不良地質條件下的長隧洞施工方案分析

鄒方元

(四川省長葫灌區管理局，四川 威遠，642450)

1 工程概況

“引新濟葫”工程是四川省長葫灌區“十四五”規劃的重要水源工程，從威遠河右岸支流新場河引水到葫蘆口水庫。新場河流域面積225km2，方案壩址集水面積54.9km2，年平均引水1090萬m3，充分利用長沙壩、葫蘆口水庫多年調節功能，實現“空間均衡”，有效解決灌區用水矛盾和擠占生態環境用水問題。

工程包含3部分：攔河取水工程、引水工程和庫區防護工程。引渠線路總長度6434m，其中隧洞長度6370m，城門洞結構型式，尺寸2.2m×2.84m(寬×高)，底坡1∶1600，設計引水流量6.0m3/s，為本項目控制性關鍵工程。

2 不良地質概況

一條6km多的超長隧洞占引水線路總長的99%，穿越地質條件復雜多變的威遠穹窿地質，斷層分布多，地下水豐富，有害氣體廣泛產生。

2.1 斷層分布

隧洞線路區主要構造形態為威遠背斜及其次級構造，于張家溝上游附近與威遠穹窿背斜長軸以約30°的角度斜交，張家溝以東威遠背斜形態清楚，其西受褶曲、斷層影響，背斜軸線不清楚，背斜發育較多次級褶曲及小斷裂，其中岔口巖、奔巖口、張家溝、石油廠、馬鞍山等地較為集中。與引水線路相交的斷層有7條，另外還有14條斷層距離引水線路35m～550m，極有可能影響工程施工。引水線路附近斷層分布及特征見表1。

表1 引水線路相交斷層分布及基本特征

2.2 地下水分布

引水線路所在地均為碳酸鹽巖分布區，頂部為三疊系上統須家河組碎屑巖夾煤層地層，地下水類型按其賦存條件主要分為第四系松散堆積層的孔隙水，基巖裂隙水和巖溶水三大類，巖溶水根據其化學成分又可分為重碳酸鹽類水和硫酸鹽類溫泉水兩種類型。鉆孔中各層含水層水位情況見表2。

2.3 有害氣體分布

威遠穹窿背斜的隆起，導致周圍產生了大量次級構造，據統計，背斜范圍內有200多個次級小型褶皺和斷層，有害氣體沿廣泛分布斷層與裂隙得以上升。威遠河白龍寺-水口寺、新場河石油廠-邱家店一帶均發現大量含硫化氫的有害氣體溢出地表。邱家店礦坑處溢出地表的硫化氫氣體具有極刺鼻的臭雞蛋味，同時還含有大量甲烷氣體，成人在礦坑邊站立幾分鐘便感覺到頭痛、頭暈。

表2 隧洞區鉆孔水位情況統計

引水線路位于威遠穹窿背斜核部附近，底板在穿越威遠穹窿背斜核部時距承壓水頂板最小距離僅約9m，且有F13斷層及較多豎向裂隙與隧洞連通。硫化氫、甲烷等有害氣體沿這些上升通道從硫酸鈣型的區域性承壓水中大面積溢出到引水隧洞中的可能性較大。

3 施工主要問題

3.1 圍巖穩定問題

隧洞圍巖以Ⅳ～Ⅴ類為主、占比81%，圍巖穩定性差，成洞困難，施工開挖中圍巖易產生大規模變形和失穩，施工中應及時采取支護措施和排水措施，并及時進行隧洞永久襯砌。Ⅲ類圍巖、占比19%，完整性較好，構造裂隙多閉合，巖體呈次塊狀-碎裂鑲嵌結構，圍巖局部穩定性差，可能產生變形和小規?？逅?，應及時采取相應支護措施。同時，Ⅲ類圍巖中也可能出現斷層及構造破碎帶和地下水活動強烈帶等不良地質洞段，其圍巖類別也應相應降為Ⅳ～Ⅴ類。施工中應根據實際開挖揭示的地質條件，采取相應的支護及襯砌措施。

3.2 地下水的影響問題

T2l1-2含水層為潛水含水層，無腐蝕性，位于隧洞洞身以上2m～120m。進口樁號0+181.7～0+343.0段和出口樁號6+259.7～6+581.0段含水層位于3倍洞徑范圍，因此，在隧洞進、出口段開挖時，應注意加強排水，并對開挖洞段及時封閉和襯砌。

T1j5-1層承壓含水層厚23.09m～39.36m，本身無腐蝕性，局部裂隙、斷裂等構造將其與下部區域性承壓含水層連通時具有腐蝕性。本層主要為中厚-厚層狀白云質灰巖，隧洞在引水線路樁號1+585.3～3+665.3和4+508.2～5+421.2段穿越該層，穿越長度為2993m。隧洞開挖過程中穿越該層含水層時，所遇單位長度涌水量為0.04L/s～1.05L/s，當遇到巖體裂隙密集帶或斷層破碎帶時，最大涌水量有可能達到64.21L/s～493.74L/s。開挖經過此段承壓含水層時應做好超前地質預報，監測地下水的動態、流量變化情況，及時封閉和襯砌，并做好遭遇大流量地下水的應對方案。

賦存于T1j4-1及T1j3白云巖、白云質灰巖、泥質灰巖中的硫酸鹽類溫泉水為區域性承壓水含水層，厚144.68m～162.99m，SO42-含量586mg/L～2087mg/L，具有強腐蝕性，局部溢出于T1j4-3的白云質灰巖層中，隧洞未直接穿越該區域性承壓含水層，但在穿越威遠穹窿背斜核部附近時，隧洞底板距該承壓水頂板最小距離僅約9m，且有斷裂帶及較多豎向裂隙與隧洞連通。在隧洞開挖過程中，強腐蝕性的硫酸鹽類溫泉水沿這些上升通道大面積溢出到隧洞中的可能性較大。隧洞開挖經過威遠背斜核部附近時，應監測硫酸鹽類溫泉水的動態、流量變化情況，及時封閉和襯砌。

3.3 有害氣體的影響問題

由于威遠穹窿構造的影響，威遠背斜核部聚集大量硫化氫和甲烷氣體，隧洞在穿越威遠背斜核部時硫化氫、甲烷等有害氣體沿斷裂帶、豎向裂隙等上升通道大面積溢出到引水隧洞中的可能性較大。建議施工過程中實時監測硫化氫和甲烷氣體的濃度，做好遭遇有害氣體的應對方案。

4 不良地質段施工措施

4.1 嚴格按規范開展監測

有害氣體的監測以《水工建筑物地下開挖工程施工規范》(SL 378-2007)、《水利水電工程施工作業人員安全操作規程》(SL 401-2007)、《水利水電工程施工通用安全技術規程》(SL 398-2007)、《煤礦安全規程》、《防治煤與瓦斯突出細則》、《鐵路瓦斯隧洞技術暫行規定》為主要依據進行有害氣體監測、控制。有害氣體控制標準見表3。

表3 有害氣體的允許含量

4.2 實施超前探測

利用防爆地質雷達對開挖面至前方60m范圍進行超前探測，了解其地層構造和含氣含水狀況。對探測出的裂隙發育、連通性好的含氣層或較大的氣囊，用150型地質鉆機進行超前鉆探，對有害氣體進行判斷，并通過鉆孔排放有害氣體。在每個開挖循環作業之前，加強局部鉆孔以便對開挖面前方5m范圍進行探測，判斷是否有有害氣體逸出。

4.3 加強施工通風

通風是降低有害氣體濃度、防止有害氣體積聚的最有效手段。通風可以不斷向洞內送入新鮮空氣，排出有害氣體和降低粉塵濃度，從而改善洞內施工環境，確保洞內施工安全和人體健康，提高生產效率。通風量至少應滿足洞內空氣含氧量不得少于20%，并保證洞內施工人員每人每分鐘能獲得4m3的新鮮空氣，嚴格控制粉塵允許濃度，杜絕洞內有害氣體濃度超標。從洞口至洞內1000m以內采用一臺風機一道管路壓入式通風；施工進入洞內1000m以上時，采用兩臺風機兩道管路壓入式通風，以滿足施工要求。

4.4 強化施工防護

隧洞內機械設備均采用防爆、阻燃型，在有害氣體含量高的地段施工，作業人員必須攜帶個體自救器。爆破采用煤礦許用安全炸藥以及非電毫秒起爆系統和電雷管引爆，在洞內人員全部撤離后，洞外起爆。通風后，先由救護人員帶滅火器、自救器及檢測儀進入工作面，經檢查無燃燒、無有害氣體涌出后再供電，待檢測各種有害氣體濃度降至安全標準以下后，才能開始出渣作業。

4.5 采取灌漿封閉

對有害氣體含量較高，地下水豐富的地段，為施工及營運安全，采用小導管注漿封閉周邊圍巖裂隙，防止有害氣體滲漏，超量涌水的發生。使用φ42鋼管鉆梅花孔，管長6.0m～8.0m，沿開挖周邊以5°～8°外插角鉆孔，鋼花管插入孔內，孔口用錨固劑堵塞縫隙。注漿用水泥-水玻璃雙液漿摻BR增加型防水劑，其配合比、注漿壓力現場試驗確定。

4.6 優化混凝土支護

對斷層破碎帶、軟弱夾層等地質缺陷采用超前錨桿、管棚進行預支護，在預支護的保護下采用“短進尺、弱爆破、強支護、常觀察”的施工原則進行施工。臨時支護采用氣密性噴混凝土封閉瓦斯，二次襯砌采用全封閉復合式襯砌，澆筑氣密性混凝土，氣密性混凝土滲透系數小于10×10-11cm/s，防止有害氣體逸出。

5 結語

通過長隧洞不良地質條件下施工技術方案的研究，有針對性地優化施工方案，提高隱患風險的預見性，更好的規避安全風險，確保施工安全，可以大幅提高施工工作效率，實現經濟效益和社會效益雙豐收。