引水隧洞施工中的不良地質段處理要點分析

黃振興

(福建省建江水利水電設計咨詢有限公司，福建 福州 350001)

引水隧洞是地區水利工程核心性構造之一，具有較強的便民現實性。然而，正是因其價值作用的獨特性，對施工單位工程作業展現出的施工效果要求、標準較為嚴苛。在隧洞工程正式施工中，因隧洞作業較易受到大量內、外環境中的消極因素干擾，若隨工程進度推進遭遇特殊不良地質段加之未得到施工單位采取恰當應對手段對其開展及時、準確處理，將會在無形中埋下隧洞工程塌方等問題的隱患風險，對項目施工進程、作業效率、人員安全帶來反面影響[1]。所以，施工單位需根據隧洞工程、不良地段等各項實況，將作業區及其附近水文地質現況調查、剖析作為落腳點。精確性評估、判斷不良地質段時下實情形態，科學、針對性的設計規劃應對措施，保證工程質量[2]。

1 研究區概況

福清東張水庫高干渠福清西站段遷移改線工程總長約2.5 km，其中隧洞洞線2.0 km，管渠線0.5 km，設計流量為20 m3/s，工程等別為Ⅲ等，建筑物等級為3級。施工方案線路總體上由北西至南東向。具體分為進口段、上段隧洞段、沃底倒虹吸段、下段隧洞段、出口明渠段共計五段。

本方案隧洞進口位于沃底渡槽前約600 m，高干樁號1+445處(渠道底高程為36.392 m)處，進口段長55 m，上段隧洞長810 m，出洞后銜接沃底倒虹吸管，跨倒虹吸段后接于長1 176 m的下段隧洞，出洞后接明渠長351 m，接入東張高干渠兩孔一墩橋附近高干樁號約5+420處(渠道底高程為31.70 m)。該方案線路總長為2 531 m(圖1)。

圖1 塌方最嚴重的處(樁號0+820處)橫剖面示意圖

2 工程水文地質

地下水類型主要是基巖裂隙水。地下水位埋深約5.0～7.0 m。主要賦存于全風化～強風化巖體中。透水、富水性一般，水量較一般。由于全、強風化巖層中的孔隙、裂隙水由于風化差異、裂隙發育程度不均勻，泥質及鐵錳質充填物的不同，含水層厚度變化大，其透水性、富水性也很不均勻；地下水主要接受大氣降水垂直補給以及山體側向地下水補給，向山腳低洼處以徑流方式排泄至山腳小溪內。沿線地表水較不發育，僅在大雨期順溝下泄至小溪中。

3 不良地質段推測

本方案隧洞洞線總體上由北西至南東向。上段隧洞進口位于沃底渡槽前,隧洞長810 m，隧洞進口至隧洞出口高程為36.392～35.925 m，出洞后銜接沃底倒虹吸管，跨倒虹吸段后接于長1 176 m的下段隧洞，下段隧洞進口至隧洞出口高程為35.307～34.648 m，出洞后采用長339 m的渠道接入高干樁號約5+420處。開挖洞徑4.8 m。

隧洞沿線低山丘陵重疊、連綿起伏的山脈之中。山體較為雄厚完整。全線洞頂山體厚度多為80～120 m，隧洞側向山體厚度多為70～150 m，通過地質測繪及洞口鉆探成果可知，隧洞線路區山體覆蓋坡殘積土層和全風化層總體上較薄，一般在5.0～12.0 m以內。因此隧洞上覆巖體總體較厚。山體高程向出口方向漸降低。

隧洞圍巖巖性主要是侏羅系上統南園組(J3-K1n2)流紋質晶屑凝灰巖。巖體均為火成巖、塊狀巖體，巖性條件好。由于隧洞埋深大，硐室圍巖一般為弱風化下部～微風化巖體。圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主。隧洞進出口段以強風化巖為主。

隧洞線路區主要構造形跡為斷裂，本次主要影響隧洞的斷層為上段隧洞出口附近的斷層f1，產狀N21°E∠81°，巖石碎裂。

隧洞段地下水位埋深一般在地表以下5.0～7.0 m。由于洞室位于地下水位以下，且地下水主要賦存在斷裂帶中及節理密集帶中，預計沿斷層處地下水活動狀態以嚴重滴水至線狀流水為主、在節理密集發育處以滲水到滴水為主，其余洞段沿節理面以滴水為主。地下水活動程度以輕微～中等為主。

隧洞沿線地下水水質對水源水有重要影響。從巖性條件分析、圍巖均為中酸性火成巖。未發現可能造成地下水污染的巖石。由于隧洞還未施工，地下水水質有待施工中及時采集水樣化驗分析、有不符合飲用水水源水的地下水分布洞段需進行全襯砌、隔絕有污染的地下水。

地應力是由巖體自身重力影響而產生的自重應力和地質構造運動產生的構造應力組成，通過分析隧洞巖體巖性、區域構造應力場分布規律、山體淺層應力場等，類比福清已有隧洞的開挖施工經驗，依據《引調水線路工程地質勘察范程》(SL629-2014)表6.3.2-4，本工程隧洞巖體地應力級別為低地應力，隧洞山體厚度較為適中，在施工過程中，一般不會產生巖爆，但是局部洞室可能存在垮塌現象，宜采取施工安全及臨時支護措施。

4 不良地質段處理要點

剖析本文案例實況，可歸納出以下幾點遭遇不良地質段的處理策略：

4.1 前期調研

引水隧洞在工程準備階段中，施工單位應將前期調研工作有力落實，多角度對工區環境、周邊地質、地下水體、土層土壤等各類別因素情況逐一獲知。精確捕捉到施工作業中可能遭遇的危機隱患與作業障礙，按照施工現場各項已有資源，如機械儀器、作業人員、工藝技術等，合規制定施工路線。確保施工作業各方面均可達到工程整體、我國下發的統一性建設標準、施工合同條目等系列要求，保證引水隧道最終呈現出的路線施工效果直且短。

4.2 處理辦法

引水隧洞工程掘進至不良地質段時，施工單位應立足工區實際情況，著眼制定科學處理措施。即在工程進度初期，在前期調研未探索到工區包含不良地段基礎上，施工單位需繼續探究現場地質狀況，深度掌握工區場地不良地質段的排列分布。并將此情況設定為施工依據，就不良地段可能引發的各種情況專項設計處理計劃，保障工程、社會收獲到的效益最大化[3]。另外，工作人員在引水隧洞工程推進中，發生塌方、涌泥等突發狀況時，除及時進行正確性應急措施外，還需對圍繞圍巖組織展開科學、專業的實時觀測。建議工作人員對施工隧洞拱頂下沉區域、鄰近收斂處增設動態監測設備儀器，在相隔5 m處部位添加監測斷面，在此基礎上加設3個布控監測點，保證監測精確性。

4.3 支護施工

在不良地質段進行引水隧道施工，應注重引進支護設備以及做出科學性路線變更，優化工區作業環境構建，維護施工有序性。應依托工程需要，擇取正確性支護設備材料、安裝工藝，在確保安全的同時，考量經濟性成本支出。如該工程實例中，因隧洞存在塌方隱患，簡易、輕便型木質、竹質等材料制作而成的支部部件難以保障施工人員健康、工區作業安全。這時施工單位可選擇剛性、強度較高的鋼結構支護裝置，完成工區保護任務；而隧洞性質的施工作業因施工現場環境構造復雜、需時刻監測、考察周邊各項隱患因素，致使開挖速度緩慢、作業進程滯后。對此，施工單位可通過謹慎更改洞線挖掘方向的施工辦法，避讓情況多變的環境區域，提升工程作業安全、穩定性。減少增添掘進難度的元素條件，節省支護設備安置負荷量，降低作業成本開銷；二則，因不良地質段在短時間內施工單位無法將其各項情況悉數把控，為開挖掘進直接增添了作業困擾，且其中不乏危險性危害因素。所以，施工單位在尚未正式決定選取改線施工措施前，應控制日常掘進作業量。要求工作人員以日常執行少量工作量的模式放緩作業效率，深化安全性，在改線決策推出后，可將施工進度復原為正常狀態。而當隧洞遭遇的不良地質段具有整體軟弱、大涌水量這些特征時，工作人員可使用“超前注漿小管棚”工藝(見圖2)，對該區域內圍巖開展注漿處理，完成加固作業，深化鋼管外部圍巖組織的抗剪強度。讓導管結構與圍巖結構一同荷載壓力，預防圍巖組織出現崩塌隨即封堵隧洞地下水等問題。

圖2 超前注漿小管棚工藝

4.4 曲線施工

因引水隧道自身獨有的共通效應，前期需科學規劃施工方案，降低施工曲線部署任務出現的可能性，避免施工中發生空蝕現象、水流脫壁等不良情況。當工程無法徹底規避曲線施工，應按照工區地理位置，選用大角度形式的曲線規劃開展掘進作業，而其半徑、轉角的合理設計可通過水工專用模型反復演示、調整、確定[4-5]。

5 結語

綜上所述，各地區引水隧洞項目工程施工作業中常遇不良、復雜性的地質段，若施工單位對其選取忽視或未采取專業性妥善處理，將會導致隧洞工程發生塌方事故的幾率較高，對施工作業人員生命安全權益形成嚴重威脅，甚至重大塌方事故發生后還會對當地地區社會秩序穩定造成失衡危害。因此，在實際引水隧洞施工中，應落實對施工區地質、水文、土質等方面的前期調查及勘察工作，準確探尋到不良地質段，并按其調查結果有機結合工程要求，謹慎、妥當策劃出對不良地段具體的施工處理方案，強化隧洞項目工程安全性，消化難題困阻，保障引水隧洞施工質量。