甘肃引洮供水一期总干渠隧洞工程不良地质洞段处置与建设管理思考

徐崇锋

（甘肃省水务投资有限责任公司,730000，兰州）

甘肃引洮供水一期总干渠隧洞工程不良地质洞段处置与建设管理思考

徐崇锋

（甘肃省水务投资有限责任公司,730000，兰州）

大型跨流域调水工程中隧洞是一种常见的建筑物布置型式。引洮供水一期工程总干渠隧洞施工过程成功处理了涌水、深埋隧洞地应力、疏松砂地层、饱水黄土等不良地质洞段的建设与管理问题，为类似工程建设防止各种地质病害的发生可提供一定的借鉴。

建设管理；施工技术；引水隧洞；引洮供水；甘肃

引洮供水工程是解决甘肃中部干旱地区5市11县（区）161个乡镇425万城乡人口供水及48.2万亩农田灌溉的一项大型跨流域调水工程,总干渠全长204.6 km，干渠及分干渠11条445.3 km。计划分两期建设,一期工程已建成通水,二期工程已开工建设。一期总干渠工程全长109.4 km，其中隧洞18座长96.37 km，占总干渠的88.1%，最大设计流量32 m3/s，加大流量36 m3/s，年设计引水量5.5亿m3。作为一个大型隧洞群工程，施工建设先后遇到了岩溶通道涌水、秦岭北缘断裂带、深埋隧洞高地应力、含水疏粉细松砂层、饱水黄土层等各类复杂的隧洞不良地质洞段。特别是7号隧洞遇到的含水粉细疏松砂岩层，可以说是世界性施工地质难题。在水利部、省委、省政府的关心支持和省水利厅的精心指导下，施工中采取专家咨询、创新方法、科学论证、民主决策的办法，坚持一流工程、一流管理、一流质量、一流效益原则，勇于担当、攻坚克难，最终实现了总干渠隧洞安全、有序施工，取得了阶段性成果，确保了引洮供水一期工程按期建成通水。

一、不良地质洞段施工情况

1.总干渠3号隧洞涌水处理

3号隧洞全长13.3 km，穿越西秦岭北缘大断裂带，最大埋深773 m，主要工程地质问题为涌水和断裂带的围岩稳定问题。

2008年3月5日3号隧洞杨家大庄斜井工作面掘进至主洞桩号12+ 680时发生突发性涌水，主洞段瞬间淹没，21小时后斜井被淹110 m，施工设备全被淹。由于撤离及时无人员伤亡。因斜井段尤其是主洞与斜井交叉段位于秦岭北缘大断裂影响带，有随时发生大塌方的危险。险情发生后，业主与监理、设计、施工单位现场召开会议研究处理方案，启动应急预案，紧急调集高扬程、大功率水泵、电缆等抢险设备组织排水抢险。经过60多天昼夜奋战，将水排至主洞，地下涌水得到控制。在抽排过程中对斜井和主洞洞身一次支护进行质量安全隐患排查，对发生变形的钢拱架进行更换，对斜井和主洞洞身采用喷护钢纤维混凝土进行补强，于5月5日完成抢险排水，恢复隧洞掘进施工。

2010年5月27日3号隧洞进口掘进到2.43 km（桩号8+914）处时拱顶位置多处出现股状压力涌水，由于围岩结构破碎，涌水中带有泥浆、碎石导致拱顶部位坍塌严重。6月3日中午钻孔作业时因掌子面 （桩号8+ 938）围岩裂隙发育，隧洞右侧有4个钻孔出现压力涌水，射程达到4～5.5 m，单孔出水量在40 m3/h左右。由于涌水量大，隧洞内原有排水设备能力不足，加之掘进方向为反坡，洞内积水无法自然排出，水位急剧抬高，至18时许掌子面积水深度达1.3 m，钻孔作业无法继续进行，迫使施工暂停。为避免洞身遭受长时间浸泡，暂时将出水的4个钻孔用木楔封堵了3个。随后增加了2台160 kW离心泵，安装Φ159排水钢管2 488 m，并在洞外设三角堰简易流量装置对出水量进行量测，至6月23日洞内积水基本排出。6月24日隧洞开挖至桩号8+931处时掌子面右下部发生管状涌水，到6月29日上午涌水量达500 m3/h，致使洞内积水水位快速增高，掌子面水位骤涨至2.5 m高度，洞内所有设备被淹。7月1日涌水量再度增大，达到930 m3/h。随后又增加排水设备并架设Φ300排水钢管2 488 m进行洞内抢险抽排水，于9月10日排至掌子面位置。9月14日在堵水注浆准备过程中掌子面涌水再次增大，达到1 640 m3/h，隧洞再次被淹，不得不加大排水设备投入，在距掌子面30m位置开挖排水泵站洞旁安装专用变压器和315 kW离心泵、200 kW离心泵各1台，并配置TOG-150-60-45潜水泵3台用以调节水量，于10月26日排至掌子面，涌水量稳定在860 m3/h，同时恢复掘进施工。3号隧洞处理特大涌水地质灾害过程中，业主先后4次组织参建单位召开涌水抢险排水方案专题会议，邀请水利部水规总院和隧洞施工专家对方案进行咨询，专家们一致认为发生如此地质灾害不是一般性透水，应是打透了地下暗河；隧洞穿越西秦岭大断裂带，属于“活动性断裂区域的隧洞”，最终确定了上述抢险过程中采取的“堵排结合，以排为主”方案。

2.总干渠3号隧洞杨家大庄斜井主洞段变形、塌方处理

3号隧洞杨家大庄斜井主洞桩号13+610～14+368段为秦岭北缘大断裂影响段，该段埋深达770 m，属深埋隧洞。开挖揭示岩性为三叠系青灰色变质砂与泥钙质板岩互层，岩石破碎，地质条件复杂，为极不稳定Ⅴ类围岩。自2010年3月该洞段完成开挖及一次支护以来，洞室收敛变形较大，大部分洞段出现喷混凝土裂缝、鼓包、掉块和钢拱架变形及塌方等险情。业主于2010年5月20日组织监理、设计、施工单位召开专题会议，共同研究决定停止隧洞开挖施工，集中处理变形，同步进行二次钢筋混凝土衬砌。该洞段历时半年，于2010年11月底才完成变形处理。期间2010年5月28日晚处理桩号13+790处变形时突然发生大塌方，塌方空腔高达25～30 m，洞长近200 m，塌方量近4 400 m3。业主于2010年6月2日组织监理、设计、施工单位召开专题会议，确定了固结灌浆、钢拱架、超前管棚、喷混凝土联合支护加固、上下台阶法开挖的抢险处理方案。经昼夜奋战，于7月31日完成抢险。

3.总干渠7号隧洞涌水涌砂地质灾害处理

7号隧洞全长17 286 m，是引洮总干渠第二长隧洞，进口位于洮河流域，出口位于渭河流域，地质条件复杂，灾害多发，多次遭遇我国水利史上罕见的涌水涌砂地质灾害，被国内地质专家称为“世界性施工难题”。施工过程中，造成TBM两次卡机遇阻，建设者们先后4次调整和优化施工方案，制定科学有效的攻坚措施，先后采用了解围TBM、长大管棚、自进式管棚、回填灌浆、固结灌浆等常规办法都未能成功，最终采用水平冻结施工方案，拆解TBM，人工钻爆开挖主洞，才攻克了“世界性施工难题”。

（1）出口TBM掘进3.0 km时因涌水涌砂卡机

2010年10月6日TBM从出口掘进至60+939处（距出口3.062 km），遇到饱和含水疏松砂层出现卡机，通过采取增加高压泵、钢垫片并加大上下主推油缸压力等自身解困措施，无法控制掘进机栽头现象，在强行推进8 m后，TBM栽头进一步加剧，最大达到66.3 cm，同时推进过程中管片破损、错台严重，最大错台达到15 cm，盾尾涌砂严重。为防止管片失稳而造成更加严重的后果，经研究决定不再强行推进TBM，停机刀盘桩号为60+931（距出口3.07 km）。

经过咨询论证，将TBM在60+ 931处拆解，重新制造刀盘和盾体，移至进口施工。同时增加4条支洞（1号庙咀斜井、2号虎家泉斜井、3号红山屲斜井、4号吴家坪平支洞）和利用阎家沟竖井人工处理设计单位补充探明的8段含水疏松砂层洞段，然后TBM空推安装管片。

2011年1月庙咀、虎家泉、红山屲斜井和吴家坪平支洞全面开工并在合同工期内全部完成各自承担的开挖任务。同时从出口掌子面向上游方向对TBM卡机段65.58 m含水疏松砂层洞段施工，常规的超前注浆、绕洞等方案均先后受阻。经过咨询论证调整为从4号吴家坪平支洞下游方向采用水平旋喷桩超前支护法施工，但因含水疏松砂地层中存在空隙、空穴，水平钻孔无法成型，施工被迫停止。经过水规总院专家咨询论证，确定采用冻结施工方法，从出口工作面处理22 m主洞开挖衬砌和22.4 m管片变形段拆除衬砌，从4号吴家坪平支洞工作面处理 43.58 m主洞开挖衬砌，共采用冻结法施工88 m。

（2）进口TBM掘进11.1 km时因涌水涌砂卡机

2012年4月30日TBM掘进至57+835（距进口11.12 km）时，掌子面发生严重涌水、涌砂，造成TBM卡机被困无法继续向前掘进。5月10日参建各方召开专题会议进行研究，认为采取洞内措施及自身解困措施不能使TBM脱困，决定调整施工方案，增设5号、6号斜井，在3号斜井的配合下人工开挖主洞57+835～58+571，同时由TBM解困后空推安装管片。具体为5号斜井设计全长590 m，坡度12.9°，相交于主洞57+840处，计划完成其上游5m主洞开挖施工，并脱困处理TBM；6号斜井设计全长550 m，坡度12.7°，相交于主洞58+015处，计划完成上游57+840～58+015段175m、下游58+015～58+195段180m共计355m的主洞掘进施工；3号斜井继续向上游掘进58+195～58+571段376 m。人工开挖隧洞贯通后TBM空推安装管片。

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2012年10月，新增5号斜井掘进350 m、6号斜井掘进455 m后均进入含水疏松砂地层，先后发生了严重的涌水涌砂灾害，隧洞严重变形，掌子面失稳。对此先后采取上下台阶法、环形预留核心土法、对一次支护钢拱架进行套拱加固、置换变形段钢拱架、封闭掌子面、拦挡涌砂、加强排水、降低地下水水位等常规施工方法均无效果，施工被迫停止。

（3）TBM脱困及含水疏松砂层洞段冻结施工方案的确定

2012年12月，根据7号隧洞进口和5号、6号斜井施工单位制定的下一步施工方案，业主组织参建各方对绕洞、长大管棚注浆法、水平旋喷桩法、盾构法、冻结法等施工方案进行比较后认为，冻结法施工方案工期和投资控制风险最低，拟对冻结施工方案做细化研究。根据设计单位再次补充勘探结果和对新增5号、6号斜井及7号隧洞进口TBM卡机断面实际揭示的地质情况，分析57+835下游约有270 m（57+835～58+105）洞段为含水疏松沙地层，需要采用冻结法处理，其余409 m（58+105～58+514）从下游红山屲斜井采用钻爆法继续向上游掘进完成。建设方会同设计单位邀请有关专家对冻结施工方案进行研究编制，2012年12月14日、17日和2013年1月1日省水利厅三次组织参建各方进行专题研究，从工期、投资控制的可行性分析，编制了7号隧洞TBM解困及57+835以下220 m含水疏松沙地层洞段冻结法施工方案。

遵照2013年2月3日习近平总书记视察时的指示，水利部2013年2月18日～20日组织国内水利、冻结施工专家到施工现场进行指导，专题研究咨询论证了7号隧洞含水疏松砂地层冻结施工方案。结合设计单位的补勘结果和此段270 m含水疏松砂层的情况确定冻结施工方案：一是解困TBM方案。在7号隧洞TBM卡机下游桩号57+842处增设1个竖井、深248m，上游方向对TBM盾体外围采用水平冻结进行加固，开挖主洞7 m，在冻土帷幕保护下实施TBM解困措施，并承担下游方向的41 m主洞冻结开挖任务；二是57+883～58+105疏松砂层洞段施工方案。在57+995处增设1个竖井、深212m，采用冻结法开挖竖井和形成上、下游两个工作面开挖主洞222m。

随后，新中标的施工单位在地面垂直冻结孔打钻时又遇地下空隙、空穴等松散地层发生打钻漏浆，导致成孔十分艰难。经邀请专家咨询，采取边注浆、边打孔的施工方案，解决了漏浆塌孔难题，完成了冻结孔施工作业，并顺利完成两个竖井冻结开挖，转入主洞冻结开挖。同时对6号斜井洞轴线进行调整后顺利掘进至主洞并完成主洞开挖 177.7 m （58+065～58+242.7），直到上游掌子面（58+065处）发生涌水涌砂时停止向前开挖。

（4）冻结施工洞段二次衬砌所采取的处理措施

在对冻结施工的含水疏松砂地层洞段永久衬砌管片进行结构验算时发现，原设计的衬砌管片+豆砾石回填灌浆支护衬砌无法满足隧洞安全运行条件。综合考虑投资、工期等因素，拟定了四种比选方案，经过水利部专家组咨询论证后，建议拆解TBM，把原设计TBM安装管片改为人工现浇钢筋混凝土衬砌方案。即：TBM不再空推安装管片，就地拆解；剩余洞段改为人工现浇50 cm厚的钢筋混凝土。

4.总干渠15号隧洞超饱水黄土处理

15号隧洞全长4 762 m，位于定西市安定区团结镇、陇西县马河镇境内，隧洞洞身围岩为可塑～硬塑状的重粉质壤土、粉质黏土和软塑状粉质壤土、砂壤土组成，整体土层具有不均一性，围岩性状差异大，地下水水位高于洞顶4～37 m，受地下水长期浸润作用土体处于饱和状态，洞内围岩属极不稳定的Ⅴ类围岩，开挖后围岩自稳时间短，侧墙和拱脚易发生剥落、滑塌，顶拱易掉块、塌方，掌子面易出现滑塌、流土等现象，成洞条件差。

2008年5月12日隧洞施工掘进至101+920时，掌子面及已开挖洞壁渗水明显增大，掌子面处拱顶出现掉块且局部发生坍塌。随后在喷混凝土封闭掌子面的过程中拱顶坍塌范围扩大并出现流土、流泥现象，超前小管棚被塌方体破坏，导致喷混凝土作业无法继续进行。至次日上午塌方体填满了长度20 m（101+915～935）隧洞范围，塌方量约为2 500 m3，塌方洞段拱顶形成较大空腔。5月14日业主组织参建各方在现场决定：鉴于空腔上部土体不间断坍塌，已危及隧洞内作业安全，即刻在塌方体附近洞段施作挡土墙，采用大管棚超前支护，上下台阶法开挖，紧跟开挖面进行支护、钢筋混凝土衬砌的方法穿越隧洞塌方洞段；2009年2月26日隧洞开挖至102+343坡儿下河道内时掌子面拱顶部位渗水量急剧增加，拱顶砂砾层随着水流开始坍塌，持续坍塌高度2 m左右，随后施工单位组织人员施做小导管、挂钢筋网片，在塌空区回填方木等柔性材料控制塌方，然后喷混凝土封闭掌子面、停止隧洞掘进。开始实施洞外降水措施，在坡儿下沟道内增设降水井，将地下水水位降低到底板高程以下后采用“自进式超前注浆锚杆”对围岩进行加固，随后采用上下台阶法分步实施隧洞掘进，上台阶施工时对拱部采用钢插板、珍珠岩粉及挂网喷C20混凝土支护并封闭掌子面，下台阶开挖后采用干硬性混凝土及时封闭底板等综合加固方案对塌方段进行了处理；2009年6月下旬高泉河平支洞向上游掘进至桩号103+778后掌子面出现渗水现象，局部有股状流水，同时伴有塌方、掉块及涌泥涌沙现象。8月5日掘进至103+770处时掌子面右侧拱腰发生塌方，出现涌水、突泥、流沙等现象，泥浆从掌子面流出300多m同时在该处发生了冒顶，由开始的2 m持续扩大在地表形成直径约20 m、深7 m的塌陷坑。随后采取了对塌陷坑进行地表注浆加固坍塌体的措施，同时在坍塌坑上游采取开挖降水井的方式进行降水，并采用 “工字钢代替管棚”“上下台阶法”的施工方法处理大塌方；2010年4月9日隧洞出口105+ 450处发生冒顶塌方，不到一分钟整个洞内从掌子面突出淤泥30多m远，涌泥迅速将掌子面前的机械除挖掘机外全部掩埋，随后业主与建设各方采取超前大管棚注双液浆并采用生石灰循环固结掌子面等施工方法处理冒顶塌方；2011年11月13日隧洞掘进至桩号103+524时掌子面及洞顶出现大面积线状和面状水流，同时伴有掉块现象发生，随后由于渗水突然增大，洞顶发生突水、突泥，塌方十分严重，掌子面瞬间被塌方体全部堵塞，洞内泥浆涌高达1 m之多，掘进工作完全停止，掌子面附近的所有设备全部被埋。随即研究采用“工字钢棚代替管棚”“上下台阶法”的施工方法处理大塌方，取得了成效。

二、有关思考

1.多方关心支持，决策果断及时

面对如此浩大艰巨的跨流域调水工程建设，省级层面成立了省引洮项目协调领导小组，由常务副省长、分管副省长亲自挂帅，及时研究协调工程建设遇到的重大问题；技术上与国家权威的技术咨询公司签订技术咨询协议，随时深入工程现场调研处理工程建设技术难题。坚持专家咨询、创新方法、科学论证的原则，敢于负责、及时决策，实现了总干渠隧洞的安全、有序施工，不断取得了阶段性成果，为实现引洮供水一期工程通水目标奠定了坚实基础。

2.提高前期设计深度，切实加强技术管理

引洮供水一期工程建设内容多，勘测量大，工期紧，在勘测和前期调研工作中难免有不深不细和遗漏等现象，隧洞开挖后揭示的实际地质情况与勘测成果不符；勘探孔数量不足、勘探精度不够，造成工程项目实施过程中发生大量的设计变更，导致投资增加较多。因此，一是业主单位要加强前期工作的技术管理，及时与勘察设计单位研究工程建设过程中可能遇到不良地质条件下的应对措施，以确保设计单位所提交的勘测资料和设计图纸深度达到相应阶段的规范要求。二是在施工图阶段要根据工程建设情况，及时进行必要的补充勘探设计工作，为正确制定科学合理施工方案提供准确的依据。总干渠7号隧洞分别于2009年6月、2010年6月、2011年4月、2013年2月先后四次进行补充勘探工作，探明剩余洞段疏松沙层的分布及含水情况，为最终冻结法施工方案的选定提供了技术支撑。三是业主单位要加强设计方案审查、图纸审核和现场技术研究及交底等技术管理工作，同时要认真审查施工单位提交的施工组织设计，避免因施工方案选择不当导致隧洞围岩扰动引起的麻烦。

3.建立专家咨询论证机制，及时研究破解难题方案

引洮供水一期总干渠隧洞工程自开工以来先后遇到岩溶通道涌水、秦岭北缘断裂带、深埋隧洞高地应力、含水粉细疏松砂岩层、饱水黄土层等的各类复杂的地质难题，变形、塌方、突水、突泥险情频发。针对出现的问题采取专家咨询、科学论证、创新方法的原则解决难题。

在7号隧洞遇到含水粉细疏松砂岩层世界性地质施工难题而举步维艰的时候，如何在确保工期和投资增加最少的前提下，选择最优的技术方案是关键。业主会同设计单位邀请水利和铁路、煤炭行业有关专家咨询，借鉴国内类似施工经验，最终大胆引进了冻结法施工方法。该方案的成功实施创造了国内大型水工隧洞在240多m埋深首次采用冻结法施工的先例，为今后类似地质情况的隧洞施工积累了宝贵的经验。

4.增强担当负责意识,精准开展建设管理工作

引洮工程是解决甘肃中部地区400多万居民生产、生活用水和生态用水的救命工程，能早一天建成通水，受益区老百姓就能早一天喝上干净甘甜的洮河水，就能早一天实现区域经济的跨越式发展，这一伟大而神圣的使命应印记在每一位参建者心里，深知使命光荣、责任重大，从前期工作到工程建成期间毫不松懈，尤其是当总干渠 18座隧洞中的17座提前贯通，唯独剩余7号隧洞由于遭遇世界性地质施工难题而举步维艰的时候，正面临着施工技术方案、工期和投资的艰难选择，在确保工期和投资增加最少的前提下，多次调整选择了最优的技术方案。TBM在隧洞出口、进口施工遇阻需要调整方案，新增6条斜井须重新选择施工队伍时，先后邀请在一期工程前期施工中信誉度较好的几家施工单位进行投标，从中选用了有实力有能力的施工队伍，承担了艰巨的攻坚克难任务。

责任编辑 李建章

Tunnel construction and operation under unfavorable geologic conditions on main canal of Phase-I Water Diversion Project from Tao River in Gansu Province

Xu Chongfeng

In the construction of large-scale water diversion project,tunnels as popular structures are usually included. During the construction and operation of main canal for Phase-I Water Diversion Project from Tao River in Gansu Province,considerations had been given to unfavorable geological conditions such as water burst,geostatic stress of deep tunnel,loose sand strata and saturated loess.The practice can provide experiences to similar projects for geological hazard prevention and control.

construction and management;construction technology;diversion tunnel;Diversion Project from Tao River; Gansu

TV672+TV698

B

1000-1123（2016）18-0040-04

2016-08-24

徐崇锋，董事长。