某輸水隧洞工程地質(zhì)問題評價及對策

涂建翔

(余干縣水利局，江西 余干 335100)

1 工程概況

某水庫建設(shè)工程-主體、水保、環(huán)評部分施工包含引水隧洞一條，建筑級別為三級，該條隧洞一洞三用，集發(fā)電、導(dǎo)流、放空功能為一體，進口采用龍?zhí)ь^方式，進口高程120.0m，引水主洞段長483.15m，洞徑為3.0m，底坡i=0.004，采用鋼筋混凝土襯砌。主洞后分為兩支，岔洞用來發(fā)電，發(fā)電岔洞長62.6m，其后接露天式壓力鋼管，壓力鋼管主管長27.3m，其后分為三個岔管“卜”型進入廠房機組，支洞則用來導(dǎo)流放空，支洞段長99.44m，其后接埋地式壓力鋼管，總長13m，出口采用錐形閥消能。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 基本地質(zhì)條件

輸水隧洞布置于順流右岸，沿線植被覆蓋較好，山高林密，人口密度小，耕 地不多，坍塌、滑坡等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)育，侵蝕作用微弱。地表分布白堊 系上統(tǒng)江底河組下雜色泥巖段(K2j1)和馬頭山組(K2m)地層，巖性以砂泥巖為主， 巖層傾向87-90°、 傾角35-38°，巖層走向與洞軸線斜交，夾角78-81°，接近垂直，洞身圍巖為強-弱風(fēng)化狀態(tài)，粉砂質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r屬軟弱工程地質(zhì)巖組、 長石石英砂巖屬堅硬工程地質(zhì)巖組，進出口圍巖多為Ⅴ類，洞身段多為Ⅲ-Ⅳ類。 沿線未發(fā)育大的斷裂構(gòu)造和緩傾角結(jié)構(gòu)面、軟弱夾層 ，地層分布連續(xù)、巖性單 一、產(chǎn)狀變化不大，隧洞進出口邊坡、基礎(chǔ)總體穩(wěn)定。隧洞最大埋深300m左右， 洞身多處在地下水位線以下，地下水對隧洞施工影響較大，施工中應(yīng)充分考慮洞 身排水問題。

2.2 輸水隧洞工程地質(zhì)問題評價

2.2.1 地表水對輸水隧洞的影響

根據(jù)收集資料及踏勘，沿線穿越箐溝較多，多為間歇性流水箐溝，地表無壩 塘、水庫等地表水體存在，地表水對輸水隧洞的施工影響較小，可不考慮。

2.2.2 地下水對輸水隧洞的影響

經(jīng)對輸水隧洞沿線走訪踏勘，隧洞穿越箐溝多為間歇性流水箐溝，沿線地表 無泉點出露，但隧洞最大埋深達300m，洞身長，地下水對隧洞施工的影響較大。 輸水隧洞施工涌水量計算，采用大氣降水入滲估算法、裘布依理論公式及正常涌水量經(jīng)驗公式三種方法計算[1]。

1)大氣降水入滲法

Q=a×F×P/365

(1)

式中：Q為隧洞涌水量，m3/d；a為大氣降水入滲系數(shù)，取10%；F為隧洞影響帶匯水面積，按隧洞兩側(cè)各400m計；P為大氣降水量，當(dāng)?shù)啬昶骄邓?上限，根據(jù)水文資料，計算得P=1328mm。

2)正常涌水量經(jīng)驗公式法

Q=LkH(0.676-0.06k)

(2)

式中：Q為隧洞涌水量， m3/s；L為隧洞長，3262.4m；k為含水體的滲透 系數(shù)，m/d，按鉆孔壓水呂榮值平均5Lu換算得0.0432m/d；H為洞底以上潛水(含水體)的厚度，按分段地下水位線以下至隧洞底板厚度，m。

3)最大涌水量經(jīng)驗公式法

Q=L(0.0255+1.9224kH)

(3)

式中：字母含義與公式2相同。

現(xiàn)根據(jù)上述3種公式計算輸水隧洞施工涌水量見表1。

表1 輸水隧洞涌水量估算

根據(jù)以上3種公式對輸水隧洞分段的涌水量估算，施工過程中應(yīng)充分考慮隧 洞的排水問題。

2.2.3 洞身圍巖突發(fā)涌水、突泥的問題

根據(jù)4個勘察鉆孔資料分析，輸水隧洞進出口部分洞身段圍巖為強風(fēng)化外， 大部分洞身段圍巖均為弱風(fēng)化，圍巖相對完整、節(jié)理裂隙不發(fā)育。4個鉆孔地下 水位埋深12.30-67.0m之間，洞身均在地下水位線以下及地下水位線附近，4個鉆孔在洞身圍巖上下共壓水8段，呂榮值在2.33-12.65Lu之間，平均5.84Lu， 圍巖多為弱透水層和相對隔水層，局部為中等透水層，洞身圍巖透水性弱，在施 工過程中突發(fā)涌水、突泥的可能性不大，應(yīng)做好預(yù)防工作，確保隧洞施工安全。 輸水隧洞鉆孔勘探成果見表 2。

表2 輸水隧洞鉆孔勘探成果

2.2.4 輸水隧洞產(chǎn)生巖爆的可能性

巖爆是高地應(yīng)力條件下完整脆性硬質(zhì)圍巖失穩(wěn)的一種表現(xiàn)型式，根據(jù)發(fā)生 巖爆的條件分析如下：①根據(jù)工程區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造性質(zhì)、分布規(guī)律及地震發(fā)生的歷史和國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》綜合分析：工程區(qū)新構(gòu)造運動跡象不明顯、晚近時期構(gòu)造活動不強烈、地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.10g，地震動反映譜特征0.45s，所以工程區(qū)不屬于以構(gòu)造應(yīng)力為主的強烈上升地區(qū)。②輸水隧洞位于屬中高山侵蝕構(gòu)造地形地貌，隧洞洞身全長3200m，洞身埋深5-300m，最大埋深300m，自重應(yīng)力較小，不屬于自重應(yīng)力為主地區(qū)，不屬高山峽谷區(qū)、不屬邊坡應(yīng)力集中的傍山隧洞。③輸水隧洞洞身圍巖為砂泥巖互層，屬軟弱-堅硬工程地質(zhì)巖組，根據(jù)鉆孔資料分析，RQD值在0-89%之間，巖體完整性為較破碎-較完整，巖體質(zhì)量為非常不好-非常好，故產(chǎn)生巖爆的可能性較小。④4個鉆孔地下水位埋深12.30-67.0m之間，洞身圍巖均在地下水位線附近及以下。根據(jù)對輸水隧洞分段的涌水量估算，洞身施工受地下水影響較大。

綜合上述分析[2]，輸水隧洞施工洞身圍巖不會產(chǎn)生巖爆。

2.2.5 輸水隧洞洞身圍巖穩(wěn)定問題

輸水隧洞進口地形坡度35-40°，出口地形坡度25-30，洞身埋深5-300m， 圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r、長石石英砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，強-弱風(fēng)化。進出口 洞身段圍巖類別為Ⅴ類，洞身圍巖類別Ⅲ-Ⅳ類。總體上隧洞成洞條件較好。存 在的主要問題是地下水對洞身施工的影響以及進出口段洞身圍巖坍塌、掉頂?shù)姆€(wěn) 定問題，施工中應(yīng)做好排水工作，及時做好臨時支護和加強施工安全管理工作。

2.2.6 隧洞高地溫問題

工程區(qū)不屬于以構(gòu)造應(yīng)力為主的強烈上升地區(qū)，隧洞洞身全長3200m，洞身 埋深5-300m，自重應(yīng)力較小，不屬于自重應(yīng)力為主地區(qū)。隧洞埋深小于1000m 時，地溫起伏變化不大，而且洞身多在地下水位線以下，工程區(qū)隧洞沿線無溫泉出露，所以輸水隧洞施工不會產(chǎn)生高地溫問題。

2.2.7 有毒、有害氣體的影響

輸水隧洞洞身埋深5-300m，洞身圍巖為為粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r、長石石英 砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，強-弱風(fēng)化，隧洞不穿過含煤層，在施工中除爆破產(chǎn)生的炮 煙、氧氣不足外，不會產(chǎn)生瓦斯、天然氣、硫化氫、甲烷等有毒、有害氣體和可 燃氣體。施工中爆破產(chǎn)生的炮煙主要成份是一氧化碳和氮氧化物，需要通過一定 的通風(fēng)和時間，才能將有毒氣體排除或稀釋到安全濃度。

2.2.8 礦山、礦洞對輸水工程的影響

輸水隧洞沿線無礦山、礦洞，故礦山、礦洞不會對輸水隧洞施工產(chǎn)生影響。

3 施工處理建議

進口和出口段開挖進洞后應(yīng)及時進行混凝土鎖口，并采用鋼支撐支護掘進， 必要時采用超前錨桿掘進，洞身掘進至巖體相對完整時修整斷面及時進行初期支 護，掘進過程中根據(jù)巖石級別、巖體完整程度控制爆破用藥量。進、出口段宜采 用淺孔小藥量控制開挖洞斷面，洞身段宜采用秒管(雷管)控制、掌子面中心掏槽、 洞斷面邊緣光面爆破技術(shù)掘進，局部裂隙發(fā)育掉塊地段采用噴混凝土護壁后在進行掘 進。加強隧洞施工安全管理，做到短進尺、弱爆破、多循環(huán)、快支護、勤排水的 工程措施，保證隧洞施工安全。

3.1 支護襯砌

由于隧洞洞身較長，而且沒有地形條件布置支洞，為便于施工、節(jié)省工期考 慮，施工時隧洞開挖后及時進行初期支護，二期支護在洞身全部打通后進行[3]。

1)Ⅴ類圍巖段(0+000.00-0+200.00、3+000.00-3+200.00)

初期支護采用鋼支撐噴混凝土支護，鋼支撐采用16號工字鋼制作，每0.5m架設(shè) 一榀，鋼支撐之間采用Φ25mm鋼筋連接，連接鋼筋間距200mm，鋼支撐架設(shè)后采用C20混凝土噴護，噴護厚16cm。底板澆筑 20cm厚C20混凝土。

2)Ⅳ類圍巖段 (0+200.00-0+800.00、2+910.00-3+000.00)

初期支護采用鋼支撐噴混凝土支護，鋼支撐采用16號工字鋼制作，每1m架設(shè)一榀，鋼支撐之間采用Φ20mm鋼筋連接，頂拱連接鋼筋間距200mm，邊墻連接鋼筋間距300mm，鋼支撐架設(shè)后采用C20混凝土噴護，噴護厚16cm，底板澆筑 20cm厚C20混凝土；其余Ⅳ類圍巖段(0+800.00-2+200.00、2+700.00-2+910.00)初期支護采用鋼筋掛網(wǎng)噴錨支護，錨桿采用Φ20mm鋼筋制作，根長2m，間排距1m，為全長黏結(jié)型錨桿，鋼筋網(wǎng)采用φ8mm 鋼筋制作，間排距0.25m，噴混凝土厚10cm。底板澆筑20cm厚C20混凝土。

3)Ⅲ類圍巖段(2+200.00-2+700.00)

初期支護采用錨噴支護，錨桿采用Φ18mm鋼筋制作，根長2m，間排距 1.5m，為全長黏結(jié)型錨桿，C20噴混凝土厚10cm。底板澆筑20cm厚C20混凝土。

二期支護采用C25鋼筋混凝土襯砌，其中0+000.00-0+800.00和 2+910.00-3+200.00段襯砌厚度0.40m，0+800.00-2+910.00段襯砌厚度0.30m。輸水隧洞襯砌斷面設(shè)計圖見圖1。

圖2 輸水隧洞襯砌斷面設(shè)計圖

3.2 施工灌漿

隧洞在開挖過程中回填灌漿：頂拱120°范圍，排距2-3m，1-2孔/排，梅 花型布置。灌漿壓力初步確定0.3MPa，對襯砌隧洞進行全線回填灌漿，目的是 為填充隧洞超挖，圍巖裂隙以及襯砌與周圍巖體之間存在的空隙，使二者結(jié)合緊 密，以改善圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)的傳力條件，并且可以減少圍巖滲漏。

3.3 施工通風(fēng)

隧洞通風(fēng)方式采用壓入式通風(fēng)，每個錯車道洞頂設(shè)一軸流風(fēng)機滿足通風(fēng)要求，本工程通風(fēng)方案為：本次隧洞群施工通風(fēng)采用壓入式，風(fēng)管采用優(yōu)質(zhì)軟質(zhì)風(fēng)管，新鮮風(fēng)流通過軸流風(fēng)機向掌子面送風(fēng)，有毒(害)氣體、污染空氣沿主洞口排出，通風(fēng)方案示意圖見圖2。

圖3 隧洞通風(fēng)方案示意圖

3.4 施工排水處理對策

本次隧洞開挖采用進出口雙向開挖，施工排水采用集水坑與水泵、排水溝、排水管相結(jié)合的排水方式，集水坑位于開挖襯砌斷面以 外，具體位置根據(jù)實際情況確定，集水坑頂設(shè)安全防護蓋。具體處理措施如下：

從出口往進口方向開挖，屬于順坡排水，在確保不出現(xiàn)大的地下水涌水、滲 水時，隧洞底板兩側(cè)設(shè)置排水溝，將水引至洞外，距離出口太長時，可先將水引至洞內(nèi)集水坑，再通過水泵抽至洞外集中處理；從隧洞進口向出口方向開挖時，屬于逆坡排水，需要通過抽排水設(shè)施(水泵)進行排水，水泵功率必須滿足排水要求，先通過水泵抽至集水坑再通過水泵抽至洞口，水量較大時，可采用鉆匯水孔匯集地下水，還需要通過超前鉆孔預(yù)報，或采用灌漿阻水，充填掘進面前方周邊圍巖地下出水裂隙，形成止水圈(或加固圈)，以避免因開挖引起洞周地下水大量 泄放，增加后期處理難度和惡化施工條件。

4 結(jié)論及建議

總體來說，輸水隧洞沿線工程地質(zhì)條件不復(fù)雜，但輸水隧洞無支洞，進出口 雙向開挖單程線路1.6km，開挖線路較長，存在的問題是進出口段洞身圍巖坍塌、 掉頂、洞身段圍巖的穩(wěn)定、地下水對隧洞施工的影響等問題，施工中應(yīng)做好臨時 支護和和排水、通風(fēng)等安全措施，加強施工安全管理工作。