喀斯特地区隧洞地质问题与处理措施研究

白文学

（云南能阳水利水电勘察设计有限公司，云南 曲靖 655000）

1 工程概况

中国烟草云南宣威大型引水济榕工程取水水源为热水镇窑上海子水库，水库总库容3075 万m3。引水线由进口首部引水明渠段、中部隧洞段、出口暗涵段组成，全长10740.3m。引水线建筑物主要以隧洞为主，隧洞长7157.3m，设计总体为无压洞，局部有压洞。隧洞断面2.2×2.6m，设计过水流量4.4m3/s。于隧洞K1+054m、K2+712m 及K4+894m 分别设1#、2# 及3# 三个施工支洞，长度分别为263m、319m 及498m，支洞总长1080m。

2 区域地质

2.1 地形地貌

区域地处云贵高原东部牛栏江与北盘江分水岭地带，海拔高程1653～2678.2m，隧洞进出口高程2023～2134m。区域北西部受宣威西泽小江深切，形成高差达300m 以上的中山峡谷地形。小江与牛栏江交汇口岔河高程1653.0m，为工程区域最低排泄基准面。引水隧洞工程处于滇东北喀斯特地区，隧洞沿线碳酸盐岩大面积分布，地表岩溶漏斗、洼地及落水洞等岩溶发育，总体属岩溶洼地及孤山、残丘、溶蚀中低山地貌，岩溶地貌单元为峰林洼地。

2.2 地层岩性

引水隧洞通过地层主要为古生界石炭系（C1-3）生物骨屑灰岩、鲕状灰岩为主夹白云岩（总厚69.6～674m）；二叠系栖霞～茅口组（P1q+m）灰岩、虎斑状灰岩、白云质灰岩及白云岩（厚237～645m）。属中厚层状、厚层次块状～块状结构中硬岩体。隧洞进口K0+000～K0+340 及隧洞中后段K0+144～K4+450 为二叠系下统梁山组（P1l）石英砂岩、粉砂岩夹炭质页岩及薄煤层（厚度5.4～124.8m）。除石英砂岩、粉砂岩为中～厚层状较坚硬～坚硬岩体外，泥页岩及薄煤层均为薄～中厚层状软质岩。其中石炭系与二叠系地层中硬岩～较坚硬岩体总长6496.3m，占洞长的90%；二叠系下统梁山组软质岩（局部较坚硬～坚硬岩）661m，占洞长的10%。

2.3 地质构造

工程区域地处杨子准地台滇东台褶带曲靖台褶束宣威凹褶南西侧。区域构造以近东西向为主，近南北向及北北东向次之，构造形态由褶皱及断层组成。工程区区域断裂构造发育，区域断层主要为花鱼洞～归沙河断层（F6）、红石岩断层（F9）、黎山断层（F13）及磨嘎断层（F14）。引水隧洞穿越火石坡复背斜，无较大断裂通过，局部发育小断层及层间挤压破碎带（f1～f4），地质构造以褶皱为主。上述区域断裂构造均展布于引水隧洞线外围，对隧洞的稳定与安全没有直接影响或影响较小，但对工程区域地质体的结构、岩体的完整性、岩溶的发育程度及地下水的补给迳流排泄有影响。

引水隧洞线以岩溶水为主。C1-3碳酸盐岩含水层组岩溶发育，其透水性富水性强～较强，地下径流模量为11.97l/s·km2，区内泉水点出露较多，流量为0.2～2680l/s；P1q+m 碳酸盐岩岩溶含水层组岩溶十分发育，富水性强，地下径流模量为17.42l/s·km2，区内泉水点出露较多，流量为1～1020l/s。基岩裂隙水主要赋存于P1l 及局部C1强风化砂页岩风化裂隙及下部构造裂中，区内泉水点少出露，流量较小为0.01～1.0l/s，富水性弱。C1-3与P1q+m 的接触带则富水性相对较强。引水隧洞线前段地下水向北西方向的窑上海子水库排泄，最终向北西侧牛栏江支流西泽河方向排泄，属长江流域；而隧洞后段地下水则向南东方向的规沙河排泄，属珠江流域。因此，引水隧洞线处于滇东北喀斯特地区岩溶发育的两个不同水文地质单元，水文地质条件复杂。

3 隧洞地质环境

3.1 隧洞轴线布置

引水隧洞轴向S18°E，岩层走向S50°W，洞轴线与岩层走向呈50°～69°大角度斜交，洞轴线的布置有利于隧洞稳定。隧洞沿线岩层呈背向斜倾向北西或南东，倾角较平缓为10°～24°；于褶皱轴部或不同地层岩性接触部位岩层变陡，尤其P1l 与其他地层接触部位岩层多褶曲，倾角陡倾为46°～57°。隧洞进口埋深8m～34m，中后段埋深3m～114m，部分地段埋深较大为170m～260m。

3.2 隧洞围岩类别

引水隧洞全长7157.3m，隧洞埋深8m～260m，地下水高出隧洞顶板20m～85m，部分地段地下水位于隧洞顶板附近。洞身多处于弱微风化岩体内，洞段处于强风化带内。按《水利水电工程地质勘察规范》GB 50487-2008，地下洞室围按其稳定性共划分为Ⅰ～Ⅴ类。本工程根据岩体地质结构及水文地质条件等，将隧洞围岩划分为Ⅱ类基本稳定、Ⅲ类局部稳定性差、Ⅳ类～Ⅳ类偏差不稳定及Ⅴ类极不稳定四个围岩类别。隧洞围岩总体以Ⅲ类为主，长3711m，占隧洞总长的52%；Ⅳ类围岩长1002.3m，占隧洞总长的15%；Ⅳ类及Ⅳ类偏差围岩长1496m，占隧洞总长的18%，少部份为Ⅱ类围岩长948m，占隧洞总长的13%。溶洞发育及地下水丰富部位，常发生较大规模的塌方、涌水涌泥等不良地质问题，围岩不稳定性-极不稳定。

4 主要工程地质问题

隧洞围岩主要以灰岩为主，溶洞、溶隙等岩溶发育。受区域构造影响，岩体节理裂隙发育，于断层破碎带、挤压破碎带及节理密集带、软硬岩体接触带等部位岩体较破碎。经施工阶段地质编录统计：隧洞揭露具有一定规模和大小的溶洞110 多个，溶洞直径1.2m～26.4m 不等，泥沙全充填～局部充填或无充填。揭露具有一定规模大小宽度0.2m～5.0m 的断层及挤压破碎带60 多条。这些薄弱部位洞室围岩稳定性差，较易发生不良工程地质问题。本工程因隧洞开挖而引起的主要工程地质问题分为地下与地面两个方面。地下工程地质问题为：大溶洞、充填泥沙溶洞、洞内破碎岩体、软岩塑性变形岩体段的塌方；软岩砂泥岩与中硬岩灰岩接触带、溶洞及构造强含水层富水带的涌水涌泥及掉块、片邦和冒顶等；洞外地面不良环境工程地质问题为地表泉水、库水枯竭及地面塌陷引起的房屋开裂变形。

4.1 隧洞塌方

隧洞Ⅳ～Ⅴ类围岩破碎岩体较易发生塌方。塌方主要与断层、节理裂隙、层面等结构面、溶洞、岩石强度、岩体的完整性及地下水有直接或间接的关系。在断层破碎带、沟谷交汇、结构面发育、隧洞浅埋、地表迳流与地下水丰富的洞段易产生塌方。

本引水隧洞工程Ⅳ类偏差～Ⅴ类围岩主要分布于进口K0+000～K6+744 隧洞各段，隧洞埋深多在30～50m，少部份埋深60～100m 左右。其中：进口K0+000～K0+340 及中后部洞身段K4+144～K4+465 围岩主要为P1l 砂泥岩及薄煤层；其余洞段围岩为C1-3、P1q+m 灰岩。Ⅳ类围岩分布于K0+478～K7+157.298 隧洞各段，隧洞埋深多在30～150m不等。其次C1-3、P1q+m 各地层的分界线、接触带、背向斜轴部、断层破碎带、挤压压碎带、节理密集带、岩溶发育具泥沙、淤泥充填的大溶洞、地下水丰富、外水压力较大、岩层较薄、节理张开夹泥、砂泥岩泥页岩泥化等部位为Ⅳ类偏差～Ⅴ类围岩。

4.2 隧洞涌水涌泥

引水隧洞穿越火石坡复背斜，隧洞围岩主要以灰为主，岩溶发育，地下水丰富，洞体多为潮湿～强弱滴水和片状～出水。隧洞共揭露直径1.2m～26.0m 不等大小溶洞110 多个及宽度0.2m～5.0m 的断层及挤压破碎带60 多条。这些泥沙溶洞堆积物一般结构松散，含水量大，土质软弱，施工开挖较易形成涌水涌泥及塌方。于背向斜部位、较大溶洞发育部位、不同地层接触部位尤其是P1l 砂泥岩软质岩与P1q+m 中硬岩接触带以及构造裂隙发育及断层破碎带部位，地下水比较丰富。除强弱滴水和片状出水外，隧洞共揭露较大股状出水点30 多处，出水点流量5～50m3/h。隧洞开挖至这些地段时多发生涌水，在泥沙、淤泥充填的大溶洞部位、构造裂隙发育延伸较远、地下水丰富地段往往发生涌水和涌泥，进而影响围岩稳定性而产生塌方。如K0+096 隧洞浅埋段围岩为P1l 砂泥岩软质岩，地下水丰富含承压水，隧洞发生涌水，涌水量20m3/h，砂泥岩在地下水的作用下泥化塑性变形，围岩完全无自稳定能力而产生塌方并冒顶。K1+011 隧洞浅埋段处于向斜部位，围岩C3灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎，溶洞发育充填泥沙，地下水丰富，隧洞开挖过程中于此部位发生塌方冒顶。

5 工程处理措施

5.1 塌方处理

对开挖隧洞引起塌方及涌水不良工程地质的Ⅳ～Ⅴ类围岩隧洞段，用钢拱架和超前管棚强支护，在洞体的顶拱及边墙采取水泥浆固结灌浆，提高围岩的强度及整体性；采取台阶式半断面开挖，弱爆破，短进尺，多循环，及时挂网喷锚，加强支护和排水。对于塌方及洞体变形较严重的洞段，及时采取了钢筋砼衬砌永久支护。

5.2 涌水涌泥处理

隧洞发生的涌水涌泥洞段，应及时疏排地下水和固结围岩。对于断层带及时封闭掌子面，进行超前固结灌浆加固围岩，打超前排水孔降低水压，并在隧洞顶拱用超前管棚进行超前支护处理后再开挖掘进。溶洞发育段，尤其是充填泥沙的大溶洞，在隧洞开挖过程中极易发生塌方及地表塌陷。应首先进行超前固结灌浆加固溶洞充填物，并尽量封闭岩溶通道，洞顶拱用超前大管棚进行超前支护处理，然后开挖掘进。对于溶洞堆积物规模较小及土质较软的洞段，将隧洞底板以上溶洞堆积物全部清除，特别是发生涌水涌泥时，让洞内淤泥烂泥先自流稳定然后逐步挖除。

5.3 地面沉陷处理

对于隧洞埋深较浅、地表岩溶洼地及地下溶洞发育、涌水量较大、疏排地下水形成较大水位降可能引起地面不良环境地质问题的隧洞段则不宜排水，而要及时封闭地下水，采取“引排灌”的工程措施封堵岩溶涌水通道。即先将涌水点用管子引至洞外后，对涌水点及周边围岩进行充填固结灌浆，并对涌水段及时用钢筋混凝土永久衬砌。待充填固结灌浆及钢筋砼永久衬砌结束后再将管口封堵。否则会因为长时间疏排地下水，降低了区域地下水位而引起地面沉陷及建筑物沉降开裂变形等问题。对类似此特殊地段宜设计为有压洞，洞内不留排水孔，缩小回填灌浆孔距，把好灌浆质量关，及时用钢筋混凝土永久衬砌，以趋使地下水位上升，最大限度地有效恢复隧洞区域地下水位，使隧洞天然水文地质条件及边界不发生重大改变。

6 结束语

本文以滇东北典型的喀斯特地区中国烟草云南宣威大型引水济榕为工程实例，通过前期工程勘察设计与后期施工地质工作及对喀斯特地区该工程复杂的水文工程地质条件、岩溶构造发育不良物理地质段所引起的隧洞塌方、涌水涌泥、软岩变形、不同围岩分类与开挖支护处理措施进行了深入的分析与研究；对因隧洞开挖引起区域地下水位降低所形成在水位降落漏斗影响范围内的地面塌陷与沉陷、房屋开裂变形及地表水体枯竭之新的不良环境地质问题进行了深入分析与研究，提出了相应的处理措施与建议；对类似该引水隧洞水利水电工程在隧洞选线、开挖支护与衬砌及因开挖隧洞而引起地面不良环境工程地质问题的工程处理措施等方面具有一定的借鉴作用；对水利水电工程建设同行技术人员在从事岩溶发育喀斯特地区隧洞工程设计与施工的生产实践与实际技术工作中具有一定的参考借鉴作用和指导意义。