输水隧洞特殊地质洞段施工处理思路与方法

李万金

（新疆水利水电项目管理有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程及地质概况

某引水工程输水隧洞进口倒虹吸末端，里程为SS60+079 m，进口底板高程为1818.34 m，出口接消能电站前池，出口里程为SS74+555 m，出口底板高程为1803.86 m[1]。隧洞全长14.48 km，隧洞设计流量20 m3/s，净断面采用城门洞型，全洞段采用C30钢筋混凝土衬砌，宽×高为2.2 m×2.6 m，底坡1/1000。隧洞埋深一般150 m～200 m，最大埋深430 m，隧洞沿线地形起伏连绵，沟谷纵横，先后通过多条冲沟，地质构造复杂，隧洞沿线出露地层较多，地层岩性从老到新分别为石英砂岩夹白云岩、泥质灰岩、灰岩、石英砂岩夹页岩、石英砂岩、长石砂岩等隧洞沿线断层及皱褶较发育，隧洞沿线岩溶水及基岩裂隙水均有分布，围岩类别包括Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，各种围岩类别统计见表1。

表1 典型隧洞围岩类别统计表

2 隧洞常规洞段施工方法

本次隧洞施工Ⅲ类及部分Ⅳ类围岩约占整个洞身段的70%左右，洞段地质条件较好，施工中只需进行常规支护便可以满足围岩围岩稳定。施工方法如下：

（1）Ⅲ类围岩洞段支护及衬砌施工方法

支护方式采用“网喷砼厚8 cm+砂浆锚杆+C25砼厚30 cm，部分洞段采用“网喷砼厚10 cm+砂浆锚杆+C25钢筋砼厚30 cm”加固围岩，围岩满足稳定要求。

（2）Ⅳ类围岩洞段支护及衬砌施工方法

Ⅳ类围岩洞段支护方式采用“网喷砼厚10 cm+砂浆锚杆+C25钢筋砼厚40 cm，部分洞段采用“网喷砼厚12.6 cm+砂浆锚杆+Ⅰ12.6钢支撑+C25钢筋砼厚30 cm”加固围岩，围岩满足稳定要求。

3 特殊地质洞段施工

典型隧洞地质条件复杂，其不良地质情况包含岩溶洞段、高应力洞段、高承压水洞段等[2]。施工中存在的问题：1）开挖后洞顶岩体破碎掉块，地下水涌入隧洞，使边墙岩体变软，排水后隧洞围岩仍坍方严重；2）原支护挂网喷砼挂网困难，喷砼随岩体掉下；3）工12.6钢支撑刚度小，其强度不能维持围岩稳定，使断面变形严重，喷10 cm砼不能与衬砌紧密结合。本文将对各不良地质情况进行分述，提出相应的处理措施。

3.1 特殊地质洞段加固措施

隧洞进出口Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段改进支护措施有2种。第一种在Ⅳ类围岩稳定性差的洞段、Ⅴ类围岩洞段改进为“注浆小导管超前支护+工14钢拱架喷14 cm砼+系统锚杆+C30钢筋砼40 cm”；第二种在进口段、出口Ⅴ类围岩洞段改进为采用工14钢支撑结合系统锚杆支护，喷C20砼14 cm厚，衬砌厚度加大为50 cm，并结合超前高压预灌浆进行掘进，局部掉块严重地段挂钢筋网，高外水头洞段考虑排水后进行固结灌浆，改进后的支护措施图见图1。

图1 改进后的支护措施图

支护方式改进后，对隧洞进、出口开挖洞段，部分Ⅳ类、V类围岩稳定性较差洞段及时支护，可以保证围岩稳定，断面变形也随之变小。尽管在工程投资上因钢支撑、钢筋砼及固结灌浆的量的增加而增大，但是改进的支护措施不仅保证了开挖后围岩稳定时间，确保了施工安全，缩短了工期。

3.2 岩溶区洞段施工

在地表水和地下水作用下对工程区内可溶性岩层经过化学反应和外力机械破坏作用而形成的岩层溶蚀现象称为岩溶。工程区内碳酸盐岩分布较广，约占本段线路的28.68%，地表及深部岩溶发育。溶蚀洼地、溶蚀漏斗、落水洞、溶洞、暗河等各种岩溶形态都有不同程度发育。在隧洞施工中若遇有岩溶危害而不能改变隧洞轴线情况时，可以根据岩溶对隧洞影响情况，采取不同的处理措施进行处理[3]：

1）洞穴处理

①封闭处理：对较小溶洞或者已枯干的溶洞，施工中主要采用C20W6混凝土回填封闭处理，对空隙较大的部位采用浆砌石充填。

②跨越或绕洞处理：当溶洞规模较大，溶洞内封闭或填充处理困难或需要的填充物多，工程量和投资增加很大，可根据具体条件采用隧洞内增设支墩、承托纵梁、拱桥等梁跨跨越岩溶地段，或者经过地质勘察和设计论证后进行扰洞处理，前提要保证安全经济。

③其它辅助措施：对隧洞周边岩体进行封闭、注浆加固、支顶加固，在清除松动岩石困难的情况下，为防止洞穴壁或顶板坍塌，可采用锚杆或大钢管、钢轨加固岩体。

2）岩溶水的处理

施工中隧洞两侧设有排水沟、集水井等措施进行排水，并配备充足的抽水设备，但当隧洞岩溶水较大而排水装置无法满足时，应在隧洞来水一侧设置泄水洞来排除岩溶水，降低地下水位，保持隧洞在施工中干燥。除泄水洞外，还可以采用暗沟、埋管、涵洞、渗沟、或增加集水井和抽水泵来排除地下水。

对通过居民区洞段的岩溶水处理原则应以堵为主，可采取超前固结灌浆、回填混凝土和回填灌浆等处理措施，防止地下水位下降，影响居民生活用水。

3）岩溶洞穴堆积物的处理

岩溶洞穴堆积物较其他岩体松软、强度低、下沉量大和稳定性差。施工中隧洞必须穿越洞穴堆积物地段时，对少量岩溶堆积采取换填的处理方式；当堆积物范围大、堆积较厚且处理过程和后期可能引发更多安全问题时，采用加设木桩基础、旋喷桩、高压注浆等方式进行地基处理，隧洞边墙和顶拱采用拉杆、挂钢筋网等措施，并采用钢支撑，钢筒等加固岩体的处理措施。

4）岩溶地面塌陷的处理

隧洞通过岩溶地段时因地下水状态的改变和隧洞开挖时应力重分布造成围岩失稳而导致地面塌陷，一般情况存在突发性，危害较大。发生地面塌陷后，采用空腔充填、管棚支撑和地表注浆等处理措施。

3.3 高地应力区洞段施工

隧洞洞身最大埋深达480 m，地应力较高，易出现岩爆现象，岩爆易造成人员、设备事故。为了防止洞身围岩破坏及岩爆向广度和深度方向发展，在工程中可采取以下措施[4]：

（1）在施工前，应进行详细的地质勘查，掌握岩爆的范围。

（2）施工过程中，通过必要的现场测试及应力分析，预测岩爆的发展方向。

（3）改变开挖断面，由城门洞型改为马蹄形或圆形开挖断面，并合理安排开挖顺序，以达到控制岩爆的目的。

（4）对于局部地应力特别大，岩爆现象比较明显的洞段，可采取改变洞段走向的方法来减小岩爆的危害，隧洞衬砌结构的施工在围岩基本稳定后方可进行。

3.4 断层破碎带洞段施工

对于地质勘察(预测)出的断层或破碎带，在施工过程中极有可能会发生塌方，因此在开挖前，应进行详细的施工组织设计，制定合理的施工程序和方法。工程中常见的处理措施主要有以下几种[5]：

（1）在开挖接近断层破碎带位置时，应严格控制开挖进尺及爆破参数，可采取在掌子面打超前锚杆或超前管棚的方法加固围岩，开挖完成后及时进行喷锚支护。

（2）若断层带围岩较破碎，自稳能力极差，开挖成洞困难，掌子面无法进行超前锚杆施工时，可采取超前固结灌浆加固围岩，或在掌子面喷一层混凝土进行稳固，然后再进行超前锚杆或超前管棚的施工，喷锚施工难以满足要求时，亦可采用钢支撑进行支护。

（3）初期支护结束后，应对断层带进行变形监测，必要时采取二次加固处理，若条件允许，可在初期支护趋于稳定时，将该段的钢筋混凝土衬砌先行施工，避免因围岩失稳出现大的塌方。

3.5 承压涌水洞段施工

隧洞洞身位于地下水位线以下，地下水位线最大高出洞顶320 m，隧洞开挖至节理密集带或断层破碎带时，极有可能会出现涌水、涌泥等现象。工程中常见的处理措施主要有以下几种[6～7]：

（1）借鉴以往工程经验，对于伴有地下水活动特别是有高压水的洞段，应以引排为主，即做好洞身的排水孔、洞内排水沟等相关排水工作。

（2）通过围岩局部固结灌浆的方法来封闭涌水通道、提高围岩的防渗能力也是很好的方法，一方面解决了涌水问题，另一方面也稳固了围岩，此种方法可与断层破碎带的处理结合进行。

（3）若施工过程已查明涌水来源，并且涌水量不大的洞段，也可采用截断水源或涌水通道的方法来控制洞身涌水。

（4）也可结合实际，借鉴其他工程的成功案例，如引滦入津工程采用一种自涨式开口锚杆，此种锚杆由铁皮卷成中空，打入围岩后，既可以起到排水的作用，又可以紧贴围岩，起到局部加固的作用。

4 结论及建议

该输水隧洞与2018年11月施工完毕，特殊地质洞段的处理措施在实际施工中经过验证是可行的，现得到以下结论及建议：

（1）该输水隧洞施工中岩溶段施工、断层破碎带、下水涌水、涌泥等不良地质问题的处理会花费较长的时间，也会投入较多的人力、财力和物力，因此在施工前应花费更多的时间进行地质勘察。

（2）长输水隧洞在地质勘查期间，由于隧洞埋深较大，不能完全准确的确定工程地质条件，因此在设计施工中与原设计施工措施存在一定的差异。

（3）尽管输水隧洞已施工完成，针对施工中出现的问题总结出各种工程措施，可供其他隧洞施工参考借鉴。