不良地质条件下的长隧洞施工方案分析

邹方元

(四川省长葫灌区管理局，四川 威远，642450)

1 工程概况

“引新济葫”工程是四川省长葫灌区“十四五”规划的重要水源工程，从威远河右岸支流新场河引水到葫芦口水库。新场河流域面积225km2，方案坝址集水面积54.9km2，年平均引水1090万m3，充分利用长沙坝、葫芦口水库多年调节功能，实现“空间均衡”，有效解决灌区用水矛盾和挤占生态环境用水问题。

工程包含3部分：拦河取水工程、引水工程和库区防护工程。引渠线路总长度6434m，其中隧洞长度6370m，城门洞结构型式，尺寸2.2m×2.84m(宽×高)，底坡1∶1600，设计引水流量6.0m3/s，为本项目控制性关键工程。

2 不良地质概况

一条6km多的超长隧洞占引水线路总长的99%，穿越地质条件复杂多变的威远穹窿地质，断层分布多，地下水丰富，有害气体广泛产生。

2.1 断层分布

隧洞线路区主要构造形态为威远背斜及其次级构造，于张家沟上游附近与威远穹窿背斜长轴以约30°的角度斜交，张家沟以东威远背斜形态清楚，其西受褶曲、断层影响，背斜轴线不清楚，背斜发育较多次级褶曲及小断裂，其中岔口岩、奔岩口、张家沟、石油厂、马鞍山等地较为集中。与引水线路相交的断层有7条，另外还有14条断层距离引水线路35m～550m，极有可能影响工程施工。引水线路附近断层分布及特征见表1。

表1 引水线路相交断层分布及基本特征

2.2 地下水分布

引水线路所在地均为碳酸盐岩分布区，顶部为三叠系上统须家河组碎屑岩夹煤层地层，地下水类型按其赋存条件主要分为第四系松散堆积层的孔隙水，基岩裂隙水和岩溶水三大类，岩溶水根据其化学成分又可分为重碳酸盐类水和硫酸盐类温泉水两种类型。钻孔中各层含水层水位情况见表2。

2.3 有害气体分布

威远穹窿背斜的隆起，导致周围产生了大量次级构造，据统计，背斜范围内有200多个次级小型褶皱和断层，有害气体沿广泛分布断层与裂隙得以上升。威远河白龙寺-水口寺、新场河石油厂-邱家店一带均发现大量含硫化氢的有害气体溢出地表。邱家店矿坑处溢出地表的硫化氢气体具有极刺鼻的臭鸡蛋味，同时还含有大量甲烷气体，成人在矿坑边站立几分钟便感觉到头痛、头晕。

表2 隧洞区钻孔水位情况统计

引水线路位于威远穹窿背斜核部附近，底板在穿越威远穹窿背斜核部时距承压水顶板最小距离仅约9m，且有F13断层及较多竖向裂隙与隧洞连通。硫化氢、甲烷等有害气体沿这些上升通道从硫酸钙型的区域性承压水中大面积溢出到引水隧洞中的可能性较大。

3 施工主要问题

3.1 围岩稳定问题

隧洞围岩以Ⅳ～Ⅴ类为主、占比81%，围岩稳定性差，成洞困难，施工开挖中围岩易产生大规模变形和失稳，施工中应及时采取支护措施和排水措施，并及时进行隧洞永久衬砌。Ⅲ类围岩、占比19%，完整性较好，构造裂隙多闭合，岩体呈次块状-碎裂镶嵌结构，围岩局部稳定性差，可能产生变形和小规模垮塌，应及时采取相应支护措施。同时，Ⅲ类围岩中也可能出现断层及构造破碎带和地下水活动强烈带等不良地质洞段，其围岩类别也应相应降为Ⅳ～Ⅴ类。施工中应根据实际开挖揭示的地质条件，采取相应的支护及衬砌措施。

3.2 地下水的影响问题

T2l1-2含水层为潜水含水层，无腐蚀性，位于隧洞洞身以上2m～120m。进口桩号0+181.7～0+343.0段和出口桩号6+259.7～6+581.0段含水层位于3倍洞径范围，因此，在隧洞进、出口段开挖时，应注意加强排水，并对开挖洞段及时封闭和衬砌。

T1j5-1层承压含水层厚23.09m～39.36m，本身无腐蚀性，局部裂隙、断裂等构造将其与下部区域性承压含水层连通时具有腐蚀性。本层主要为中厚-厚层状白云质灰岩，隧洞在引水线路桩号1+585.3～3+665.3和4+508.2～5+421.2段穿越该层，穿越长度为2993m。隧洞开挖过程中穿越该层含水层时，所遇单位长度涌水量为0.04L/s～1.05L/s，当遇到岩体裂隙密集带或断层破碎带时，最大涌水量有可能达到64.21L/s～493.74L/s。开挖经过此段承压含水层时应做好超前地质预报，监测地下水的动态、流量变化情况，及时封闭和衬砌，并做好遭遇大流量地下水的应对方案。

赋存于T1j4-1及T1j3白云岩、白云质灰岩、泥质灰岩中的硫酸盐类温泉水为区域性承压水含水层，厚144.68m～162.99m，SO42-含量586mg/L～2087mg/L，具有强腐蚀性，局部溢出于T1j4-3的白云质灰岩层中，隧洞未直接穿越该区域性承压含水层，但在穿越威远穹窿背斜核部附近时，隧洞底板距该承压水顶板最小距离仅约9m，且有断裂带及较多竖向裂隙与隧洞连通。在隧洞开挖过程中，强腐蚀性的硫酸盐类温泉水沿这些上升通道大面积溢出到隧洞中的可能性较大。隧洞开挖经过威远背斜核部附近时，应监测硫酸盐类温泉水的动态、流量变化情况，及时封闭和衬砌。

3.3 有害气体的影响问题

由于威远穹窿构造的影响，威远背斜核部聚集大量硫化氢和甲烷气体，隧洞在穿越威远背斜核部时硫化氢、甲烷等有害气体沿断裂带、竖向裂隙等上升通道大面积溢出到引水隧洞中的可能性较大。建议施工过程中实时监测硫化氢和甲烷气体的浓度，做好遭遇有害气体的应对方案。

4 不良地质段施工措施

4.1 严格按规范开展监测

有害气体的监测以《水工建筑物地下开挖工程施工规范》(SL 378-2007)、《水利水电工程施工作业人员安全操作规程》(SL 401-2007)、《水利水电工程施工通用安全技术规程》(SL 398-2007)、《煤矿安全规程》、《防治煤与瓦斯突出细则》、《铁路瓦斯隧洞技术暂行规定》为主要依据进行有害气体监测、控制。有害气体控制标准见表3。

表3 有害气体的允许含量

4.2 实施超前探测

利用防爆地质雷达对开挖面至前方60m范围进行超前探测，了解其地层构造和含气含水状况。对探测出的裂隙发育、连通性好的含气层或较大的气囊，用150型地质钻机进行超前钻探，对有害气体进行判断，并通过钻孔排放有害气体。在每个开挖循环作业之前，加强局部钻孔以便对开挖面前方5m范围进行探测，判断是否有有害气体逸出。

4.3 加强施工通风

通风是降低有害气体浓度、防止有害气体积聚的最有效手段。通风可以不断向洞内送入新鲜空气，排出有害气体和降低粉尘浓度，从而改善洞内施工环境，确保洞内施工安全和人体健康，提高生产效率。通风量至少应满足洞内空气含氧量不得少于20%，并保证洞内施工人员每人每分钟能获得4m3的新鲜空气，严格控制粉尘允许浓度，杜绝洞内有害气体浓度超标。从洞口至洞内1000m以内采用一台风机一道管路压入式通风；施工进入洞内1000m以上时，采用两台风机两道管路压入式通风，以满足施工要求。

4.4 强化施工防护

隧洞内机械设备均采用防爆、阻燃型，在有害气体含量高的地段施工，作业人员必须携带个体自救器。爆破采用煤矿许用安全炸药以及非电毫秒起爆系统和电雷管引爆，在洞内人员全部撤离后，洞外起爆。通风后，先由救护人员带灭火器、自救器及检测仪进入工作面，经检查无燃烧、无有害气体涌出后再供电，待检测各种有害气体浓度降至安全标准以下后，才能开始出渣作业。

4.5 采取灌浆封闭

对有害气体含量较高，地下水丰富的地段，为施工及营运安全，采用小导管注浆封闭周边围岩裂隙，防止有害气体渗漏，超量涌水的发生。使用φ42钢管钻梅花孔，管长6.0m～8.0m，沿开挖周边以5°～8°外插角钻孔，钢花管插入孔内，孔口用锚固剂堵塞缝隙。注浆用水泥-水玻璃双液浆掺BR增加型防水剂，其配合比、注浆压力现场试验确定。

4.6 优化混凝土支护

对断层破碎带、软弱夹层等地质缺陷采用超前锚杆、管棚进行预支护，在预支护的保护下采用“短进尺、弱爆破、强支护、常观察”的施工原则进行施工。临时支护采用气密性喷混凝土封闭瓦斯，二次衬砌采用全封闭复合式衬砌，浇筑气密性混凝土，气密性混凝土渗透系数小于10×10-11cm/s，防止有害气体逸出。

5 结语

通过长隧洞不良地质条件下施工技术方案的研究，有针对性地优化施工方案，提高隐患风险的预见性，更好的规避安全风险，确保施工安全，可以大幅提高施工工作效率，实现经济效益和社会效益双丰收。