淺論復雜地質條件下引水隧洞的施工技術

羅昌民

重鋼西昌礦業有限公司 四川 西昌 615041

前言

1 工程概況

某礦山尾礦庫工程截排洪系統引水主隧洞全長2375m，主隧洞采用圓拱直墻式斷面，凈斷面尺寸為底寬4.5m×高5.0m，開挖毛斷面尺寸為6.2m×高6.7m，采用型鋼拱架+錨噴聯合初期支護、現澆C25砼二次襯砌的組合式支護方式。全線巖土層在空間分布和力學性能上存在巨大差異，隧洞圍巖地質條件十分復雜突變，斷層發育，圍巖破碎，富水性強，圍巖開挖后極不穩定。

其中K0+000至K2+079段均為Ⅴ類圍巖，隧洞洞身段將穿過土質為含卵石砂質粉土、粉砂、卵石、含塊石砂質粉土、塊石及粉砂質泥巖等土層。圍巖多變，極不穩定，易出現冒頂、塌方現象。

且場地內有四條斷層通過，其中兩條呈近南北走向（F1、F2），兩條呈北東東走向（F3、F4），F1、F2斷層平面上與南溝截排洪隧洞相交，斷層上下盤均為含角礫凝灰巖，近斷層巖石相對破碎，對隧洞施工將產生不利影響。

整個隧址區內地下水發育，特別是在斷層破碎帶、凝灰巖與玄武巖接觸帶、F1、F2、F3、F4斷層帶附近地下水較豐富。初探南溝隧洞最大涌水量達到每天10000方以上，后經過2019年補充勘察，最大涌水量也要達到每天700方以上，施工極度困難[1]。

2 復雜地質條件下引水隧洞的施工技術

2.1 冒頂段隧洞施工

2018年5月，主隧洞施工到K0+147時拱部出現涌水、突泥，拱頂出現冒頂，垮空區約5m長，0.5～2m高，該段圍巖為第四系中更新沖積含卵石粉土、粉砂為主，涌水量較大。為順利通過該區域，施工采取以下措施：

（1）強支護：加密φ42×4超前注漿小導管支護，間距由250mm加密到100～150，單層改雙層，注漿由單液漿變雙液漿或兩種漿液結合。鋼拱架加強支護，間距由850mm加密到400～600mm。鋼筋網片鋼筋間距由200×200mm改為120×120mm。

（2）早封閉：掌子面一出來馬上初噴一層50～80mm厚噴射混凝土，初支完成立即噴射混凝土封閉。

解析：小磁針靜止時N極向左，則由同名磁極間相互排斥、異名磁極間相互吸引可知螺線管左側為S極，右側為N極；由安培定則可知電流由右側流入螺線管，即電源右側為正極。如圖所示：

（3）隧洞掘進“短掘短支”：在超前管棚的掩護下進行“短掘短支”，每400～600mm施工一榀，根據圍巖掘進情況隨機布置；不冒進，直至圍巖轉好。

（4）加強排水工作：在噴射混凝土前先預埋4～5根φ150mm塑料盲管外包土工布排水管引水，噴射混凝土封閉后拱部、墻部均埋2～3根DN42排水管，釋放水壓力。

（5）弱爆破：針對該類圍巖地段，采取弱爆破或不爆破施工，盡量減少爆破對掌子面的破壞。

2.2 富水段隧洞施工

主隧洞K1+760-K3+079段為富水段，隧洞埋深69～127m。根據2014年地勘報告揭露，其最大日涌水量達12000m3/24h，在涌水量如此巨大的地段施工隧道，其施工難度將非常大且施工造價也非常昂貴。為此，2019年公司通過對富水段進行了補充勘察，通過補充勘探和深入研究，該富水段枯水期正常涌水量為757.78方/d，雨季最大涌水量為1136.67方/d。但該涌水量仍可能造成隧道施工中突水、突泥和片幫、冒頂事故的發生；對此，采取以下施工措施：

（1）編制專項施工施工方案，施工前進行突水事故演練，準備好應急救援物資。

（2）先探水后掘進：采取長探和短探相結合，初次長探鉆機布設在5#支隧洞內，長探鉆孔深度60m，布設5個鉆孔，鉆孔平行于主隧洞，采用KGYX420履帶式潛孔鉆機配合φ110柱齒鉆頭鉆孔。長探探水超前掌子面不少于20m。短探在掘進掌子面布置鉆孔5個，頂、底、左幫、右幫、中心各一個，探水長度5m，超前掘進距離為2m。

（3）工作面預注漿施工：如工作面涌水量較大，長探、短探孔排水不能有效解決涌水問題時，采用工作面預注漿的方法加固圍巖、封堵涌水的施工方法。工作面預注漿采用φ108×6mm注漿鋼花管進行，管棚布置在拱部180°范圍內，間距250mm，深度24m，鋼管上開設孔徑為6mm間距為150mm的溢漿孔，注漿漿液采用水泥單液漿或水泥-水玻璃雙液漿，注漿封堵完成后方可進行掘進施工。

（4）短進尺掘進施工：由于富水段地質條件復雜，隧洞頂板及兩幫圍巖極易冒落，施工安全風險大，施工按照“淺打眼、少裝藥、小循環、放小炮”的方式進行，炮眼深度控制在1.2米左右，每循環開挖長度不超過1m。

（5）加強初期支護施工：必要時可加強初期支護進行施工，包括縮短型鋼拱架間距、加密超前支護小導管、加強鋼筋網片等。

（6）及時跟進仰拱施工，確保其與側墻和拱頂鋼構及早封閉成環；在富水段施工，仰拱滯后側墻立柱的距離要求不大于3米。

（7）堅持施工單位負責人日夜帶班，監理、業主值班人員加強巡查；業主現場代表、質量安全管理員和負責人每天檢查的方式；要求施工單位嚴格按專項方案施工，對施工中出現的任何異常現象立即制定措施處理，及時消除各種安全隱患。

2.3 粉砂質泥巖段隧洞施工

主隧洞K1+000-K1+060段圍巖為粉砂質泥巖，圍巖中塊石含量極低，弱固結，地下水以孔隙潛水為主，富水性較差，洞身開挖后呈雨滴狀從泥巖中滲出。圍巖極不穩定，不能自穩，變形破壞嚴重，易出現大面積塌方現象。該段隧洞施工采取以下措施：

（1）短開挖：該段圍巖強度低，不進行爆破即可進行開挖作業，每次開挖進尺控制在1～1.5米左右，分臺階開挖，先上臺階，后下臺階。

（2）強支撐：超前預支護采用φ108×6mm注漿大管棚支護，長24m，拱頂135°范圍內布置，間距250mm，注水泥單液漿固結圍巖后方可進行開挖作業。開挖完成后立即進行型鋼拱架（I20b工字鋼，每榀間距850mm）+錨桿+雙層φ8@200×200鋼筋網片+C20噴射混凝土初期支護進行封閉。視初期支護穩定情況可進一步加強初期支護強度。包括縮短型鋼拱架間距、加強鋼筋網片等等。

（3）勤量測：初支完成后布置變形監控量測點，加強變形監控量測，前期一周內堅持每天量測，后期一個月內每三天量測一次。隧洞收斂值及沉降變形值控制在規范允許范圍內。

（4）空腔處理：該段隧洞在超前大管棚與初期鋼拱架支護間由于圍巖自身不穩定而形成空腔，針對該問題的處理措施為在初期支護噴射混凝土達到一定強度后對空腔進行混凝土回噴充填密實。

2.4 膨脹性圍巖段隧洞施工

主隧洞K1+770-K1+780有一段約10m的圍巖以強風化碎裂巖化凝灰巖為主，地理裂隙發育，富水性較好，開挖后構造裂隙水呈雨滴狀或細流狀從裂隙中滲出，開挖后右側邊墻圍巖中夾帶部分膨脹性高嶺土，遇水膨脹，將已支護好的邊墻鋼拱擠壓變形，將對今后的二襯鋼筋混凝土產生不利影響，特對該段圍巖作如下處理：

（1）拆除：拆除已變形的初期支護的型鋼拱架、錨桿、鋼筋網片、噴身混凝土等。剔除已遇水膨脹變得松散的圍巖至較原生的圍巖。

（2）注漿固結圍巖：對該段圍巖進行注漿固結，注漿孔深入圍巖2米以上，漿液采用1∶0.5水泥單液漿，改變圍巖性質，使其不會再遇水膨脹。

（3）充填：對已剔除的圍巖空洞用C20噴射混凝土充填密實，保證初期支護壁后的墻體強度。

（4）恢復：恢復已拆除初期支護結構[2]。

3 結束語

隧洞施工必然會遇到各種復雜的地質條件，針對不同的地質狀況，采取安全有效的施工技術措施，可減少種類工程事故的發生。本尾礦庫工程引水隧洞經過兩年多的緊張施工，于2020年9月完成施工。為攀西地區類似地質條件下的隧洞施工積累了寶貴的施工經驗，具有一定的借鑒意義。