夹岩水利工程深埋长隧洞开挖施工典型地质问题及处理技术

2018-11-23

水利建设与管理 2018年11期

(贵州省水利投资集团公司，贵州贵阳 550022)

1 工程概况

贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程是一项以城乡供水和农田灌溉为主要任务、兼顾发电的综合性I等大(1)型工程，由水源工程区、毕大供水区和灌区骨干输水区三部分组成。水源工程混凝土面板堆石坝最大坝高154m，水库正常蓄水位1323m，总库容13.23亿m3；灌区骨干输水由干渠、分干渠、支渠(管)及灌区泵站等组成，干渠总长267km。干渠前段近100km主要由多条隧洞组成，隧洞长度1.9～20.36km，埋深25～460m，多处于地下水位线下。

2 开挖施工出现的典型地质问题及处理技术

2.1 水打桥隧洞K11+930涌水

水打桥隧洞总长20.36km，设计流量Q=31m3/s，断面形式圆形，衬砌后净空半径r=2.7m，为无压洞。总体走向近东西向，沿六冲河左岸斜坡布置，穿越区地貌为峰丛洼地岩溶地貌，埋深50～445m, 除进口段有1.6km的二叠系煤系地层出露外，其余均为三迭系下统飞仙关组(T1f)和永宁镇组(T1yn)地层，可溶性碳酸盐岩分布段长10.78km，占总长的54%,隧洞大部分位于地下水位以下。

2.1.1 涌水情况

隧洞从4号支洞向主洞下游(距交叉处163m)开挖至K11+930，掌子面进行超前加深炮孔时，3个炮孔施工至1.8m深度遭遇涌水，随即布置超前探孔2个，钻孔深1.8m左右探孔内涌水，其中一个孔喷水射出约12m远，另一个孔涌水喷出20m左右，水质浑浊，估测涌水压力约0.4MPa。涌水后3天内观察，涌水压力未发现变化。

2.1.2 处理措施

2.1.2.1 超前探孔，物探检测

为保证施工安全,进一步探明前段的含水情况，先在K11+928～K11+930段浇筑2m厚防渗墙对掌子面进行封闭，然后在防渗墙上布置7孔30m的超前水平探孔，1号、2号、3号、4号孔布在右上角区域，洞轴线顶、中、底部布置5号、6号、7号。上部5号孔、中部6号孔和下部7号孔分别在K11+938、K11+942、K11+945出现涌水，水压约0.5MPa。图1为K11+930灌浆孔布置示意图。

对掌子面前段采用TSP203和地质雷达分别进行长、短距离探测，探测结果前段围岩级别Ⅴ、Ⅳ，岩体较完整、裂隙增加、局部节理裂隙较发育、地下水较发育。

2.1.2.2 补充勘察情况

为查明洞段涌水成因、压力及涌水量的大小，针对该洞段作了岩溶水文地质专项勘察，采用地表水测流、示踪连通试验、水质化学分析、地下水位观测等方法，勘查该洞段岩溶水文地质特征。补充勘察结论为：水打桥主洞K11+930掌子面的涌水来源于地表水落洞明流入伏和绿毛洞明流入伏，补给面积约12.0km2。

图1 K11+930灌浆孔布置示意图

2.1.2.3 超前帷幕灌浆防渗

根据超前地质预报结果和补充勘察资料分析， K11+930掌子面涌水存在较大的安全隐患，对涌水段采用超前帷幕灌浆防渗处理方案，处理措施有：ⓐ如前述在K11+928～K11+930浇筑防渗墙；ⓑ对超前探孔安装闸阀及压力表监测水压变化；ⓒ超前帷幕灌浆，对K11+930～K11+945段隧洞进行灌浆以封堵渗水,灌浆孔沿洞壁周边环向单排布置，共计布置24个孔(如图1)，孔距0.76m，钻孔向外倾斜12°，孔深15.4m，分Ⅲ序施工，灌浆压力按探孔测得的地下水压力加0.1～0.2MPa。

2.1.2.4 处理效果检查及隧洞开挖

灌浆结束超过7天后，打开前期6号探孔闸阀观测渗水量，并在6号孔旁钻探孔15m，观测出水量，水量明显减少并具备隧洞开挖施工条件，则进行9m段隧洞开挖施工；开挖完成后在掌子面布置3个15m深勘探钻孔，探明前方渗水情况，若渗水量大，无法施工则再进行下一轮灌浆施工，灌浆与前一轮搭接不少于3m。

2.1.3 处理效果

灌浆完经超前探孔探测，均无大渗水现象，灌浆效果较好，逐渐采用小药量分台阶进行开挖，开挖揭露为溶蚀裂隙并明显见水泥结石充填。经两个循环处理后，隧洞开挖穿过该渗水段。

2.2 长石板隧洞K7+360～K8+950软岩段钢拱架变形开裂

长石板隧洞总长15.412km，埋深40～210m，位于地下水以下，为无压洞，设计流量Q=30m3/s，断面形式圆形，半径r=2.6m，设计水深h=3.815m，施工共设6条施工支洞。穿越区地貌为峰丛洼地、峰丛谷地岩溶地貌，洞身段岩体主要处在T1yn3灰岩地层、T1yn4溶塌角砾岩以及T2g1软硬相间地层。

隧洞K7+360～K8+950洞段位于4号、5号支洞之间，埋深40～50m，其中K8+038～K8+950洞段地表为果木洼地，覆盖层厚度7.1～12.6m，下覆均为T1yn4地层(黄灰、灰色溶塌角砾岩夹薄层泥质白云岩，局部夹灰岩透镜体，产状无序，成分复杂，多呈强—全风化状(类似粉土状)，遇水后迅速泥化为可塑—软塑状)，地下水埋深为38～45m，高于隧洞埋深。

2.2.1 出现的问题

主洞从4号支洞向下游开挖145m(至K7+495桩号)，围岩均为全风化状态，富水严重，自稳能力极差，开挖后及时进行了一次支护。开挖断面为圆形洞径6.4m，Ⅴ类围岩，钢拱架底部支护及时闭合后，由于洞底岩性软弱且浸水严重，受各种施工机械反复扰动后，基岩泥化严重，造成已施工完成的钢拱架发生变形、喷混凝土开裂。根据实测数据，一期支护完成后，拱顶沉降量及侧壁收敛变形量一般为8～10cm,最大超过20cm，而拱腰和拱脚部位多处钢拱架出现变形、开裂现象，并有水渗出，如图2所示。

图2 4号支洞下游主洞局部段拱圈开裂

2.2.2 处理方案

2.2.2.1 变形力学参数

为获取岩体的物理力学参数，在现场进行两次，共计6个试点的静载荷(变形)试验，主要结论如下：

a.变形模量小，T1yn4地层变形模量小，自然状态下变形模量与碎石土相当，抗变形能力差。

b.承载力低，T1yn4地层自然状态下承载力特征值远低于其他地层岩体。

c.遇水后物理力学参数急剧降低，饱水状态下T1yn4地层承载力特征值降低超过60%，与粉土相当；而饱水状态下变形模量下降超过90%，亦与粉土相当。

2.2.2.2 已开挖(K7+360～K7+492)变形段处理方案

为保证施工期间的安全，防止钢支撑继续变形，对K7+360～K7+492已变形洞段先进行加固，永久混凝土衬砌时再对变形侵占隧洞衬砌断面进行处理。

变形段处理方案：ⓐ清除干净洞底部积水、淤泥；ⓑ在钢支撑底部90°拱脚位置增设16号工字钢横撑；ⓒ钢支撑底部90°拱脚位置以下范围用块石回填，为便于排水两侧位置回填较大粒径块石；ⓓ在块石回填面铺设10mm临时钢板；ⓔ根据出水位置及水量大小，每隔一定间距设置集水井；ⓕ加强监测，将监测结果及时反馈。加固结构布置形式如图3所示。

图3 K7+360～K7+492段变形加固布置

2.2.2.3 隧洞K7+492后段支护试验

选取K7+492～K7+542洞段进行支护试验，分别采用城门洞形(20m)和马蹄形(30m)两种开挖支护型式，开挖及初期支护后，及时监测断面变形情况，根据监测资料研究确定后续洞段开挖支护型式。

两种开挖支护型式主要措施：

ⓐ城门洞形(见图4)和马蹄形(见图5)开挖支护即在原圆形开挖支护的基础上扩挖而成；ⓑ顶拱及边墙范围内架设16号工字钢支撑，间距0.5m；ⓒ钢支撑肩部、脚部45°设置M20砂浆C25锁肩锚杆，长3.0m；ⓓ顶部设 M20砂浆C25锚杆，长3.0m，间排距1.5m；ⓔ纵向用C25钢筋连接，间距为1.0m；ⓕ边墙及拱部范围内挂设C8钢筋网，间排距250mm×250mm；ⓖ喷C20混凝土，厚度为100mm；ⓗ顶拱掌子面120°范围内设置超前锚杆或小导管(φ42×4mm)，长4.5m，外插角5°～10°，环向间距35cm，纵向搭接长度不小于1.5m；ⓘ开挖后隧洞底部先回填块石，回填层厚度不小于25cm。为便于隧洞排水，靠两侧排水沟时回填粒径稍大的块石。然后浇筑25cm厚C20混凝土底板，底板每20m设置一条伸缩缝；ⓙ两侧拱脚扩挖部分在永久衬砌施工时采用同标号混凝土进行回填。沿洞线每隔一定间距设置集水井，便于及时抽排洞内积水。

图4 K7+492～K7+512洞段城门洞型开挖支护及二衬结构

图5 K7+512～K7+542洞段马蹄型开挖支护及二衬结构

2.2.2.4 K7+542～K8+950洞段开挖及初期支护方案确定

根据隧洞K7+492～K7+542试验段开挖支护监测数据，改为城门洞形和马蹄形开挖支护后，隧洞比较稳定，未出现变形，施工进度比较快。开挖支护效果均比较好，能满足进度和施工安全需要。综合考虑开挖量、后期回填量等因素，选择马蹄形开挖支护断面作为隧洞K7+542～K8+950洞段开挖及初期支护方案。

2.2.3 处理效果

按马蹄形开挖支护断面进行施工，K7+542～K8+950段共1008m约12个月开挖通过，永久混凝土回填前未发现初期支护出现明显的变形。

2.3 两路口涌水涌泥

两路口隧洞段位于乌蒙山脉边缘向黔西溶原盆地过渡地段，总长8.8km，埋深在31～267m之间，为无压流，设计流量Q=28m3/s，断面形式圆形，半径r=2.6m，设计水深h=3.847m。主洞布置2个施工支洞， 2号施工支洞与主洞交于K6+756,1号施工支洞布置于两路口隧洞左侧，与主洞交于北干K40+757.192m(K3+260)，投影长度258.406m，坡比39.2%，倾角21.4°。

2.3.1 涌泥情况

隧洞K3+305m开挖支护完成后，掌子面突现涌泥，可闻到类似甲烷气体臭味，涌泥最远冲到1号支洞K0+195米处，后稳定在1号支洞K0+200米左右，液面伴有气体冒出，出渣车等施工设备被埋。主洞被淹范围K3+229～K3+305约76m，支洞被淹范围K0+195～K0+258约63m，涌泥量约7000m3左右(含交叉口扩挖段)，突泥持续时间15～20min。

2.3.2 处理措施

a.补充勘察。为查明隧洞K3+305突泥段岩溶空腔规模及岩溶发育特征，初步了解主洞突泥段地下水分布情况，查明隧洞K3+305涌水突泥补给区域及水化学性质，对突泥物质进行物质成分组成、颗粒级配等分析。补充勘察采取以EH4为主，钻探验证为辅，并加强地表调查及取样分析等勘察手段。对地表进行EH4测试，在主洞左右岸各70m范围、支洞交主洞处上下游各200m范围共布置9条测线，其中洞轴线方向5条，测线间距35m，垂直洞轴线方向4条，测线间距约130m。测试成果分析得出隧洞左侧串珠状异常带多位于隧洞高程附近，右侧范围内串珠状异常带少于左侧异常带，多位于洞轴线以上部位，隧洞右侧地质条件优于左侧。

b.处理方案比选。根据补勘成果，对主洞不改线方案和主洞改线方案进行了分析比较。主洞不改线方案对清淤方案和支洞改线迂回方案进行了比较，认为在当时情况下，岩溶空腔规模及发育情况未知，进行清淤或支洞改线，在主洞段施工作业时风险仍较高，最终清淤量可能比较大。主洞改线方案，即调整主洞轴线绕避K3+305突泥段的方案，经对拟改线方案进行细化并对新线进行补充钻孔后，证明改线方案可行，调整后的洞线有效地绕开K3+305突泥段，补充的钻孔未发现溶洞、较大溶隙等强岩溶地质现象，但岩溶发育需加强地质超前预报。调整后主洞增加四次转弯，转弯半径均为100m，后隧洞长度增加28.282m。

根据调整后主洞平面布置，对1号施工支洞进行了相应的调整，从原支洞桩号K0+197m位置(被淤泥淹没处)以上新增支洞段到达调整后的主洞。新增支洞长206.212m，起点和终点高程分别为1298.50m、1278.5m，纵坡为9.8%。(见图6～图7)综合投资比较情况为：主洞不改线方案增加投资较多，改线方案新增投资仅为不改线方案的三分之一，改线方案投资较节约。

图6 平面布置

图7 剖面图

2.3.3 处理效果

根据调整后的方案，施工单位用2个月完成了调整后支洞(长206.212m)的施工进入主洞，支洞施工未遇涌泥等特殊不良地质问题。现正从支洞分别向主洞上下游开挖，截至本文拟稿时，已向主洞上游开挖约170m，向下游开挖约300m，向下游开挖已基本穿过可能存在的原隧洞线左侧串珠状异常带，施工开挖过程未遇涌泥等现象，揭露地质情况正常。