西南復雜地質條件下超長輸水隧洞白云巖砂化施工技術

郭海坡

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，將國內水資源豐富地區的水資源，引入貧水地區，滋潤灌溉農田，以供提高國內農業產值，特別是治理沙漠等。但引水工程有太多的技術難點，砂化白云巖是一種特殊不良地質，地下水位以下的洞段極易發生坍塌、涌砂及突水涌砂突泥等不良地質問題[1-3]。

針對白云巖砂化問題，國內外學者已經進行了大量的研究。馮衛等[4]研究表明白云巖整體均勻性溶蝕特點是造成白云巖巖溶砂化的重要原因，認為其發育的主要因素涉及巖性、巖體結構、地下水及其運動特征等。羅昊等[5-6]通過計算、數值模擬和工程實踐方法，研究了隧道白云巖砂化段帷幕注漿處理技術的4 種關鍵影響因子，即注漿壓力、注漿材料、注漿厚度和注漿工藝。田文啟等[7-8]研究了白云巖砂化對地下洞室和山坡穩定性的重要影響，實地查明白云巖砂化特征是針對性采取治理措施的基礎。梁駑堂[9]研究表明貴陽地區泥質白云巖受水浸泡后強度迅速降低，地基承載力明顯下降。王朋朋等[10]以貴州省5 座隧道為研究對象，分析了泥質白云巖砂化對隧道穩定性的影響，并提出了圍巖加固方法。郭建強等[11]采用無壓浸泡、干濕循環與露天放置等試驗方法，研究了泥質白云巖物理力學特性變化規律。

本文以滇中引水工程小撲某隧洞工程為例，分析了工程地質情況，提出了白云巖砂化問題的解決措施和方法，為類似工程提供了可靠經驗。

1 工程地質情況

小撲隧洞位于云南省昆明市晉寧區和江川區，是西南地區最大的白云巖砂化隧洞，線路跨越兩市兩區四鎮十六村，隧洞全長32.1km，下穿或鄰近下穿5 個水庫、2 大暗河，穿越16 處淺埋暗挖地層，穿越砂巖、泥巖、白云巖（灰巖）、板巖4 種地層，穿越4 條富水巖組或地表水體的規模較大的斷層帶，4 處有毒有害氣體地段，15 處軟弱圍巖變形段。隧洞圍巖變化頻繁，軟強不均，白云巖劇烈砂化，成洞條件極差，易出現垮塌、冒頂。小撲隧洞大部分洞段位于地下水位以下，地下水位高出隧洞頂板一般都在20～100m，最高達235m，地下水對隧洞圍巖穩定及施工影響較大。主洞凈空斷面尺寸為4.582m×4.582m，開挖為城門洞型，襯砌為馬蹄型。

小撲隧洞2#支洞進主洞上游圍巖為白云巖劇烈砂化段，地層巖性以震旦紀燈影組（Zbdn）白云巖、砂質白云巖為主，碎裂散體結構，洞身巖體砂化劇烈~強烈，地下水位高于隧洞頂板約92.7m，主洞埋設約160m，該段涌水點多，涌水量大，平均15L/（s·10m）。巖體透水性弱~中等。斷層帶、破碎白云巖等為不良地質體，極易產生涌水、涌砂和變形，約占150%，地質縱剖面如圖1 所示，地質平面如圖2 所示。

圖1 地質縱剖面

圖2 地質平面

2 白云巖砂化段的超前探測

實施“115360”統析法，第一個“1”指1km 范圍內；地表情況及地質構造；第二個“1”指100mTSP 地質預報；“5”代表50m 紅外線探水；“3”代表30m 超前地質鉆；“6”代表6m 加深炮孔；“0”指掌子面素描。地表使用無人機航拍，對周邊泉眼、池塘等水位進行監測，洞內施作綜合超前地質預報，物探、紅外探水、超前水平探孔、加深炮孔、掌子面素描等綜合分析，提前探明地質情況，指導現場施工。根據TRT 超前地質預報成果分析報告，得出上游面YX6+775.2—YX6+745.2 段，地震反射為以負反射為主的團狀反射，為強烈砂化白云巖，巖體破碎，存在坍塌變形風險，洞壁滲水，存在股狀出水，存在涌水風險，隧洞圍巖極不穩定，建議圍巖類型為Ⅴ類；項目在得到地質預報結果后，于2020 年10 月12日在掌子面里程YX06+763.2 位置，按照設計意見，采用超前地質鉆機布設30m 長3 個探測孔。當探孔鉆至17.3m 時，發現該處為富水白云巖劇烈砂化斷層帶，立即報告監理、設計、業主單位，制定解決方案。

2.1 白云巖劇烈砂化段溜塌情況

2020 年10 月21 日，在YX06+747—YX06+745.8（上游進主洞30m 位置）段噴漿支護時發生了涌水涌砂，掌子面左側起拱線至正拱頂被涌水沖刷，伴有細砂狀巖體涌出。涌水涌砂造成左側起拱線下方至拱頂環向長4.5m，高9m，沿隧洞軸線方向8～10m 的溜塌，該處隧洞埋深約160m。施工現場立即按照既定方案將掌子面反壓封堵，防止上游掌子面涌水涌砂造成的溜塌面積隨時間持續變大，確保施工安全。

2.2 溜塌空洞段原因分析

溜塌空腔位置圍巖構造為震旦紀燈影組（Zbdn）厚層白云巖，軟弱巖，強烈砂化~劇烈砂化；裂隙發育，地下水活動強烈，出水量約為15L/（s·10m）。巖體破碎富水，加上開挖擾動，造成隧洞掌子面YX06+747—YX06+745.8 拱部左側突水涌砂。

2.3 注漿加固施工重難點分析

2.3.1 成孔難度大

本次加固范圍為白云沙化巖層、砂質白云巖，碎裂散體結構，含水破碎帶，在鉆孔過程中塌孔、抱鉆現象嚴重，地層成孔難度大。

2.3.2 地層可注性差

本段加固地層砂化嚴重，地層密實，裂隙細小，普通高壓注漿泵（16MPa）難以注進，注漿量小，滿足不了施工需求，需要采用超高壓注漿泵（33MPa），對地層進行劈裂，進行高壓擠密，從而穩固地層，保證注漿效果。

2.3.3 鉆孔過程中遇到間歇性流沙、石

由于地層洞身巖體砂化劇烈，含水破碎帶、破碎白云巖等為特殊不良地質體，極易產生涌水、涌沙及變形。

3 白云巖劇烈砂化段溜塌應急措施

根據隧道開挖揭示的工程地質和水文情況，對本段隧道施工的風險及重點進行分析。隧道地質復雜，水量豐富，且水力通道聯通性好，一旦開挖打開水力通道，必將產生大量涌水涌砂，造成施工無法正常推進；此段隧道含水破碎帶、可溶巖層密布，巖性有白云巖、砂質白云巖等，呈碎裂散體結構，遇水極易軟化，是水力流通的主要通道，所以開挖涌水，很容易伴隨著涌砂涌泥，掏空地層，危及隧道結構和掌子面的穩定和安全。因此，必須采取有效措施，切斷開挖區范圍內的水力通道，同時提高破碎帶和可溶巖層的穩定性，降低涌泥涌砂風險。具體措施如下。

（1）選用透水性較好的洞渣并加入片塊石及堆碼沙袋防止突泥；在緊靠掌子面的位置堆砌成一道反壓墻確保塌方體的沙土不流失，造成大面積垮塌。

（2）在堆砌的墻面采用C20 網噴混凝土封閉，噴混凝土厚20cm，φ8 鋼筋網（@200×200mm）。

（3）洞內坡面防護完成后，對洞內溜塌、回填土體進行注漿加固，采用φ42 鋼花管注漿，長4.5m，鋼花管間距1.5m×1.5m，梅花型布置，采用水泥漿液，截至目前已回填注漿53m3，拱部回填固結高度約1.5m。

（4）當掌子面發生突水涌砂溜塌后，立即對掌子面附近布設監控量測點，監控圍巖的穩定性，現場圍巖基本穩定，針對險情處理過程中，提高監測頻率，每天2次，密切關注并分析監測數據。

4 處理措施

4.1 回填施工

在監控量測結果數據穩定后，再對掌子面使用C30混凝土施工厚1.0m 的止漿墻，止漿墻自起拱線處施工至頂拱，待止漿墻施工完成后采用C30 混凝土對塌腔進行回填如圖3 所示。

圖3 止漿墻施工

4.2 固結灌漿施工

（1）止漿墻混凝土達到設計強度后，進行固結灌漿施工，潛孔鉆機鉆孔深20m，YT-28 型氣腿式鑿巖機在拱部仰角5°~10°，鉆孔深5.5m，孔距1.0m×1.0m，梅花型布置，鉆孔布置如圖4 所示。

圖4 固結灌漿孔布置圖（單位：mm）

（2）采用水泥加水玻璃雙液注漿，水泥漿液水灰比為1:0.5~1:1。水泥漿、水玻璃質量比為1:1，灌漿工作結束后，應及時采用M20 砂漿封堵注漿孔，防止漿液流失。

4.3 排水釋壓

對掌子面后20m 范圍內邊墻部位施作5m 深的排水孔，間距1.5m×1.5m，梅花型布置，將作業面出水引排至后方泄流，減少涌水掌子面破碎散裝巖體的沖刷，減少掌子面的溜塌發生。

4.4 超前大管棚施工

（1）在拱部回填注漿達到標準要求后，對突水涌砂空腔洞段開挖輪廓線擴大0.8m 范圍施作超前大管棚。

（2）超長大管棚：長度平均15m 花管，花管末端4.0m 范圍內不鉆溢流孔，鋼管大管棚采用φ108mm，壁厚6mm 的熱軋無縫鋼管，節長分別為3~6m。塌腔范圍內管棚間距按15cm 間距布置，擴大范圍管棚間距40cm間距布置，外插角3°。水泥漿水灰比1:1，水泥漿與水玻璃體積比為1:1（或1:0.5），注漿壓力大于1.5MPa。

4.5 開挖、支護施工

（1）開挖施工，經專家論證后，采用上下臺階預留核心土法開挖，臺階長度3～5m，上下臺階法開挖主要采用人工配合挖掘機、破碎錘開挖，局部完整性硬巖采用弱爆破、較軟巖采用欲裂爆破，以減少爆破對作業面的擾動。且循環進尺控制為0.6m。根據隧洞監控量測數據確定，采用臺階法施工。

（2）支護施工，拱部施作φ42 注漿小導管，小導管采用φ42mm×3.5mm 熱軋無縫鋼管加工制成，每根長4.5m，水平搭接長度為1.5m，環向間距30cm，縱向間距為3m，每環32 根，注漿采用水泥漿液注漿，水灰比1:1～1:0.5，注漿壓力為0.3MPa～0.5MPa。砂漿錨桿采用3.0m 長C25 螺紋鋼，梅花形布置，環向間距2.0m，縱向間距為0.6m；采用I20 型鋼鋼支撐，間距0.6m/榀。

5 結語

在白云巖砂化隧洞施工中極易發生坍塌、涌沙、涌水等不良地質問題，施工中應遵循“預防為主，綜合治理”的原則，嚴格做好超前地質預報“115360”統析法，提前探明地表及掌子面前方地質情況。開挖中加強小導管超前支護，必要時通過小導管進行補充注漿作業。中導及時跟進，避免暴露時間過長，引起地層失穩；如有局部掉塊滲水有必要時進行小導管補充注漿。及時進行開挖后的初值背后回填注漿，提高地層穩定性和密實度，避免蠕變地層松馳，進而誘發裂隙出水。加強施工監測，根據監測成果及時調整工法和支護參數。針對白云巖砂化工程施工，通過采用回填施工、固結灌漿施工、排水釋壓、超前大管棚施工等方法達到阻止突水突泥等地質災害發生的目的，防止施工過程事故的發生，為順利施工提供了條件。