富水軟弱地層斜井圍巖穩定控制技術研究

梅爭貴　李建賀　郭勇　劉睿營　歐陽林

摘要：富水軟弱地層斜井施工易引發圍巖塌方、大變形和突涌水等地質災害，威脅施工人員和機械設備安全，并延滯總體工程進度。以滇中引水工程香爐山隧洞5號施工支洞工程建設實踐為背景，分析得出斜井的主要工程地質問題是圍巖坍塌、軟巖大變形及涌水突泥。結合圍巖變形和支護結構受力監測成果論述了圍巖的失穩破壞機制，主要分為頂拱坍塌、軟弱帶擠壓外鼓、涌水突泥3種類型?；趯鷰r破壞過程及其內蘊機理的認識，采用工程類比、現場應用效果反饋的方法，提出了針對不同失穩破壞機制的的斜井圍巖災害處置措施和穩定控制技術。相關成果可為類似地質條件下的斜井圍巖穩定性控制提供借鑒。

關 鍵 詞：斜井； 軟弱破碎圍巖； 富水地層； 圍巖穩定

中圖法分類號： TV741 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.021

0 引 言

斜井是交通、鐵路、引調水等線路工程在建設長距離隧洞（道）時，用于施工期增加工作面、運行期實現檢修和通風等目的的重要工程。對于連接線路工程控制性洞段的重要斜井，其施工進度將直接影響直線工期，因此安全快速地修建斜井對整個工程進度至關重要。然而，長距離隧洞（道）工程穿越崇山峻嶺，斜井布置條件一般較差，通常面臨著軟弱巖體、斷層破碎帶和富水地層等不良地質環境，存在圍巖大變形、坍塌和突泥涌水等潛在地質災害風險。另外，斜井因坡度不同，對施工工序和作業機械的適應性也不同，由此對施工控制技術也提出了更高的要求。

近年來，許多專家學者對軟弱破碎帶中的斜井施工圍巖穩定和支護結構安全問題進行了諸多有益的研究和探索。安永林等［1］研究了掌子面形狀和傾角對斜井隧道開挖面穩定性的影響。王有慶［2］闡述了斜井施工技術在水利水電工程中的應用及施工保障措施。袁世沖等［3］結合工程實踐與模型試驗，分析了斜井底板破裂原因、注漿治理效果及不同種類漿液的固砂堵水機制。王渭明等［4］研究了斜井施工時的圍巖力學響應機理和變形破壞規律，提出了關鍵加固措施及相關技術參數。潘彥邑等［5］針對富水破碎地層，研究了斜井與隧道主洞交叉處的施工控制技術。王有明等［6］對瀑布溝水電站斜井開挖方案進行了比較和綜合分析，采用反井鉆機施工導孔，反拉開挖導井，再正井擴挖成形的施工方案，取得了良好的通風效果。孫曉邁等［7］研究了松散破碎地質條件下山嶺隧道斜井進洞的施工技術。

本文依托滇中引水工程香爐山隧洞5號施工斜井的建設實踐［8］，從斜井開挖揭示的主要工程問題入手，對軟弱破碎富水地層中的斜井圍巖穩定控制關鍵技術開展研究，重點就斜井穿越軟弱破碎富水地層所引發的圍巖垮塌、軟巖變形和突涌水災害進行分析，提出了解決各種圍巖變形破壞的處置措施和穩定控制關鍵技術。

1 工程概況

1.1 斜井基本信息

滇中引水工程位于云南省境內，由水源工程和輸水工程組成。輸水工程線路總長664.24 km，其中隧洞58座，長611.99 km，占線路總長的92.13%。香爐山隧洞位于滇中引水工程首段，總長62.596 km，是施工總進度的控制性工程，也是全線地質條件最復雜、工程技術難度最大的深埋長隧洞。

香爐山隧洞5號施工支洞施工期作為處理香爐山隧洞麗江-劍川斷裂（F11）及其影響帶的施工通道，運行期作為永久檢修洞和通風補氣洞（見圖1）。5號施工支洞作為擴大勘察試驗性工程，可為進一步研究和解決香爐山深埋長隧洞類似關鍵地質問題提供研究和試驗空間，有助于進一步探明地質條件、積累設計和施工經驗、降低施工風險，由此形成的工作面可為下一步香爐山隧洞全面開工提供良好的條件。

受地形條件、巖溶系統及施工進度制約，香爐山隧洞5號施工支洞布置于汝南河槽谷清水江附近，支洞布置為斜井形式，最大埋深約585 m。施工支洞進口高程為2 508 m，與主洞相交高程為2 014 m，高差494 m，縱向坡度24.71°。5號施工支洞為3級建筑物，斷面型式為城門洞型，凈斷面尺寸為6.5 m×6.0 m（寬×高）。

1.2 工程地質條件

5號施工支洞工程區基巖分布有二疊系噴出巖（Pβ）玄武巖、三疊系下統青天堡組（T1q）、三疊系中統北衙組（T2b2、T2b1）、第三系侵入巖（Nβ），第四系覆蓋層主要分布于汝南河槽谷、沖溝以及緩坡地帶（見圖2）。施工支洞除洞口少量第四系覆蓋層外，穿越的主要地層巖性為第三系侵入巖-安山質玄武巖（Nβ），二疊系噴出巖（Pβ）玄武巖以及石灰窯斷裂構造巖。石灰窯斷裂帶（FⅡ-4）寬約50 m，長約12 km，與施工支洞軸線夾角約40°。

2 斜井開挖揭示的主要工程問題

2.1 開挖段揭露地質情況

5號施工支洞于2017年10月施工開挖，截至2020年8月31日開挖至樁號K0+526。已開挖段實際揭露地質條件見表1。

2.2 主要工程地質問題

通過對已開挖洞段圍巖的變形破壞現象進行調查分析，5號施工支洞主要為巖體結構控制性破壞，起控制作用的是圍巖工程地質條件，包括區域地質構造、巖體物理力學性質、巖體結構面特征、地下水作用等。主要工程地質問題可以分為以下幾類。

（1） 圍巖坍塌失穩。在已施工洞段中，多次發生坍塌失穩破壞，處理時間與坍方規模相關，且坍塌部位既可能發生在拱頂，也可能發生在邊墻（見圖3）。

（2） 軟巖大變形。軟弱破碎圍巖具有強度低、變形模量小、遇水易軟化、失水易崩解及流變效應明顯等工程特性，斜井穿越時圍巖穩定條件差，抗變形能力極差，圍巖大變形、支護結構破壞現象頻發（見圖4）。

（3） 突涌水。該施工支洞布置于汝南河左岸麗江-劍川斷層槽谷東側山體內，屬清水江-劍川巖溶水子系統（Ⅴ-1）中，總體地下水豐富。支洞中段大部分穿越石灰窯斷層，帶內巖體破碎，碎裂巖、角礫巖帶透水性相對較好，極易溝通紅麥盆地地下水和上部巖溶水產生突泥涌水災害。5號施工支洞富水洞段典型突涌水災害見圖5，圍巖受地下水浸泡軟化及滲透壓力影響，巖體自穩能力極差，發生掉塊、塌方，并導致出現鋼拱架沉降、噴混凝土剝落等破壞現象。

3 圍巖變形破壞機制分析

3.1 變形監測數據分析

該施工支洞對于Ⅴ類圍巖洞段采用上下臺階開挖，典型監測斷面監測點布置如圖6所示。通過觀測數據及現場施工情況，樁號K0+67斷面上部開挖后圍巖變形逐漸收斂，最大位移位于BC側線，達到52 mm，但在下部開挖后，AD、AE及DE位移持續增長，并且沒有收斂的趨勢，最終由于變形過大，臨時對撐工字鋼發生巨響，邊墻塌方。

3.2 結構應力監測分析

根據樁號K0+250處典型斷面鋼拱架應力監測數據，見圖7～9?？芍獞冎底畲筮_到2 476 με，出現在右側拱座，相應的應力約為495 MPa；左側拱座測點和拱頂測點微應變時程曲線變化規律基本一致，應變值最大分別為870 με和1 556 με，相應的應力約為174 MPa和311 MPa。

3.3 圍巖失穩破壞機制分析

基于5號施工支洞的圍巖條件、地下水條件、現場施工情況和監測結果，對斜井圍巖的失穩破壞機制初步分析如下。

3.3.1 斜井圍巖塌方

該施工支洞圍巖類別為Ⅳ類和Ⅴ類，其中Ⅴ類圍巖長1 015.45 m，占支洞長度的81.50%；Ⅳ類圍巖長230.45 m，占支洞長度的18.50%。因工程地質條件極差，頂拱范圍內易發生掉塊乃至垮塌現象，洞室穩定問題極為突出。

斜井圍巖塌方破壞主要發生在圍巖破碎、結構面發育洞段，巖體強度低，結構松散，開挖后無法自穩。根據軟弱破碎洞段圍巖收斂變形監測數據分析可知，洞室下部開挖后，圍巖變形急劇增大且沒有收斂趨勢，直至發生失穩破壞，并伴隨對撐鋼支撐發生巨響，這表明軟弱破碎洞段圍巖變形壓力較大，應進一步加密鋼拱架或提高鋼拱架規格。

另外，斜井巖層走向與洞軸線方向呈40°角度相交，易產生順層滑移，沿層面張裂和局部垮塌破壞。對于層面與拱座相切的部位，剪切破壞范圍很大，圍巖變形失穩的可能性也最大。此外，各種結構面的不利組合使得洞身存在大量不穩定塊體，也是圍巖變形或失穩的重要誘發因素。

3.3.2 軟弱帶擠壓外鼓

該施工支洞穿越強風化帶、石灰窯斷裂及其影響帶，圍巖相對破碎、軟弱、性狀差，局部地段地下水豐富。斜井開挖后，當二次應力超過圍巖的屈服強度時，軟弱圍巖就會沿著最大主應力梯度方向朝消除阻力的自由空間擠出，發生較大變形。從鋼拱架受力監測曲線可知，拱頂和右側邊墻部位的鋼拱架受力顯著，已達到并超過其承載能力，無法有效遏制軟巖大變形。

3.3.3 涌水突泥

該施工支洞穿越石灰窯斷裂及其影響帶長度累計773 m，占支洞全長62%，不良地質帶洞段占比大。石灰窯斷裂帶與紅麥盆地相連通，具有穩定的水源補給，見圖10。斜井與石灰窯斷裂帶呈40°相交，地下水沿著石灰窯斷裂帶巖層方向的滲透系數大，透水性極強。

5號支洞平均坡度為24.71°，斜井與破碎圍巖的組合工況給工程設計、施工造成極大困難。目前隧洞掌子面低于紅麥盆地約200 m，外水壓力較大。不同于平洞施工，斜井施工在沿隧洞掘進方向形成一定水力梯度，圍巖滲流場也隨之發生改變，滲透水在掌子面聚集，加大了涌水突泥的發生概率。開挖段位于碎裂巖和碎粉巖接觸帶中，左側為角礫巖、碎裂巖，裂隙較發育，透水性較強，為富水巖層；右側為碎粉巖，隔水性較強。因此，當地下水通過透水性強的多裂隙巖層至隔水性較強的軟弱巖層接觸面時受阻，進而在接觸面集中，形成較大的承壓水（見圖11）。碎粉巖長時間在高壓水的浸泡作用下，首先在接觸帶位置泥化，隨著時間推移，沿著接觸帶產生裂隙，在動水壓力作用下裂隙進一步往下擴展聯通。隔水層的水力屏障存在被突破的可能，進而形成滲透通道，高壓水沿滲透通道突出，極有可能發生涌水突泥問題。

4 圍巖破壞處置措施和穩定控制關鍵技術

4.1 塌方處理措施

表2給出了5號支洞圍巖塌方失穩洞段的處置措施。隧洞塌方處置必須詳細調查坍方范圍、形狀、地質構造，查明坍方發生的原因和地下水活動情況，經認真分析，制定相應的處理方案。該支洞處置圍巖塌方破壞的基本思路可分為兩步。

（1） 應急處置。圍巖塌方具有突發性以及后果的嚴重性，必須采取穩妥措施避免塌方范圍進一步擴大，

對現場施工人員和機械做好安全防護措施，并根據圍巖塌方的直接誘因，采取封堵回填、排水降壓等措施。

（2） 對塌方洞段加固處理。需對塌方空腔進行回填灌漿以及對松渣進行固結灌漿，并打設臨時排水孔引水釋壓，此外，對塌方洞段應加強圍巖安全監測。

4.2 軟巖大變形處理措施

在處置作業時，前期曾嘗試采用超前注漿小導管（L=4.5 m φ42 mm @0.3 m搭接1.5 m、L=3 m φ42 mm @0.2 m搭接1.5 m）的方案。但實施效果表明，在地下水較多和圍巖穩定性差的洞段，軟巖變形的控制效果較差。后經改進優化，對于這類富水大變形洞段，采用如下處理措施：

（1） 超前注漿（雙液漿）堵水，因涌水流速較大而無法進行灌漿的情況，對注漿材料進行現場試驗，控制漿液凝固時間，提高注漿效果。

（2） 預留變形10 cm，并根據圍巖收斂變形情況，對預留變形量進行動態調整。

（3） 加強初期支護，大變形洞段采用雙層I 20a鋼拱架（間距50 cm），分臺階處增設I 20a工字鋼臨時橫撐。

（4） 加強鎖腳（鎖腳小錨管+鎖腳大錨管）提高鋼支撐抵御變形的能力，鎖腳錨管兼具固結灌漿作用，錨管均下傾角10°～20°，大錨管通過16號槽鋼與鋼支撐焊接牢固，小錨管通過“L”型Φ25鋼筋與鋼支撐連接。

4.3 涌水突泥處理措施

4.3.1 已建斜井工程突涌水處理經驗

涌水突泥災害影響因素多，治理難度大。通過搜集整理國內6個施工斜井突涌水災害案例（見表3），分析得出涌水突泥的處理一般采用“超前預測，以堵為主，引排結合”的原則，洞內堵排結合，洞外采用地表導流方式，從而控制地下水對斜井施工的影響。主要經驗有：

（1） 超前地質預報。堅持“先勘探后處理”的原則，掌子面前方應連續實施超前地質預報（特別是采用超前地質鉆孔），對掌子面前方工程地質和水文地質情況進行探測，判斷前方可能遇到的重大不良地質現象。超前地質預報應采用物探法和鉆探法相結合，主要是探明水及圍巖性狀，再結合地質分析法給出預報結果以指導設計與施工。

（2） 超前周邊預注漿。實踐表明，注漿是治理涌突水的有效技術手段。在巖溶區進行超前鉆孔，灌注水泥漿，漿液在注漿壓力的作用下填滿圍巖中的裂隙，并將裂隙中的水分、氣體排出，水泥漿液與周圍的松散巖層固結，增強周邊巖層的強度，形成了高強度和抗滲阻水能力加強的固結體，從而提高周圍巖層的抗滲性能、整體穩定性能。通過超前預注漿，在掘進工作前方30～40 m范圍內形成一個較為完整的注漿帷幕。

（3） 超前小導管預注漿?？梢孕纬晒芘锱c圍巖聯

合超前支護體系，可以提高巖體自身穩定性，抑制圍巖松弛變形。此方案優點是小導管注漿所需設備簡單，易于操作，注漿效果可靠，注漿時要控制注漿壓力，避免對初期支護造成破壞。

（4） 超前深孔預注漿。在超前小導管預注漿的基礎上，可考慮采用效果更好的超前滲控預注漿措施。一般實施的參數為：孔深10～25 m，孔間距1.0～1.5 m，每循環搭接3～5 m，漿液采用水泥凈漿或水泥-水玻璃雙液漿，灌漿壓力不小于3 MPa。

（5） 徑向注漿。在鉆孔和爆破施工過程中圍巖擾動比較大，開挖區域周圍的圍巖產生較多裂隙。全斷面的徑向注漿對于修復裂隙、提高圍巖強度、減小圍巖松動圈的厚度、降低圍巖和支護的收斂位移等非常有利。

（6） 漿液材料選擇。注漿液的選擇應該適應巖土體的特性，漿液采用純水泥漿或水泥-水玻璃漿液。首先灌注“水泥-水玻璃”漿液快速封堵出水，然后再灌注化學灌漿材料（例如CW系列）補強加固?！八?水玻璃”雙液漿黏度較低，可灌性較好，在水中可以迅速凝固，能夠達到快速封堵出水的目的。

（7） 引排結合。在非注漿堵水地段，將拱、墻分散狀的淋水或溶洞水集中成一股或幾股，然后引入排水管排出。

（8） 掌子面預留巖盤安全厚度。在實際施工中，當預測到掌子面前方存在大型賦水構造時，首先根據圍巖等級、水壓力等因素，取3～10 m厚巖盤，再確定超前帷幕注漿參數，既可以防止掌子面突涌水，保證隧洞施工安全，又可以減小注漿工作量。

（9） 加強監測。工程災害往往具有一個過程，因此應加強巖溶發育段的監測工作，建立地表洞內長期監測體系。主要包括地表影響范圍建筑物監測和沉降監測、洞內結構安全性監測等。定期組織對監測數據進行分析和評估，發現異常及時研判

4.3.2 涌水突泥處理措施

根據工程案例分析，以及現場實際條件，采用以下措施處理涌泥突水問題。

（1） 應急處置。在鋼支撐錯臺洞段回填混凝土反壓，避免險情擴大；頂拱空腔洞段增加腹拱鋼支撐，減少頂拱空腔掉塊形成的風險；對空腔進行回填，并在空腔附近洞段增加徑向固結灌漿措施，避免涌水后延；施工系統排水孔及空腔引水孔，降低外水壓力。

（2） 加強支護。增強鋼支撐支護參數，并做好鎖腳錨管，采用槽鋼與相鄰兩榀鋼支撐焊接牢固，增加腹拱鋼支撐。

（3） 注漿加固。二次開挖時采用深孔固結灌漿+淺孔固結灌漿+后期補強的方式進行超前加固，減少滲水通道的形成。

（4） 效果檢查。上述措施實施后，在恢復開挖前，在掌子面施作20 m深的超前地質復勘孔。

4.3.3 涌水突泥治理經驗

上述涌水突泥處理方案取得了一定的實施效果，同時得到以下經驗。

（1） 隧洞反復遭遇涌水突泥后，將沖刷攜帶出大量的碎粉巖及其他泥狀物質，在隧洞上方形成空腔。應采取措施探明空腔的位置及范圍，為空腔的回填灌漿提供定量依據。

（2） 對于碎粉巖，可能存在注漿效果不佳的情形。當采用水泥-水玻璃雙液灌漿時，存在后期強度低和抗折性較差的問題，而純水泥漿液與泥化碎粉巖膠結不完全，形成的不穩定的膠結體。因此，應進一步研究合適的注漿材料，并確定與之匹配的注漿壓力。

（3） 突涌水形成的滲透通道將逐漸被沖刷出來的碎粉巖、碎裂巖堵塞，涌水暫時停止。但是，當位于高滲透水壓力環境時，原有的滲透通道可能會被進一步沖刷開或者在附近形成新的滲透通道，再次暴發涌水。因此，需要在進行工程措施處置后持續對相應部位進行跟蹤監測。

5 結 論

本文依托滇中引水工程香爐山隧洞5號施工斜井工程的建設實踐，對斜井穿越軟弱破碎富水地層所引發的圍巖垮塌、軟巖變形和突涌水災害現象及處置技術進行了分析，形成如下結論：

（1） 開挖實際揭露的地質條件與前期勘察結論基本一致，斜井的主要工程問題集中在圍巖坍塌失穩、軟巖大變形和涌水突泥災害等3個主要方面。

（2） 斷層帶圍巖破碎以及穩定地下水源補給，是導致斜井在進入石灰窯斷裂帶后涌突水災害頻發的主要原因。

（3） 針對塌方、軟巖大變形和涌水突泥等3種典型破壞，提出了處置措施和圍巖穩定控制技術。經工程實踐，上述措施取得了一定的成效，并總結了相關措施在實施層面應進一步注意的事項，可為類似工程遭遇同類地質災害的處置提供借鑒。

參考文獻：

［1］安永林，李佳豪，趙丹，等.斜井掌子面形狀與傾角對隧道開挖面穩定性影響［J］.鐵道科學與工程學報，2020，17（10）：2612-2617.

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［3］袁世沖，張改玲，鄭國勝，等.斜井穿越風積砂層水砂突涌注漿治理研究［J］.煤炭學報，2018，43（4）：1104-1110.

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［7］孫曉邁，劉吉昌，楊帆，等.松散破碎地質條件下山嶺隧道斜井進洞施工技術［J］.建筑技術開發，2020，47（20）：116-119.

［8］蘇利軍，帖熠，喻久康.香爐山隧洞5號施工斜井施工難題及解決措施［J］.人民長江，2020，51（8）：162-166.

（編輯：鄭 毅）

Research on stability control technology for inclined shaft surrounding rock in water-rich and weak strata

MEI Zhenggui1，LI Jianhe2，GUO Yong1，LIU Ruiying3，OUYANG Lin1

（1.Administration Bureau of Water Diversion Engineering of Central Yunnan Province，Kunming 650051，China； 2.Changjiang Survey Planning Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract： The construction of inclined shafts in water-rich and weak strata is easy to cause geological disasters such as surrounding rock collapse，large deformation and water inrush，which will threaten the safety of construction workers and equipment and delay the overall project progress.Based on the construction practice of No.5 inclined shaft of Xianglushan tunnel project，a controlling project in the water diversion of central Yunnan Province，the main geological problems of the inclined shaft revealed by the excavation were clarified as the collapse of the top arch，the outer bulge in the weak zone and the inrush of water.Based on the understanding of the surrounding rock failure process and its underlying mechanism，engineering analogy and on-site feedback were used to propose geological disaster disposal measures and stability control technologies for different failure mechanisms.Relevant research results can provide references for the stability control of surrounding rock in inclined shafts under similar geological conditions.

Key words： inclined shaft；weak and broken surrounding rock；water-rich strata；surrounding rock stability

收稿日期：2022-03-26

基金項目：云南省重大科技專項計劃資助項目（202102AF080001）；巖土力學與工程國家重點實驗室開放基金項目（Z018016）

作者簡介：梅爭貴，男，高級工程師，主要從事水利水電工程項目管理工作。E－mail：752516183@qq.com

通信作者：李建賀，男，高級工程師，博士，主要從事水利水電工程設計及科研工作。E-mail：jianhe_001@126.com