深埋长隧洞不良地质治理关键技术研究

赵 毅

(中铁隧道股份有限公司， 郑州 450001)

隧洞工程在交通、水利、矿山等领域都具有重要作用，是发展国民经济的重要基础建设之一。随着近几年我国经济建设的发展和基础设施建设的不断增多，复杂地质条件下的隧洞建设也逐渐增多[1-6]。尤其是我国西南部地区存在地形条件特殊、水文地质条件复杂的特殊工程地质条件，隧洞特别是深埋长隧洞工程的施工地质条件复杂建设往往面临穿越多种不良地质的工程挑战。受工期和设备的限制，难以对不良地质做出准确的预测。深埋长隧洞由于在施工中埋深不断变化，穿越地层的地质条件会发生很大变化，其施工和支护均是受多种因素互相制约、互相影响的复杂过程。尤其当隧洞施工过程中穿越不良地质区域，即富水破碎带，经常导致施工期间发生塌方、涌水涌泥等地质灾害，给工作人员和机械设备带来了严重的安全隐患。

本文以滇中引水工程大理I段香炉山隧洞某施工隧洞为背景，对工程建设过程中穿越全风化玄武岩不良地质段的塌方和涌水的实际情况进行了介绍，通过开展系统的现场勘察和研究分析，综合考虑施工进度与安全的基础上，对穿越断层破碎带中塌方、涌水以及软岩变形等不良地质的施工关键技术进行了详细介绍，以期为类似工程的类似提供经验借鉴和技术参考。

1 工程及塌方涌水灾害概况

1.1 工程概况

在建的滇中引水工程是云南省为解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程，实施该工程可有效地缓解滇中地区较长时间的缺水矛盾，改善河道和高原湖泊的生态及水环境状况，受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河六个州的35个县(市、区)，国土面积3.69 km2。按照水资源配置，滇中引水工程多年平均引水量34.03亿m3(渠首水量)。

工程主要建设内容包括水源工程和输水工程两个部分。水源工程泵站从金沙江无坝取水；年均引水量34.03亿m3，设计流量135 m3/s，最大提水净扬程219.04 m，共安装12台离心式水泵机组，总装机容量480 MW。输水工程总干渠全线 664 km，共划分为6段。隧洞58座，长612 km，占线路总长的92.13%，与输水线路直接相交的工程活动性断裂16条，其中全新世活动断裂5条。因此滇中引水工程具有引水规模大、隧洞线路长、穿越地质条件十分复杂等特点，存在岩溶地下水、活动断裂、软岩大变形等重大工程地质和环境地质问题。大理Ⅰ段香炉山隧洞为总干渠第一段，全长62.6 km，最大埋深1 450 m，是滇中引水工程控制性工程，共布置10条施工隧洞，采用钻爆施工方案施工。为进一步查明隧洞地质条件、开展围岩稳定、地下水处理等重大问题的试验研究，深化勘察设计工作及为输水隧洞主体工程顺利实施创造基本条件，某施工隧洞作为勘察试验性工程进行施工。

该隧洞进口位于汝南河槽谷清水江附近，地表与香炉山隧洞高差约500 m，布置于汝南河东侧山体内，穿越的地层主要为Nβ、T2b2、Pβ玄武岩及碳酸盐岩等，大部分洞段地下水丰富。隧洞前段以较软～中硬安山质玄武岩为主，岩体较破碎，完整性极差。隧洞中段以灰色、浅灰色灰岩、白云质灰岩、白云岩为主，厚度大于394 m，岩质较坚硬，岩体较破碎。隧洞后段以深灰色玄武岩，地表未出露，岩质较坚硬，岩体较破碎。中后段埋深较大，且在中段穿越石灰窑断裂带，与该隧洞轴线夹角约40°，隧洞主要受该断裂控制。隧洞围岩详细分类结果：Ⅴ类围岩长1 015.42 m，占隧洞长度的81.49%，Ⅳ类围岩长230.58 m，占隧洞长度的18.51%，该隧洞最大埋深585 m。断裂影响带内相对完整的碎裂岩及主断带角砾岩饱和单轴抗压强度一般2～10 MPa，主断带内碎粉岩饱和单轴抗压强度较低，一般0.5～2 MPa，岩石胶结性质较差，叠加相对丰富的地下水影响，洞室围岩稳定、软弱围岩大变形问题非常突出。工程区地貌如图1所示。

图1 香炉山隧洞某施工隧洞工程区地貌影像图

隧洞建设工区属清水江-剑川岩溶水系统范围，地下水类型主要有孔隙水、基岩孔隙-裂隙水和裂隙-溶隙水。进口紧邻该岩溶水系统的排泄区清水江，其总体流向NW向，高程2 500～2 800 m，江边出露了较多泉水，明显泉水点有5个，较大的岩溶泉有2个。孔隙水主要赋存于全强风化带岩体内；裂隙水则主要赋存于基岩的微新岩体中。隧洞穿越Pβ、Nβ玄武岩类地层，以裂隙水为主，透水性较强，地下水丰富。且隧洞大部分穿越石灰窑断裂带，断裂还可能沟通上部岩溶水，带内岩体破碎，透水性相对较好，地下水丰沛。穿越石灰窑断裂带及全风化带岩体存在高外水压力、涌水突泥等问题。

1.2 塌方涌水概况

桩号XLS5K0+065～XLS5K0+067洞段上台阶开挖支护施工过程中，洞内正进行钢支撑安装时，顶拱突然塌方。塌方沿洞长约2 m，宽约7 m，塌方高度约1～1.5 m。为避免塌方情况恶化，在围岩稳定后继续完成剩余系统支护施工。支护完成后该段发生二次塌方，此次塌方将上一循环施作的超前注浆小导管和两榀钢支撑范围的系统支护全部破坏，二次塌方最大块体直径约1.5 m，塌方范围沿轴向长度扩大至4 m左右(XLS5K0+065～XLS5K0+069)，宽度扩大到9 m，高约4 m。开挖后对该段地质情况进行分析，围岩主要为全-强风化安山质玄武岩，呈块状、散体结构，部分泥化严重，有滴状渗水，属Ⅴ类围岩洞段塌方。顶拱塌方情况如图2所示。

图2 顶拱塌方情况

桩号XLS5K0+114～XLS5K0+115顶拱发生塌方，塌方部位为正顶拱偏左，塌方体主要为松散、碎块结构体，塌方持续时间约1 h后，塌方部位开始涌水，施工方立即投入2台潜水泵进行排水，累计抽排46h后，排完洞内积水，按85%的排水效率，预估洞内渗水量约为80 m3/h。该段处于断层影响带，围岩为灰绿色-灰白色安山质玄武岩，岩体碎裂多泥化，岩性软弱，性状极差，为Ⅴ类围岩。掌子面左侧顶拱有管状流水，右侧顶拱有面状流水，总水量约10～15 L/s。同时，在此桩号后的开挖过程中，掌子面超前探孔以及顶拱排水孔持续出水，单孔最大出水量达1～2 L/s，总出水量达6～7 L/s，且岩体泥化、遇水软化现象非常明显，在渗压作用下岩体自稳能力极差。涌水情况如图3所示，排水情况如图4所示。

图3 岩体泥化及掌子面涌水情况

图4 超前探孔及排水孔排水情况

2 塌方涌水灾害治理措施

2.1 软岩变形的开挖支护措施

香炉山隧洞某施工隧洞每个收敛监测面共布设5处测点，监测点位置如图5所示。

图5 监测点布置

以桩号XLS5K0+115边墙两侧变形为例分析。安装埋设后开始每日收敛变化量约在2 mm左右，2019年05月11日右侧边墙塌方每日收敛变化量达到10 mm左右，采取工字钢对撑措施来缓解变形，每日收敛变化量达到5 mm左右。右侧塌方灌浆处理期间，由于灌浆量较大导致右侧边墙变形使对撑工字钢屈服，过程中经持续监测每日收敛变化量达到26 mm，灌浆停止后收敛变形逐渐稳定。此后随着隧洞底板混凝土的浇筑，边墙变形速率逐渐趋于稳定。位移曲线如图6所示。

图6 桩号0+115 mDE收敛监测位移曲线图

综合分析顶拱塌方和边墙发生失稳变形的原因，主要是由钢支撑底角缺少约束造成。增设钢仰拱或浇筑混凝土底板后对洞室的稳定性起决定性作用。然而，考虑洞室开挖过程中钢支撑仰拱扩挖部位形成超挖，造成钢支撑悬空。同时，本工程底板混凝土内布设双层钢筋，综合建基面清理及钢筋绑扎，一仓底板混凝土备仓约需72小时以上，长时间备仓容易造成钢支撑缺乏约束造成隧洞边墙失稳。因此，为尽快在开挖后形成环状受力支护结构，采用以下方案简化合并仰拱和混凝土底板混凝土的施工程序：

在底板混凝土总的含筋量基本不变的情况下，钢支撑仰拱扩挖部位取消，直接在结构混凝土底层钢筋高程安装仰拱支撑并与两侧工字钢焊接，然后满喷C20混凝土，使钢支撑尽快成环受力。

底板混凝土部位开挖完成后，及时在结构混凝土上层钢筋高程位置安装另外一个钢支撑并与两侧工字钢焊接，取消底板钢筋，仅保留边墙钢筋，然后及时浇筑混凝土使钢支撑成环受力，如图7所示。

图7 简化底板混凝土布置

通过总结发现，塌方多出现于拱顶，对于这种情况总结得出应采用小导管和超前锚杆的联合支护形式进行超前支护。在超前支护的基础上，采用预留核心土开挖方法，每次开挖循环0.6～1.2 m进尺。上半断面环形部分采用密孔距、低单耗、控制最大单段药量等控制爆破方法或人工风镐配合挖掘机开挖。核心土主要为反压作用，同时核心土可作为超前小导管施工和架设钢架的作业平台。超前小导管，钢拱架施工完成后开挖核心土，同时采取系统锚杆、挂网喷混凝土喷锚支护等及时施工，与超前支护接成整体，更好地发挥联合支护作用。同时，为防止因开挖后掌子面卸荷回弹带动顶拱及边墙两侧岩体变形进而产生塌方灾害，对掌子面周边1 m范围内喷射混凝土加固限制其进一步变形。

2.2 涌水灾害治理措施

本文结合现场断层破碎带中往往伴含水丰富且水压力较高的情况，针对富水断层破碎带洞段，提出“先探后掘，以堵为主、堵排结合、统筹兼顾”的总体思路和原则。

首先进行超前地质预报，基于超前地质预报结果及开挖围岩素描采用动态设计管理。

随后，对于股状小流量涌水，遵循“表面及侧向有序引排、周边浅层固结、深部灌浆封堵”的思路。对于股状大流量突涌水，遵循“表面有序引排、深部泄水降压、浇筑止浆墙、浅层固结、择机封堵或可控排放”的思路。

在上述思路中，超导管注浆或对掌子面进行超前注浆是治理的关键技术，通过进行注浆形成全断面帷幕，可达到堵水和加固围岩的目的，具体施工方案根据超前地质钻孔揭露的地质情况和地下水情况选用以下两种方案进行施工：

1)超前小导管注浆。当开挖面仅采用抽水满足不了排水要求时且外水压力小于1 MPa，围岩节理发育，岩体强度较低但岩石十分软弱的情况下，采用超前小导管对掌子面周边进行全断面注浆。加固底层同时封堵地下水，减少渗水对隧洞施工的影响。小导管采用Φ42×3.5 mm无缝钢管，纵环向间距3.0×0.3 m，L=4.5 m，外插角25°～30°，周边全断面注浆，注浆加固长度为4米，加固范围为开挖线外2～3米，开挖3米后，再进行下一循环注浆，如图8所示。

图8 超前小导管注浆示意图

2)掌子面帷幕灌浆。当围岩较差，涌水量较大且外水压力大于1 MPa时，对掌子面进行帷幕注浆堵水。注浆要按照先外后内，间隔钻孔，逐步加密，随钻随注的方式进行，用后序注浆孔检查前序注浆孔的注浆效果，开挖时辅以小导管超前支护。帷幕注浆治理措施施工关键技术施作步骤及工艺要求应符合以下描述：

帷幕灌浆施工前应先分析超前地质预报提供的信息，掌握地质情况以及地下水分布部位和特点，采取相应的超前灌浆材料和灌浆工艺。对于本工程中岩层较破碎且掌子面和边顶拱已经出现明显集中涌水的情况，应在掌子面浇筑混凝土止浆墙，必要时采用钢筋混凝土止浆墙，超前灌浆钻孔应在止浆墙混凝土强度达到 75%后进行。后续洞段超前灌浆利用前一循环灌浆时的搭接段作为岩体止浆墙。

单个注浆钻孔的作用范围根据岩层裂隙(岩溶)发育情况、含水层分布情况、断面大小和钻孔作业要求而定，注浆孔自掌子面沿开挖方向，以隧洞中轴为中心呈伞状布置。按照先外后内，间隔钻孔，逐步加密的方式进行钻孔。钻孔外偏角10°～15°，钻孔按照先外后内，间隔钻孔，逐步加密的方式进行钻孔，开孔直径Φ90，终孔直径Φ75。注浆孔布置方案、孔底间距孔口位置、钻孔偏角等详见帷幕预注浆堵水示意图，如图9所示。

单孔注浆方式可分为分段式注浆和全孔一次注浆。本工程富水破碎带围岩裂隙发育或破碎，难以成孔，为避免灌浆过程中绕塞冒浆，促使浆液在岩层裂隙中均匀扩散，保证注浆质量，提高注浆堵水率，本工程分段前进式注浆方法。分段注浆的分段长度根据岩层裂隙发育程度、涌水量大小而定。考虑到玄武岩破碎带成孔条件差，且浆液扩散程度难以进行预测，注浆循环长度不宜过长，为保证注浆质量，超前预注浆每孔注浆段长度为 20 m。同时，为使浆液在岩体裂隙中充填扩散，严格控制注浆压力。注浆压力与岩层裂隙发育程度、涌水压力等其他因素有关。注浆前要首先测定地下水静水压力。设计终压值即为所测的地下水静水压力加上1.5～2.0 MPa。在溶洞有充填物及细小裂隙段，注浆终压宜加大。

图9 帷幕预注浆纵断面示意图

对于当前严重扰动的破碎段的处理措施需根据前述灌浆实验的注浆效果而定。由于岩土体结构松散，且地下水通道发育，易发生水流较大的情况。采用普通硅酸盐水泥注浆受地下水流动的作用的注浆效果一般，扩散范围较小。因此，根据出水量的大小进行复合注浆。对于出水量较小的测孔(小于100 L/min)，直接采用0.5∶1纯水泥浆灌注；对于出水量较大的测孔(大于100 L/min)，采用0.8∶1水泥浆掺加10%～25%水玻璃灌注，若涌水较大且外漏较严重时，掺入水溶性聚氨酯等化学材料灌注。

循环帷幕注浆完成后，在突水点中间部位或可能存在渗水隐患的部位施工3个探水检查孔，探测孔深度比系统灌浆孔小1～2 m，单孔出水量小于5 L/min说明涌水量很小灌浆效果良好。若仍存在较大渗水，则再结合前期的钻孔灌浆情况进行针对性的随机加密短钻孔灌浆封堵，直至出水量较小封堵满足要求。加密孔根据渗水情况与前期堵水灌浆孔交叉并随机布置。同时，由于止浆墙外侧存在死角，为确保安全，可增加两个循环的小导管注浆加固。

现场隧洞试验段采用上述研究确定的塌方及涌水灾害治理措施效果明显，围岩开挖后整体稳定性显著增强，局部塌方次数减少，掌子面及边顶拱出水量明显减少，堵水较为成功。

3 结语

结合滇中引水工程大理I段香炉山隧洞某施工隧洞应对塌方及涌水灾害的处理措施，对穿越不良地质段的隧洞灾害特点和治理关键技术进行了深入研究，初步得出以下结论：

针对断层破碎带、软岩等不良地质洞，严格遵循“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的施工基本原则。开挖前采取超前支护，开挖后及时采取喷锚-钢拱架联合支护，合理设置开挖方法尽早使支护结构闭合成环，并适时实施二次衬砌。

断层破碎带及富水洞，优先采用“先探后掘，以堵为主、堵排结合”的施工原则。优化确定掌子面帷幕超前注浆的治理工艺，将隧洞施工过程中的突涌水风险降至最低，并做好抽排措施。