观景口水利枢纽岩石顶管隧洞关键技术问题及处理措施

朱发勇，孙 毅，王永生

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，300222，天津）

一、地质条件

观景口水利枢纽输水线路经过地区的地貌类型主要为构造剥蚀地貌与岩溶地貌两种类型。其中构造剥蚀地貌发育在侏罗系地层中，表现为丘陵和低山；岩溶地貌发育于三叠系碳酸盐岩地层中，表现为与区域构造线方向一致的条状槽谷，槽谷内形态包括槽丘、槽坡、槽沟和槽洼等。

工程区地层主要为三叠系碳酸盐岩与碎屑岩、侏罗系红层，碳酸盐岩岩溶发育，而侏罗系红层埋深段泥岩可能存在塑性变形；发育有滴水岩（F17）断层，而大部分洞段位于地下水水位以下，可能存在突水和涌水问题；须家河组碳质页岩段可能存在围岩坍塌卡管问题。

输水隧洞围岩以Ⅳ类为主，其次为Ⅴ、Ⅲ类，围岩稳定性差。隧洞段主要的地质问题有碳质页岩塑性变形卡管、岩溶、突水和涌水、断层破碎带卡刀盘等，地质条件较为复杂。

二、关键技术问题及处理措施

1.卡管问题及处理措施

隧洞顶管掘进过程中，在1号、2号和3号隧洞一共出现了5次较为严重的卡管事故，影响了施工进度。其中4次在Ⅴ类围岩中，由于岩体完整性较差，围岩坍塌导致的卡管；1次为顶管掘进中产生大量细砂沉渣，沉渣与膨润土泥浆混合沉积在隧洞底部，管壁与围岩紧密结合将水泥管抱死而卡管。以下按时间顺序分析如下。

（1）第一和第二次卡管分析及处理

①卡管情况

第一和第二次卡管发生在2号无压隧洞顶进过程中。输水线路2号无压隧洞全长1 258.52 m，隧洞进口和出口分别为2号连接井和3号连接井，单向顶进施工，作为试验段，2号无压隧洞顶进过程中共遇到2次卡管问题。2号无压隧洞碳酸盐地层中未揭露较大溶洞，地下水微弱，主要卡管原因为Ⅴ类围岩引发的洞顶坍塌卡管。

第一次卡管发生于2017年4月17日，当掘进到三叠系上统须家河组第一段碳质页岩10 m处时，因顶管阻力过大，造成管材受损，出现裂缝。

第二次卡管发生于2017年5月12日，掘进至桩号3+801.90处时出现顶管管侧阻力过大而卡管。

②卡管原因分析

根据现场查勘及检测分析，卡管的主要原因：一是地质复杂，围岩变形导致管材卡住。2号无压隧洞段已完成部分顶管，绝大部分属于Ⅳ类和Ⅴ类围岩，整体比较破碎，存在较长的须家河底部碳质页岩区，从掘进出渣情况看，地质变化快。地质问题导致管材与洞壁之间预留变形超挖量大部分因收敛而变小，通过破损管材与洞壁的接触情况以及地质雷达扫描验证，判断部分洞段管材与岩壁间已经没有间隙，管材和围岩已经接触。二是膨润土失效。卡管洞段地质情况复杂，裂隙多，膨润土流失严重且无法保持适当的压力。通过持续使用效果较好的膨润土，情况有所改善，但是流失仍比较严重，消耗量大，严重超出预期。三是边刀磨损及岩屑沉积。边刀磨损导致部分超挖量变小，管材与洞壁之间预留空间间隙变小。开挖下来的岩屑部分沉积在管材四周，也有部分与膨润土胶结，增大了摩擦力。颗粒状岩石填充了管材与洞壁之间的间隙，导致阻力增大。

③采取工程措施

根据上述卡管分析，确定卡管原因以地质因素占主导作用，其余因素为辅的综合原因。根据分析结果，采取了以下顺序进行处理：一是安装应变计，通过管材表面应力分布，判断管材主要受困点；二是在管材上钻孔，冲洗背后沉渣，完成后补注膨润土；三是破除管材，安装检测设备，对围岩收敛进行监测；四是根据变形监测结果，适时组织人手对管节破除部分进行支护，支护方式为环形钢拱架+喷锚；五是支护完成，采用高压水枪对临近管节外壁进行冲洗，扩大管道外壁与围岩间距，同时清理管道底部沉渣，减小管道顶进摩阻力；六是管道冲洗完成后闭合临时设置的中继间，并向前顶进，直至通过围岩破碎地带。

采取以上措施后，2号无压隧洞成功解决了两次卡管问题。由于2号无压隧洞作为实验洞段，经验不足，卡管处理时间较长，积累经验后，为后续卡管提供了较好的处理方案。

（2）第三次卡管分析及处理

①卡管情况

第三次卡管发生在3-1号无压隧洞，当掘进至桩号7+620.00处时，由于顶管阻力过大而停止掘进。

②卡管原因分析

3-1号无压隧洞岩性为粉砂质泥岩与细砂岩不等厚互层，岩体较完整，地下水微弱，围岩类别以Ⅲ类和Ⅳ类为主，在膨润土泥浆护壁下，洞顶不易坍塌。隧洞埋深200～250 m，软岩可能出现塑性变形问题，在设计和施工时已预留塑性变形量，泥岩塑性变形不会引发卡管问题，这在后续3-2号无压隧洞施工时得到了证实。

究其卡管的主要原因是管内沉渣较厚，特别是8+310.00～8+530.00段，岩性为细砂岩，顶管掘进中产生大量细砂沉渣。沉渣与膨润土泥浆混合，将管壁与围岩紧密结合而将水泥管抱死。

③采取工程措施

吸取第一次和第二次卡管处理的成功经验，在3-1号无压隧洞顶进过程中，对底部沉渣及时清理，后续顶进过程中较为顺利。

（3）第四和第五次卡管分析及处理

①卡管情况

第四次及第五次卡管发生在1号无压隧洞顶进过程中。1号无压隧洞双向顶进施工，从2号连接井往1号连接井顶进过程中共遇到2次卡管问题。第四次卡管发生在1号无压隧洞，2+288.4～2+208段，出现洞顶坍塌卡管。第五次卡管发生在1号无压隧洞，当掘进至桩号2+139.20时，须家

河组碳质页岩段又发生坍塌卡管。②卡管原因分析

卡管隧洞段地层时代为三叠系中统雷口坡组，岩性为灰岩、灰黑色页岩、岩溶角砾岩、夹白云质灰岩，岩体完整性较差。在桩号2+195.00～2+140.00处，从机头取样检查，揭露出三叠系上统须家河组底部岩性为灰黑色碳质页岩夹煤线，遇水易软化，为Ⅴ类围岩。结合第一次和第二次卡管的经验，这两次卡管主要原因为围岩变形导致管材与岩壁接触增大了阻力，围岩裂隙多，膨润土流失严重且无法保持适当的压力而导致的卡管。

③采取工程措施

根据分析，基本确定卡管原因同第一次和第二次卡管。结合1号无压隧洞的实际情况，通过采取管材破除，围岩收敛观测、支护、管道冲洗、清渣、管节闭合、向前推进的处理流程，卡管问题得到了解决。

2.突涌水问题及处理措施

输水线路6号无压隧洞进口和出口分别为12号连接井和13号连接井，双向顶进施工，从12号连接井往13号连接井方向为6-1号无压隧洞，反向顶进为2-2号无压隧洞。

6-1号无压隧洞掘进至14+532.00～14+542.00一带，该段为三叠系须家河组砂岩地层，地下水骤增，其中有2处大出水点，随掘进水量不断增大，机头处因排水量不足而被淹，对施工进度造成了影响，于14+550.00处停止掘进而回退。回退后，经过研究，决定对该涌水段采取打孔，注浆封堵的处理措施。该段经处理后，基本达到预期封堵效果。

6-2号无压隧洞掘进至桩号14+869.00～14+829.00时，出现较大涌水，桩号14+649.00～14+642.00段接近F17断层，对施工有一定影响。经过研究，决定对F17断层带采取固结灌浆，对地下水进行封堵。采取固结灌浆后，效果良好，保证了正常施工。

3.断层破碎带卡刀盘问题及处理措施

6-2号无压隧洞掘进至明月峡背斜北西翼，遇到F17断层破碎带，对施工造成了影响。根据地质勘察，预判到顶进过程中会遇到F17断层破碎带，在顶进之前调整了机头附近段备用中继间的间距，当遇到断层引起阻力增大时，启用备用中继间。顶进过程中，揭露到F17断层破碎带后，因围岩破碎，2020年5月20日在14+624处发生洞顶塌陷，卡住刀盘。经洞内探孔，断层破碎带宽约20 m，距离隧洞贯通还有50 m左右，为确保隧洞的顺利贯通，经各方讨论后，决定自6-1号无压隧洞方向打注浆孔，同时在机头处打孔注浆，对20 m范围内的破碎带全面固结后，注浆孔于6月初开始施工，7月初结束，注浆历时1个月，然后启动中继间继续掘进，后续基本顺利，隧洞于2020年8月8日贯通。

4.岩溶问题及处理措施

1号无压隧洞，桩号2+425.00～3+240.00段的地层时代为三叠系下统嘉陵江组，其中2+425.00～2+837.00段、2+930.00～3+110.00段岩体完整，岩性以灰岩为主夹白云质灰岩，未揭露溶洞，为Ⅲ类围岩。2+837.00～2+933.00段位于桃子荡背斜轴部地带，地表为岩溶槽谷，地下岩溶发育，在不足100 m的范围内揭露大小5个溶洞。

（1）1号溶洞及处理

1号无压隧洞于2+933.30～2+926.30处揭露溶洞（1号溶洞），溶洞高约2m，沿隧洞轴线方向长约7m，溶洞向隧洞右侧壁下方延伸，与深部岩溶管道相连，左侧壁可能与地表落水洞相通。经调查，溶洞顶板及侧壁基本稳定，洞底有历史坍塌的大块石及黏土。该溶洞下部约2 m又发育有一小溶洞。

经设计研究采取处理方案为：对一层溶洞，清除岩石表层泥土及浮渣，凿成麻面，混凝土和岩石接触面应打入插筋，顶部混凝土与岩石连接面需凿成楔形面方便混凝土填满，采取浇筑钢筋混凝土封闭左右两侧溶洞；对二层溶洞，先清除表层泥土并清洗干净，放置两根直径300 mm的PVC管，管道底部高程与上下游协调保证排水通畅，做好管口防堵塞措施，然后回填混凝土，回填长度应超过第一层溶洞中的侧墙外侧一定距离，采取以上工程措施后，减小了膨润土泥浆压力，防止膨润土流失，恢复顶管掘进，处理历时20天。

（2）2号溶洞及处理

1号无压隧洞于3+856.40～3+850.40揭露溶洞（2号溶洞），溶洞宽6 m，隧洞底板向下深约8 m，底部有管道向下连通。吸取1号溶洞处理的成功经验，经过设计研究决定，采取沿溶洞侧壁放一排水导管，溶洞底部用沙袋堵填，上部用混凝土填至隧洞底板，减小了膨润土泥浆压力，防止膨润土流失，经5天处置恢复了顶管掘进。

（3）3号溶洞及处理

1号无压隧洞于2+803.00处揭露一小溶洞（3号溶洞），溶洞呈不规则长条状，长约3m，最宽处约1.7 m，上部下部均有宽大溶隙与深部及地表相连。经研究采取对溶洞进行混凝土充填，充填6 m3混凝土，减小了膨润土泥浆压力，防止膨润土流失，于2020年6月30日恢复掘进。

（4）4号溶洞及处理

1号无压隧洞于2+888.40处揭露溶洞（4号溶洞），宽约1.6 m，刀盘下方深约60cm，经充填混凝土约1m3，减小了膨润土泥浆压力，防止膨润土流失，后恢复掘进。

（5）5号溶洞及处理

5号溶洞位于隧洞侧壁，由于溶洞较小，未见向远处延伸，采取减小膨润土泥浆压力、防止膨润土流失措施，顶管快速安全通过。

三、结 论

针对顶管隧洞施工过程中遇到的关键技术进行了分析研究，并结合现场实际情况提出了针对性措施，解决了掘进过程中的关键问题，为类似工程技术问题提供有益的参考。

①在Ⅴ类围岩中，由于岩体完整性较差，围岩容易坍塌，坍塌后，围岩与预制管道连为一体而抱死，出现卡管现象，可通过监测确定卡管位置，然后破除预制管道，采取高压冲洗、掏渣、立拱架及弧形台支撑等措施，恢复顶进工作。

②在围岩较好的洞段，也会出现卡管现象。这是由于顶管掘进中产生大量细颗粒沉渣，沉渣与膨润土泥浆混合，将管壁与围岩紧密结合而将水泥管抱死。可采取在顶进过程中经常清理沉积在管道底部的沉渣措施，有效减少顶进阻力。

③涌水洞段会使膨润土泥浆流失，增大阻力，影响施工。通过钻孔注浆并封堵，可基本达到预期效果。

④围岩破碎带洞顶容易塌陷卡住刀盘，可通过机头前的天窗向掌子面打孔注浆，对破碎带全面进行固结灌浆，恢复顶管掘进。

⑤岩溶地段溶洞较多，容易对顶管施工造成不利影响，施工过程中应加强监测和预报，提前发现前方存在的溶洞，以便及时采取侧墙封闭、回填封堵等措施，保证正常施工。