喀斯特地區隧洞地質問題與處理措施研究

白文學

（云南能陽水利水電勘察設計有限公司，云南 曲靖 655000）

1 工程概況

中國煙草云南宣威大型引水濟榕工程取水水源為熱水鎮窯上海子水庫，水庫總庫容3075 萬m3。引水線由進口首部引水明渠段、中部隧洞段、出口暗涵段組成，全長10740.3m。引水線建筑物主要以隧洞為主，隧洞長7157.3m，設計總體為無壓洞，局部有壓洞。隧洞斷面2.2×2.6m，設計過水流量4.4m3/s。于隧洞K1+054m、K2+712m 及K4+894m 分別設1#、2# 及3# 三個施工支洞，長度分別為263m、319m 及498m，支洞總長1080m。

2 區域地質

2.1 地形地貌

區域地處云貴高原東部牛欄江與北盤江分水嶺地帶，海拔高程1653～2678.2m，隧洞進出口高程2023～2134m。區域北西部受宣威西澤小江深切，形成高差達300m 以上的中山峽谷地形。小江與牛欄江交匯口岔河高程1653.0m，為工程區域最低排泄基準面。引水隧洞工程處于滇東北喀斯特地區，隧洞沿線碳酸鹽巖大面積分布，地表巖溶漏斗、洼地及落水洞等巖溶發育，總體屬巖溶洼地及孤山、殘丘、溶蝕中低山地貌，巖溶地貌單元為峰林洼地。

2.2 地層巖性

引水隧洞通過地層主要為古生界石炭系（C1-3）生物骨屑灰巖、鮞狀灰巖為主夾白云巖（總厚69.6～674m）；二疊系棲霞～茅口組（P1q+m）灰巖、虎斑狀灰巖、白云質灰巖及白云巖（厚237～645m）。屬中厚層狀、厚層次塊狀～塊狀結構中硬巖體。隧洞進口K0+000～K0+340 及隧洞中后段K0+144～K4+450 為二疊系下統梁山組（P1l）石英砂巖、粉砂巖夾炭質頁巖及薄煤層（厚度5.4～124.8m）。除石英砂巖、粉砂巖為中～厚層狀較堅硬～堅硬巖體外，泥頁巖及薄煤層均為薄～中厚層狀軟質巖。其中石炭系與二疊系地層中硬巖～較堅硬巖體總長6496.3m，占洞長的90%；二疊系下統梁山組軟質巖（局部較堅硬～堅硬巖）661m，占洞長的10%。

2.3 地質構造

工程區域地處楊子準地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束宣威凹褶南西側。區域構造以近東西向為主，近南北向及北北東向次之，構造形態由褶皺及斷層組成。工程區區域斷裂構造發育，區域斷層主要為花魚洞～歸沙河斷層（F6）、紅石巖斷層（F9）、黎山斷層（F13）及磨嘎斷層（F14）。引水隧洞穿越火石坡復背斜，無較大斷裂通過，局部發育小斷層及層間擠壓破碎帶（f1～f4），地質構造以褶皺為主。上述區域斷裂構造均展布于引水隧洞線外圍，對隧洞的穩定與安全沒有直接影響或影響較小，但對工程區域地質體的結構、巖體的完整性、巖溶的發育程度及地下水的補給逕流排泄有影響。

引水隧洞線以巖溶水為主。C1-3碳酸鹽巖含水層組巖溶發育，其透水性富水性強～較強，地下徑流模量為11.97l/s·km2，區內泉水點出露較多，流量為0.2～2680l/s；P1q+m 碳酸鹽巖巖溶含水層組巖溶十分發育，富水性強，地下徑流模量為17.42l/s·km2，區內泉水點出露較多，流量為1～1020l/s。基巖裂隙水主要賦存于P1l 及局部C1強風化砂頁巖風化裂隙及下部構造裂中，區內泉水點少出露，流量較小為0.01～1.0l/s，富水性弱。C1-3與P1q+m 的接觸帶則富水性相對較強。引水隧洞線前段地下水向北西方向的窯上海子水庫排泄，最終向北西側牛欄江支流西澤河方向排泄，屬長江流域；而隧洞后段地下水則向南東方向的規沙河排泄，屬珠江流域。因此，引水隧洞線處于滇東北喀斯特地區巖溶發育的兩個不同水文地質單元，水文地質條件復雜。

3 隧洞地質環境

3.1 隧洞軸線布置

引水隧洞軸向S18°E，巖層走向S50°W，洞軸線與巖層走向呈50°～69°大角度斜交，洞軸線的布置有利于隧洞穩定。隧洞沿線巖層呈背向斜傾向北西或南東，傾角較平緩為10°～24°；于褶皺軸部或不同地層巖性接觸部位巖層變陡，尤其P1l 與其他地層接觸部位巖層多褶曲，傾角陡傾為46°～57°。隧洞進口埋深8m～34m，中后段埋深3m～114m，部分地段埋深較大為170m～260m。

3.2 隧洞圍巖類別

引水隧洞全長7157.3m，隧洞埋深8m～260m，地下水高出隧洞頂板20m～85m，部分地段地下水位于隧洞頂板附近。洞身多處于弱微風化巖體內，洞段處于強風化帶內。按《水利水電工程地質勘察規范》GB 50487-2008，地下洞室圍按其穩定性共劃分為Ⅰ～Ⅴ類。本工程根據巖體地質結構及水文地質條件等，將隧洞圍巖劃分為Ⅱ類基本穩定、Ⅲ類局部穩定性差、Ⅳ類～Ⅳ類偏差不穩定及Ⅴ類極不穩定四個圍巖類別。隧洞圍巖總體以Ⅲ類為主，長3711m，占隧洞總長的52%；Ⅳ類圍巖長1002.3m，占隧洞總長的15%；Ⅳ類及Ⅳ類偏差圍巖長1496m，占隧洞總長的18%，少部份為Ⅱ類圍巖長948m，占隧洞總長的13%。溶洞發育及地下水豐富部位，常發生較大規模的塌方、涌水涌泥等不良地質問題，圍巖不穩定性-極不穩定。

4 主要工程地質問題

隧洞圍巖主要以灰巖為主，溶洞、溶隙等巖溶發育。受區域構造影響，巖體節理裂隙發育，于斷層破碎帶、擠壓破碎帶及節理密集帶、軟硬巖體接觸帶等部位巖體較破碎。經施工階段地質編錄統計：隧洞揭露具有一定規模和大小的溶洞110 多個，溶洞直徑1.2m～26.4m 不等，泥沙全充填～局部充填或無充填。揭露具有一定規模大小寬度0.2m～5.0m 的斷層及擠壓破碎帶60 多條。這些薄弱部位洞室圍巖穩定性差，較易發生不良工程地質問題。本工程因隧洞開挖而引起的主要工程地質問題分為地下與地面兩個方面。地下工程地質問題為：大溶洞、充填泥沙溶洞、洞內破碎巖體、軟巖塑性變形巖體段的塌方；軟巖砂泥巖與中硬巖灰巖接觸帶、溶洞及構造強含水層富水帶的涌水涌泥及掉塊、片邦和冒頂等；洞外地面不良環境工程地質問題為地表泉水、庫水枯竭及地面塌陷引起的房屋開裂變形。

4.1 隧洞塌方

隧洞Ⅳ～Ⅴ類圍巖破碎巖體較易發生塌方。塌方主要與斷層、節理裂隙、層面等結構面、溶洞、巖石強度、巖體的完整性及地下水有直接或間接的關系。在斷層破碎帶、溝谷交匯、結構面發育、隧洞淺埋、地表逕流與地下水豐富的洞段易產生塌方。

本引水隧洞工程Ⅳ類偏差～Ⅴ類圍巖主要分布于進口K0+000～K6+744 隧洞各段，隧洞埋深多在30～50m，少部份埋深60～100m 左右。其中：進口K0+000～K0+340 及中后部洞身段K4+144～K4+465 圍巖主要為P1l 砂泥巖及薄煤層；其余洞段圍巖為C1-3、P1q+m 灰巖。Ⅳ類圍巖分布于K0+478～K7+157.298 隧洞各段，隧洞埋深多在30～150m不等。其次C1-3、P1q+m 各地層的分界線、接觸帶、背向斜軸部、斷層破碎帶、擠壓壓碎帶、節理密集帶、巖溶發育具泥沙、淤泥充填的大溶洞、地下水豐富、外水壓力較大、巖層較薄、節理張開夾泥、砂泥巖泥頁巖泥化等部位為Ⅳ類偏差～Ⅴ類圍巖。

4.2 隧洞涌水涌泥

引水隧洞穿越火石坡復背斜，隧洞圍巖主要以灰為主，巖溶發育，地下水豐富，洞體多為潮濕～強弱滴水和片狀～出水。隧洞共揭露直徑1.2m～26.0m 不等大小溶洞110 多個及寬度0.2m～5.0m 的斷層及擠壓破碎帶60 多條。這些泥沙溶洞堆積物一般結構松散，含水量大，土質軟弱，施工開挖較易形成涌水涌泥及塌方。于背向斜部位、較大溶洞發育部位、不同地層接觸部位尤其是P1l 砂泥巖軟質巖與P1q+m 中硬巖接觸帶以及構造裂隙發育及斷層破碎帶部位，地下水比較豐富。除強弱滴水和片狀出水外，隧洞共揭露較大股狀出水點30 多處，出水點流量5～50m3/h。隧洞開挖至這些地段時多發生涌水，在泥沙、淤泥充填的大溶洞部位、構造裂隙發育延伸較遠、地下水豐富地段往往發生涌水和涌泥，進而影響圍巖穩定性而產生塌方。如K0+096 隧洞淺埋段圍巖為P1l 砂泥巖軟質巖，地下水豐富含承壓水，隧洞發生涌水，涌水量20m3/h，砂泥巖在地下水的作用下泥化塑性變形，圍巖完全無自穩定能力而產生塌方并冒頂。K1+011 隧洞淺埋段處于向斜部位，圍巖C3灰巖，節理裂隙發育，巖體破碎，溶洞發育充填泥沙，地下水豐富，隧洞開挖過程中于此部位發生塌方冒頂。

5 工程處理措施

5.1 塌方處理

對開挖隧洞引起塌方及涌水不良工程地質的Ⅳ～Ⅴ類圍巖隧洞段，用鋼拱架和超前管棚強支護，在洞體的頂拱及邊墻采取水泥漿固結灌漿，提高圍巖的強度及整體性；采取臺階式半斷面開挖，弱爆破，短進尺，多循環，及時掛網噴錨，加強支護和排水。對于塌方及洞體變形較嚴重的洞段，及時采取了鋼筋砼襯砌永久支護。

5.2 涌水涌泥處理

隧洞發生的涌水涌泥洞段，應及時疏排地下水和固結圍巖。對于斷層帶及時封閉掌子面，進行超前固結灌漿加固圍巖，打超前排水孔降低水壓，并在隧洞頂拱用超前管棚進行超前支護處理后再開挖掘進。溶洞發育段，尤其是充填泥沙的大溶洞，在隧洞開挖過程中極易發生塌方及地表塌陷。應首先進行超前固結灌漿加固溶洞充填物，并盡量封閉巖溶通道，洞頂拱用超前大管棚進行超前支護處理，然后開挖掘進。對于溶洞堆積物規模較小及土質較軟的洞段，將隧洞底板以上溶洞堆積物全部清除，特別是發生涌水涌泥時，讓洞內淤泥爛泥先自流穩定然后逐步挖除。

5.3 地面沉陷處理

對于隧洞埋深較淺、地表巖溶洼地及地下溶洞發育、涌水量較大、疏排地下水形成較大水位降可能引起地面不良環境地質問題的隧洞段則不宜排水，而要及時封閉地下水，采取“引排灌”的工程措施封堵巖溶涌水通道。即先將涌水點用管子引至洞外后，對涌水點及周邊圍巖進行充填固結灌漿，并對涌水段及時用鋼筋混凝土永久襯砌。待充填固結灌漿及鋼筋砼永久襯砌結束后再將管口封堵。否則會因為長時間疏排地下水，降低了區域地下水位而引起地面沉陷及建筑物沉降開裂變形等問題。對類似此特殊地段宜設計為有壓洞，洞內不留排水孔，縮小回填灌漿孔距，把好灌漿質量關，及時用鋼筋混凝土永久襯砌，以趨使地下水位上升，最大限度地有效恢復隧洞區域地下水位，使隧洞天然水文地質條件及邊界不發生重大改變。

6 結束語

本文以滇東北典型的喀斯特地區中國煙草云南宣威大型引水濟榕為工程實例，通過前期工程勘察設計與后期施工地質工作及對喀斯特地區該工程復雜的水文工程地質條件、巖溶構造發育不良物理地質段所引起的隧洞塌方、涌水涌泥、軟巖變形、不同圍巖分類與開挖支護處理措施進行了深入的分析與研究；對因隧洞開挖引起區域地下水位降低所形成在水位降落漏斗影響范圍內的地面塌陷與沉陷、房屋開裂變形及地表水體枯竭之新的不良環境地質問題進行了深入分析與研究，提出了相應的處理措施與建議；對類似該引水隧洞水利水電工程在隧洞選線、開挖支護與襯砌及因開挖隧洞而引起地面不良環境工程地質問題的工程處理措施等方面具有一定的借鑒作用；對水利水電工程建設同行技術人員在從事巖溶發育喀斯特地區隧洞工程設計與施工的生產實踐與實際技術工作中具有一定的參考借鑒作用和指導意義。