王家壩輸水隧洞不良地質處理方法

張 麗

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，四川成都 610500)

?

王家壩輸水隧洞不良地質處理方法

張 麗

(中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司，四川成都 610500)

在隧洞施工過程中，經常會遇到斷層、溶洞等不良地質情況,對洞室安全造成嚴重影響,因而必須對這些不良地質情況進行處理以保證安全性。文章通過對王家壩隧洞的工程概況及地質構造進行論述與分析，就隧道施工中所遇到的斷層和巖溶兩種不良地質條件的處理措施進行了詳細的分類與闡述，同時對隧道施工中的突水突泥的成因和地下硫化物作用機理作具體分析，并提出相應處理措施。通過對不良地質洞段的處理，為不良地質問題的解決提供行之有效的方案，保證施工的順利進行。

隧洞； 不良地質； 處理措施

1 工程概況

王家壩隧洞是畢大供水工程的主要建筑物之一，位于畢節七星關區朱昌鎮花廠村～岔河鎮王家壩村、岔河村一帶。王家壩輸水隧洞總長 19.559 km，隧洞為無壓引水隧洞，采用受力較好圓形斷面，內徑為3 m。根據地下水位不同采用不同厚度C25 鋼筋混凝土襯砌襯砌，頂拱、側墻厚度400～500 mm。由于隧洞較長，為方便施工排水，除特殊洞段外，隧洞底板厚度均采用500 mm，底坡與隧洞底坡一致，隧洞回填灌漿范圍為頂拱120°，隧洞臨時支護。Ⅴ類圍巖洞段采用鋼支撐+系統錨桿+掛網噴C20混凝土的支護方式，并進行隧洞固結灌漿，考慮50 %的洞段采用φ28 超前錨桿進行支護,錨桿長6 m，頂部120°范圍設置，間距0.5 m。Ⅳ類圍巖洞段采用頂拱鋼支撐(考慮45 %洞段采用)+系統錨桿+掛網噴C20混凝土的支護方式，局部外水壓力大，地質情況復雜段采用超前錨桿，加密鋼支撐，加厚襯砌厚度等特殊洞段處理方式，其余洞段根據實際情況采用隨機錨桿+頂拱噴混凝土的臨時支護方式。隧洞每隔12 m設置施工縫，隧洞在圍巖地質變化位置設置伸縮縫，縫內設銅片止水。

根據巖性、地質構造、地下水埋深情況等綜合分析，隧洞硬質巖洞身段大多為III類圍巖。斷層帶及巖溶發育帶為IV～V類圍巖，軟質巖大部為V類圍巖。隧洞穿越T1f砂、泥巖地層，地下水主要為基巖裂隙水，地下水活動弱。

2 不良地質洞段處理措施

在隧洞的施工中，經常會遇到斷層、溶洞及巖溶裂隙等不良地質情況，這些不良地質段會對施工安全造成嚴重影響，因而必須對這些不良地質情況進行處理。而根據不同的不良地質情況選擇適合的施工方法及處理措施則顯得尤為重要[1]。本文根據王家壩隧洞所處的水文地質及工程地質的情況，主要的不良地質表現為斷層和巖溶。為確保施工的安全性，需要對隧洞中的不良地質問題進行特殊的處理。

2.1 穿越斷層破碎帶的處理措施

對穿越斷層破碎帶的處理措施可以根據施工進度，通過信息化動態的設計施工管理依次分為超前地質預報、超前預支護、超前灌漿、開挖方法、初期支護措施、襯砌措施、監控量測等幾個方面。

(1)超前地質預報。超前地質預報采用多種預報相結合的綜合預報方法，建立宏觀超前地質預報(綜合地質法)、長期(長距離)超前地質預報(超前鉆探)、短期(短距離)超前地質預報(地質雷達)的三級預報預警機制，構成洞室施工的地質綜合預報體系，對巖石斷層破碎帶進行超前預報。

(2)超前預支護。超前小導管適用于斷層破碎帶及Ⅴ類圍巖等不良地質地段。

(3)超前灌漿。超前灌漿采用帷幕灌漿，灌漿采用雙液灌漿，采用漿液攪拌器制漿。灌漿順序從兩側拱腳向拱頂。由于巖體孔隙不均勻，考慮環形開挖的方便，同時要達到固結破碎松散巖體的目的，保證開挖輪廓線外環狀巖體的穩定，形成有一定強度及密實度的殼體，特別是確保兩側拱腳的灌漿密實度和承載力，采取灌漿終壓和灌漿量雙控灌漿質量，拱腳的灌漿終壓高于拱腰至拱頂。

(4)開挖方法。巖石斷層破碎帶采用短進尺開挖、臨時封閉、微震控制爆破施工或采用人工配合機械直接開挖。

(5)初期支護措施。在松散、軟弱破碎的巖體中開挖洞室，盡量減少對圍巖的擾動，采用先護后挖、邊挖邊擴或先對巖體進行加固后再開挖等方法。

(6)襯砌措施。及時襯砌，混凝土襯砌根據預測位移情況，襯砌凈空預留變形后線路調整量，較基本內輪廓加高、加寬設計，變形縫采用柔性結構。

(7)監控量測。初期支護完成后，在拱頂、拱腳及邊拱埋設測點進行拱頂下沉和水平收斂量測。

2.2 巖溶的處理措施

巖溶是指可溶性巖層(主要指的是碳酸鹽類，除此還有硫酸鹽類、鹵鹽類等)收到地表水或者地下水的化學侵蝕、崩解作用和機械破壞、搬運以及沉積等的作用，產生諸如地下溝槽、裂縫和洞穴等，以及由此產生的地表陷穴、洼地、地下洞穴等各種溶蝕現象的統稱[2-3]。在巖溶地區形成的各種溶蝕形式中，溶洞和暗河對隧洞工程影響較為嚴重。其問題主要可分為三大類：一是隧洞施工中的突水、突泥問題；二是隧洞施工中頂板溶洞充填物陷落冒頂；三是隧洞施工中底板塌陷。不同巖溶工況如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

圖1(a)為水流的位置在隧洞的上部或高于隧洞，處理方式為在一定的距離外開鑿引水斜洞(或引水槽)，將水位降低到隧洞底部位置以下，再行引排；圖1(b)～圖1(d)表示已經停止發育、范圍較小、無水的溶洞，根據其與隧洞相交的位置及其充填情況，可以采用與襯砌同標號混凝土予以回填封閉；圖1(e)、圖1(f)為頂拱以上空溶洞，可以視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護加固，或加設護拱及拱頂回填與襯砌同標號混凝土的辦法處理；圖1(g)表示隧洞一側遇到狹長而深的溶洞，處理方式為加深該側的邊拱基礎；圖1(h)為隧洞底部遇有較大溶洞并有水流，處理方式為在隧洞以下澆筑混凝土支墻，鋼拱架隧洞結構，隧洞底板下澆筑與襯砌同標號混凝土并在支墻內套設涵管引排溶洞水。

總結以上方式，可以進行探、引、堵、越、測、護的劃分。(1)探，即加強施工期巖溶及地下水等地質超前預報工作，如采用地質雷達、TSP超前地質預報法等方式進行超前地質預報，探明前方巖溶地質情況。(2)引，即遇到暗河或者溶洞有水時，宜排不宜堵。(3)堵，即對于已經停止發育、跨徑比較小的無水溶洞，可以根據其與隧洞相交的位置及填充情況，進行封閉處理。(4)越，即當隧洞一側遇到狹長而較深的溶洞時，可以加強該側的邊墻基礎。隧洞底有較大溶洞并有流水時，可在隧洞底部以下砌筑圬工承重墻鋼拱架隧洞結構，跨越而過，在承重墻內用涵管引排溶洞水。當穿越大型溶洞情況復雜時，可根據情況采用邊墻梁、行車梁等。(5)測，即加強監測，及時根據監測結果反饋指導施工。(6)護，即及時支護和超前支護處理，必要時提前進行全斷面襯砌。

在對巖溶的處理過程中， 要提早做好處理巖溶方案，并準備足夠數量的設備和物資，并施工中建立長距離物探，以鉆探法為主，其他方式為輔，當只有一側遇到溶洞時，先開挖該側，待支護完成后再開挖另一側。

2.3 隧洞突水突泥處理措施

地下水的力學作用有靜水壓和勁水壓作用，這兩種作用都會使巖體發生水力劈裂，使裂隙連鎖增加張開度增大，從而增加滲透力，使局部隔水屏障作用被突破，地下水位高出，從而形成突水突泥[4]。在隧洞突水突泥的處理方式有以下三種：

(1)超前小導管注漿固結止水。通過綜合超前地質預報，確認隧洞掌子面前方為小量巖溶突泥突水地段時，即突水量小于10 m3/h或個別探水孔出水量大于2 m3/h，則預留5～8 m圍巖段采用超前小導管注漿固結巖體以達到止水目的。

(2)環向止水注漿帷幕。圍巖結構整體性較好且突水量較小地段，采取在隧洞開挖輪廓線外設置環向止水注漿帷幕。即隧洞開挖后，沿隧洞開挖輪廓線設置間距為60 cm、長為350 cm小導管徑向全斷面環形布設，采用純水泥漿注漿，水壓較大地段采用雙液漿注漿固結圍巖止水。

(3)超前預注漿處理。對工期影響較小的地下水處理時，可以采取超前預注漿方式進行處理，注漿孔布置圈數根據地下水量和構造形式進行調整。在掌子面上分圈均勻布置，鉆孔時根據計算確定各孔的方位角和傾角，保證孔底間排距為3.0 m。具體注漿孔布置形式見圖2所示。

2.4 發現地下硫化物洞段的處理措施

首先應先檢測硫化物的成分和含量，測定硫化物的方法，通常有亞甲藍比色法和碘量滴定法以及電極電位法。當水樣中硫化物含量小于1 mg/L時，采用對氨基二甲基苯胺光度法。樣品中硫化物含量大于1 mg/L時，采用碘量法。

圖2 隧洞突泥突水流超前預注漿處置示意

電極電位法具有較寬的測量范圍，它可測定10-6～101mo1/L之間的硫化物。根據測定出的硫化物的成分和含量采取不同的處理措施。

(1)對于硫化氫含量超標的隧洞，由于H2S氣體易溶于水，易與水一起溢出，因此對隧洞內H2S氣體的綜合處理主要采取超前預報、結構封閉、施工安全控制、嚴用施工設備、制定應急預案等措施。

(2)其他硫化物超標的隧洞，主要是洞渣中硫、鐵合金元素含量較高的地段，硫化鐵礦物在自燃過程中，會產生大量的有害氣體二氧化硫，并釋放熱量，進一步促進氧化易形成硫酸鹽，強酸在自然環境中易與陽離子結合，形成硫酸根離子。此類硫化物在開挖過程中對工程影響不是很大，主要是棄渣對環境的影響較大。導致硫鐵礦等自燃氧化的主要因素是氧氣、溫度和濕度，有效的隔離與氧氣的結合和降低溫度、濕度是控制自燃氧化的主要措施。根據目前國內治理硫化礦自燃的主要方法，并結合以前治理類似問題的相關實例，通過注漿、換填、覆蓋、隔水等方式能夠徹底治理渣場自燃氧化問題。

3 結論

對王家壩隧洞在設計與施工過程中不良地質的類型、成因分析的基礎之上，對隧洞區域主要的不良地質即斷層、巖溶，以及施工過程中的突水突泥以及地下硫化物的處理措施進行了詳細的闡述，使得在施工過程中能夠做到防患于未然。同時，在遭遇不良地質時，應當針對具體問題作制有定針對性的處理措施，以確保處理方式的有效性以及施工過程的安全，減少施工過程中不良地質現象帶來的損傷，確保隧洞施工的順利進行。

[1] 王寶仲. 地下洞室不良地質段常用施工方法及處理措施[J]. 科技風,2009(14):142-144.

[2] 戎昆方，戎慶，劉志宇.研究巖溶的新觀點[M].北京：地質出版社，2009.

[3] 王琪. 近接溶腔對隧道圍巖穩定性影響及防治措施研究[D].長安大學,2014.

[4] 黃潤秋,王賢能,陳龍生.深埋隧道涌水過程的水力劈裂作用分析[J]. 巖石力學與工程學報,2000(5):573-576.

張麗(1982～)，女，本科，工程師，主要從事地下工程施工管理工作。

U456.3+3

A

[定稿日期]2017-05-22