據研究這些斷層在產生之后，又受后期的多次構造作用，變得破碎松散，成為含水構造，水量豐富且導水性好。

（2）引紅濟石隧洞多位于地表水之下，特別是隧洞后半段位于太白盆地下，紅巖河穿越太白盆地之中，支流及小沖溝水流在隧洞頂部通過，而本區的斷層不僅含水而且為導水構造，與地表水緊密相連。其次，本區為碳酸巖變質巖，雖巖溶作用不強烈，但發育有小型溶洞，溶蝕裂隙地下水補排條件非常通暢。第三，太白盆地是一個負地形，又是一個向斜構造，這樣的構造就是一個匯水構造。隧洞掘通后形成一個集水廊道，地下水必然豐富。2#支洞開挖后其周圍幾條溝道滲水減少就是最明顯的例證。

（3）引紅濟石隧洞沿線分布有炭質片巖、云母片巖、糜棱巖，為強度很低的軟巖。加之受多次構造作用，巖石非常破碎而質軟，隧洞開挖后穩定性很差，干燥時可以短時自穩，遇水則易變形，發生坍塌和蠕變，在埋深較大，地應力較大時宜發生蠕變和擠出，這種地層對隧洞施工是非常不利的。

4 不良地質段施工處理措施分析

不良地質段發生坍塌也與施工單位對地質的復雜性認識不足、存在僥幸心理、采取的措施不夠得力有關。對于以上幾次塌方處理常規的方法都是采用封閉巖石掌子面、對塌方體固結灌漿后采用小管棚或大管棚、鋼拱架、噴錨砼處理，比較嚴重的采用了大管棚施工，且及時對圍巖采取了仰拱封閉圍巖，防止風化，防止水泡，對量測變形較大的洞段采取深孔錨固處理，還及時進行了二次鋼筋砼襯砌。

5 不良地質段施工建議

（1）加強地質勘探及施工地質預報。對于復雜的不良地質隧道，應加強地質勘探，大力發展綜合勘探手段，不斷提高物探技術水平，使其能滿足工程地質工作的要求，達到規范化應用的成熟程度。在施工應加強超前地質預報，最有效的辦法就是利用超前地質鉆機，簡單快捷地分析前方圍巖情況、滲水涌水情況，及時調整確定施工方案。

（2）對于不良地質段嚴格遵循“短進尺，弱爆破、強支護、勤測量”的施工方法，遵循慢步快跑，謹慎穩妥通過，及時施作一次支護，必要時進行二次鋼筋砼支護。

（3）對于不同的不良地質段采取不同的處理措施。

對于遇水軟化膨脹的軟弱圍巖，應及時做好收斂變形量測工作，及時施工仰拱，使支護結構盡快封閉成環，改善洞室結構的受力條件，為防止變形過大造成襯砌凈空的減少，一定要預留變形量。

對于涌水量較大的圍巖，要采取排堵結合的方法，做好抽排水工作，勤觀察注意巖體和地下水變化情況。水量大但圍巖強度堅硬的以排為主，水量大圍巖松散較弱的采取砼襯砌緊跟，必要時還要超前灌漿。

6 結語

地下隧洞施工不良地質段施工的關鍵是結合實際情況制定好施工方案。以上總結的不良地質段的處理方法可為今后同類型工程提供借鑒，避免塌方事故發生，節約工程成本。