輸水隧洞特殊地質洞段施工處理思路與方法

李萬金

（新疆水利水電項目管理有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程及地質概況

某引水工程輸水隧洞進口倒虹吸末端，里程為SS60+079 m，進口底板高程為1818.34 m，出口接消能電站前池，出口里程為SS74+555 m，出口底板高程為1803.86 m[1]。隧洞全長14.48 km，隧洞設計流量20 m3/s，凈斷面采用城門洞型，全洞段采用C30鋼筋混凝土襯砌，寬×高為2.2 m×2.6 m，底坡1/1000。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m，隧洞沿線地形起伏連綿，溝谷縱橫，先后通過多條沖溝，地質構造復雜，隧洞沿線出露地層較多，地層巖性從老到新分別為石英砂巖夾白云巖、泥質灰巖、灰巖、石英砂巖夾頁巖、石英砂巖、長石砂巖等隧洞沿線斷層及皺褶較發育，隧洞沿線巖溶水及基巖裂隙水均有分布，圍巖類別包括Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，各種圍巖類別統計見表1。

表1 典型隧洞圍巖類別統計表

2 隧洞常規洞段施工方法

本次隧洞施工Ⅲ類及部分Ⅳ類圍巖約占整個洞身段的70%左右，洞段地質條件較好，施工中只需進行常規支護便可以滿足圍巖圍巖穩定。施工方法如下：

（1）Ⅲ類圍巖洞段支護及襯砌施工方法

支護方式采用“網噴砼厚8 cm+砂漿錨桿+C25砼厚30 cm，部分洞段采用“網噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25鋼筋砼厚30 cm”加固圍巖，圍巖滿足穩定要求。

（2）Ⅳ類圍巖洞段支護及襯砌施工方法

Ⅳ類圍巖洞段支護方式采用“網噴砼厚10 cm+砂漿錨桿+C25鋼筋砼厚40 cm，部分洞段采用“網噴砼厚12.6 cm+砂漿錨桿+Ⅰ12.6鋼支撐+C25鋼筋砼厚30 cm”加固圍巖，圍巖滿足穩定要求。

3 特殊地質洞段施工

典型隧洞地質條件復雜，其不良地質情況包含巖溶洞段、高應力洞段、高承壓水洞段等[2]。施工中存在的問題：1）開挖后洞頂巖體破碎掉塊，地下水涌入隧洞，使邊墻巖體變軟，排水后隧洞圍巖仍坍方嚴重；2）原支護掛網噴砼掛網困難，噴砼隨巖體掉下；3）工12.6鋼支撐剛度小，其強度不能維持圍巖穩定，使斷面變形嚴重，噴10 cm砼不能與襯砌緊密結合。本文將對各不良地質情況進行分述，提出相應的處理措施。

3.1 特殊地質洞段加固措施

隧洞進出口Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段改進支護措施有2種。第一種在Ⅳ類圍巖穩定性差的洞段、Ⅴ類圍巖洞段改進為“注漿小導管超前支護+工14鋼拱架噴14 cm砼+系統錨桿+C30鋼筋砼40 cm”；第二種在進口段、出口Ⅴ類圍巖洞段改進為采用工14鋼支撐結合系統錨桿支護，噴C20砼14 cm厚，襯砌厚度加大為50 cm，并結合超前高壓預灌漿進行掘進，局部掉塊嚴重地段掛鋼筋網，高外水頭洞段考慮排水后進行固結灌漿，改進后的支護措施圖見圖1。

圖1 改進后的支護措施圖

支護方式改進后，對隧洞進、出口開挖洞段，部分Ⅳ類、V類圍巖穩定性較差洞段及時支護，可以保證圍巖穩定，斷面變形也隨之變小。盡管在工程投資上因鋼支撐、鋼筋砼及固結灌漿的量的增加而增大，但是改進的支護措施不僅保證了開挖后圍巖穩定時間，確保了施工安全，縮短了工期。

3.2 巖溶區洞段施工

在地表水和地下水作用下對工程區內可溶性巖層經過化學反應和外力機械破壞作用而形成的巖層溶蝕現象稱為巖溶。工程區內碳酸鹽巖分布較廣，約占本段線路的28.68%，地表及深部巖溶發育。溶蝕洼地、溶蝕漏斗、落水洞、溶洞、暗河等各種巖溶形態都有不同程度發育。在隧洞施工中若遇有巖溶危害而不能改變隧洞軸線情況時，可以根據巖溶對隧洞影響情況，采取不同的處理措施進行處理[3]：

1）洞穴處理

①封閉處理：對較小溶洞或者已枯干的溶洞，施工中主要采用C20W6混凝土回填封閉處理，對空隙較大的部位采用漿砌石充填。

②跨越或繞洞處理：當溶洞規模較大，溶洞內封閉或填充處理困難或需要的填充物多，工程量和投資增加很大，可根據具體條件采用隧洞內增設支墩、承托縱梁、拱橋等梁跨跨越巖溶地段，或者經過地質勘察和設計論證后進行擾洞處理，前提要保證安全經濟。

③其它輔助措施：對隧洞周邊巖體進行封閉、注漿加固、支頂加固，在清除松動巖石困難的情況下，為防止洞穴壁或頂板坍塌，可采用錨桿或大鋼管、鋼軌加固巖體。

2）巖溶水的處理

施工中隧洞兩側設有排水溝、集水井等措施進行排水，并配備充足的抽水設備，但當隧洞巖溶水較大而排水裝置無法滿足時，應在隧洞來水一側設置泄水洞來排除巖溶水，降低地下水位，保持隧洞在施工中干燥。除泄水洞外，還可以采用暗溝、埋管、涵洞、滲溝、或增加集水井和抽水泵來排除地下水。

對通過居民區洞段的巖溶水處理原則應以堵為主，可采取超前固結灌漿、回填混凝土和回填灌漿等處理措施，防止地下水位下降，影響居民生活用水。

3）巖溶洞穴堆積物的處理

巖溶洞穴堆積物較其他巖體松軟、強度低、下沉量大和穩定性差。施工中隧洞必須穿越洞穴堆積物地段時，對少量巖溶堆積采取換填的處理方式；當堆積物范圍大、堆積較厚且處理過程和后期可能引發更多安全問題時，采用加設木樁基礎、旋噴樁、高壓注漿等方式進行地基處理，隧洞邊墻和頂拱采用拉桿、掛鋼筋網等措施，并采用鋼支撐，鋼筒等加固巖體的處理措施。

4）巖溶地面塌陷的處理

隧洞通過巖溶地段時因地下水狀態的改變和隧洞開挖時應力重分布造成圍巖失穩而導致地面塌陷，一般情況存在突發性，危害較大。發生地面塌陷后，采用空腔充填、管棚支撐和地表注漿等處理措施。

3.3 高地應力區洞段施工

隧洞洞身最大埋深達480 m，地應力較高，易出現巖爆現象，巖爆易造成人員、設備事故。為了防止洞身圍巖破壞及巖爆向廣度和深度方向發展，在工程中可采取以下措施[4]：

（1）在施工前，應進行詳細的地質勘查，掌握巖爆的范圍。

（2）施工過程中，通過必要的現場測試及應力分析，預測巖爆的發展方向。

（3）改變開挖斷面，由城門洞型改為馬蹄形或圓形開挖斷面，并合理安排開挖順序，以達到控制巖爆的目的。

（4）對于局部地應力特別大，巖爆現象比較明顯的洞段，可采取改變洞段走向的方法來減小巖爆的危害，隧洞襯砌結構的施工在圍巖基本穩定后方可進行。

3.4 斷層破碎帶洞段施工

對于地質勘察(預測)出的斷層或破碎帶，在施工過程中極有可能會發生塌方，因此在開挖前，應進行詳細的施工組織設計，制定合理的施工程序和方法。工程中常見的處理措施主要有以下幾種[5]：

（1）在開挖接近斷層破碎帶位置時，應嚴格控制開挖進尺及爆破參數，可采取在掌子面打超前錨桿或超前管棚的方法加固圍巖，開挖完成后及時進行噴錨支護。

（2）若斷層帶圍巖較破碎，自穩能力極差，開挖成洞困難，掌子面無法進行超前錨桿施工時，可采取超前固結灌漿加固圍巖，或在掌子面噴一層混凝土進行穩固，然后再進行超前錨桿或超前管棚的施工，噴錨施工難以滿足要求時，亦可采用鋼支撐進行支護。

（3）初期支護結束后，應對斷層帶進行變形監測，必要時采取二次加固處理，若條件允許，可在初期支護趨于穩定時，將該段的鋼筋混凝土襯砌先行施工，避免因圍巖失穩出現大的塌方。

3.5 承壓涌水洞段施工

隧洞洞身位于地下水位線以下，地下水位線最大高出洞頂320 m，隧洞開挖至節理密集帶或斷層破碎帶時，極有可能會出現涌水、涌泥等現象。工程中常見的處理措施主要有以下幾種[6～7]：

（1）借鑒以往工程經驗，對于伴有地下水活動特別是有高壓水的洞段，應以引排為主，即做好洞身的排水孔、洞內排水溝等相關排水工作。

（2）通過圍巖局部固結灌漿的方法來封閉涌水通道、提高圍巖的防滲能力也是很好的方法，一方面解決了涌水問題，另一方面也穩固了圍巖，此種方法可與斷層破碎帶的處理結合進行。

（3）若施工過程已查明涌水來源，并且涌水量不大的洞段，也可采用截斷水源或涌水通道的方法來控制洞身涌水。

（4）也可結合實際，借鑒其他工程的成功案例，如引灤入津工程采用一種自漲式開口錨桿，此種錨桿由鐵皮卷成中空，打入圍巖后，既可以起到排水的作用，又可以緊貼圍巖，起到局部加固的作用。

4 結論及建議

該輸水隧洞與2018年11月施工完畢，特殊地質洞段的處理措施在實際施工中經過驗證是可行的，現得到以下結論及建議：

（1）該輸水隧洞施工中巖溶段施工、斷層破碎帶、下水涌水、涌泥等不良地質問題的處理會花費較長的時間，也會投入較多的人力、財力和物力，因此在施工前應花費更多的時間進行地質勘察。

（2）長輸水隧洞在地質勘查期間，由于隧洞埋深較大，不能完全準確的確定工程地質條件，因此在設計施工中與原設計施工措施存在一定的差異。

（3）盡管輸水隧洞已施工完成，針對施工中出現的問題總結出各種工程措施，可供其他隧洞施工參考借鑒。