九道河隧洞软岩地层洞段变形控制措施研究

王有平

(云南省滇中引水工程建设管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000)

1 工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程从金沙江上游石鼓河段取水向滇中城镇生活及工业供水，同时兼顾农业与生态，以解决云南省社会经济发展的核心区严重缺水问题，具有显著的经济、社会和生态效益。九道河隧洞是该项目总干渠楚雄段的主要输水建筑物之一，隧洞总体方向东偏北25°，上接凤凰山倒虹吸，下连九道河倒虹吸，全长9630.37m，断面尺寸8.26m×8.96m，马蹄形断面，为无压洞，设计流量为100m3/s。

2 隧洞基本地质条件

隧洞穿越地段属低中山地貌，主要山脊、河流NNE向，沿线地面海拔2067～2193m，最大山顶海拔2354m，位于隧洞中段葫芦德附近。该段隧洞埋深较大，沟谷部位及出口段埋深较小，最大埋深约380m，埋深多在100～300m之间。隧洞穿越的地层除隧洞出口有第四系覆盖层外，其余洞段地层以白垩系普昌河组(K1p)、马头山组(K1m)、江底河组第一段(K2j1)地层为主，地层岩性以泥岩、粉砂质泥岩等软岩为主。

九道河隧洞断层构造发育，发育1条宽缓背斜和多条断层，褶皱、断层构造线方向为NNW～NNE向，与隧洞轴向中等—大角度相交。共发现了15条Ⅱ级、Ⅲ级断层，其中宽度不小于5m的Ⅱ级断层4条，宽度小于5m的Ⅲ级断层11条。断层走向以近SN向、NNE向为主，东倾、陡倾角为主。节理裂隙较发育，以层面裂隙为主，其次为平行于断层的构造裂隙。褶皱核部岩层缓倾。

隧洞沿线岩体风化不均匀，主要受地层岩性、构造影响，在断层及影响带形成风化深槽，山坡部位强风化带厚10～20m，弱风化带厚30～60m。隧洞均在微风化—新鲜岩体中穿越，仅在隧洞出口段及断层FⅣ-108部位穿越带状强弱风化岩体，局部砂岩段受连通性裂隙影响，隧洞穿越部位以弱风化岩体为主。九道河隧洞穿越地段属低中山地貌，埋深多在100～300m之间，穿越冲沟部位埋深一般100～150m。地层除隧洞出口有第四系覆盖层外，其余洞段地层以白垩系普昌河组(K1p)、马头山组(K1m)、江底河组第一段(K2j1)地层为主，地层岩性有泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩及砂岩等，以“滇中红层”泥质岩为主。隧洞断层构造很发育，共发现了15条Ⅱ级、Ⅲ级断层，断层发育，围岩稳定条件差。九道河隧洞围岩分类结果为：Ⅲ2类围岩全长约1927.7m，约占26.5%，Ⅳ类围岩全长约3154.3m，约占43.4%，Ⅴ类(含特殊不良地质洞段)围岩全长约2194.1m，约占30.2%。Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段(含特殊不良地质洞段)约占该段线路的73.5%。总体以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。具体为九道河隧洞前段(篆山小河之前)地下水位埋深一般为60～90m，后段埋深一般为30～60m。隧洞施工可能存在涌突水问题，预测该段隧洞涌突水灾害风险等级为A级(极高风险区)和B级(高风险区)。

3 重难点分析及变形控制措施

“滇中红层”以泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩及砂岩等软弱岩体为主，地质条件差，开挖隧洞可能会出现围岩大变形甚至发生失稳坍塌等安全事故。初期支护围岩变形控制难度大，安全风险高，尤其受断层带影响，初期支护变形速率加剧，会引发喷层开裂、剥落、掉块，钢支撑扭曲，底部隆起，支护侵限，衬砌开裂等现象，严重时将导致洞顶垮塌，对隧洞总体工期造成影响。因此，软岩洞段(Ⅳ类和Ⅴ类围岩洞段)施工变形控制措施是施工中应重点关注的问题。

3.1 软岩洞段变形处理技术参数

3.1.1 Ⅳ类围岩(软岩为主)洞段变形处理技术参数

根据一次支护效应计算确定Ⅳ围岩(软岩为主)洞段如下支护参数：

a.挂网喷混凝土：一般洞段边顶拱喷20cm厚C20混凝土，边顶拱挂φ6.5@150mm×150mm钢筋网；断层洞段边顶拱喷20cm厚C20粗纤维混凝土，边顶拱挂φ8@150mm×150mm钢筋网。

b.系统锚杆：边墙采用砂浆锚杆，顶拱采用中空注浆锚杆，参数均为C25@1.5m×1.5m(L=6.0m)。

c.钢支撑：全洞段设I20@0.8m～1.2m钢支撑，底板设20cm厚C20素混凝土垫层。

d.排水孔：顶拱120°设φ50排水孔，深3m，间排距3m。

e.预留变形量：预留8cm变形量。

3.1.2 Ⅴ类围岩洞段变形处理技术参数

根据一次支护效应计算成果，并依据《水利水电工程锚喷支护技术规范》(SL 377—2007)确定Ⅴ围岩如下支护参数：

a.挂网喷混凝土：一般洞段边顶拱喷20cm厚C20混凝土，挂φ6.5@150mm×150mm钢筋网；断层洞段边顶拱喷20cm厚C20粗纤维混凝土，边顶拱挂φ8@150mm×150mm钢筋网。

b.系统锚杆：一般洞段采用中空注浆锚杆，严重及极严重挤压变形洞段采用让压锚杆，参数为C25@1.5m×1.5m(L=6.0m)。

c.钢支撑：全洞段设I20@0.5～0.7m钢支撑，底板设20cm厚C20素混凝土垫层。

d.排水孔：顶拱120°设φ50排水孔，深3m，间排距3m。

e.预留变形量：一般Ⅴ类围岩洞段预留10cm变形量，严重挤压变形洞段预留15cm变形量，极严重挤压变形洞段预留20cm变形量。

3.2 安全管理措施分析

按照“地质先行、综合预报”的原则，加强综合超前地质预报，重点对洞身特殊工程地质洞段存在的涌水突泥、软岩大变形、穿越活动性断裂带等多类型特殊工程地质状况进行预测、预判，摸清前方详细地质情况，以便采取针对性的技术措施与风险防范方案。做好施工地质超前预报及专项超前预报的配合工作，及时掌握地质信息，实现信息化施工。

3.2.1 钻爆法开挖不良地质洞段的施工对策

a.配备有经验的地质工程师，结合前期地质勘探资料进行施工超前预报，对地下洞室通过断层破碎带，涌水、高地应力段等不良地质地段制定相应的预防预报措施，备足有关的应急机具和材料。

b.不良地质地段的隧洞施工，采取“超前探测、预锚固(或预灌浆)、先治水、短进尺、弱爆破、少扰动，早封闭、强支护、勤量测”的原则，稳步推进。

c.不良地质洞段开挖前视地质情况采用超前小导管预注浆支护、超前大管棚、超前预固结灌浆等超前支护手段进行加固。断裂带采用大管棚支护，按设计预留变形量。严格控制开挖进尺，必要时及时进行二衬混凝土的浇筑。

d.加强施工期安全监测，配合测量人员及时完成永久监测仪器埋设，保证施工安全。断层带及两侧影响带、节理密集带开挖后，及时设置收敛监测断面或监测仪器进行变形监测，根据各种监测数据进行安全分析和预报，对不稳定围岩或块体实施准确预测和适时有效锚固，在严密的安全监控下展开施工，保证施工安全。

e.在掌子面与二衬混凝土间设置逃生通道，确保在发生地质灾害时，人员的安全撤离。

3.2.2 防止涌水、突泥的处理措施

a.加强超前地质预报，及时掌握掌子面前方的水文地质情况，对富水的不良地质洞段，采取超前预灌浆封堵、超前排水孔降水、超前固结灌浆及超前支护等方案进行堵水、排水和加固，避免出现涌水、突泥等地质灾害。

b.适时进行二衬混凝土及固结灌浆、排水孔施工，控制地下水的排放，同时确保隧洞结构的安全。

c.对各工作面渗水量、排水量进行科学的分析、计算和研究，根据排水量、排水线路长度、施工方案、排水方向确定合理、可靠、科学的排水方案，确保各工作面的排水，保证工作面的正常施工，同时保证不浪费成本。主洞内每隔约1km设集水井和泵站排水，施工支洞与主洞交叉口附近设置集水坑，隧洞渗水及施工废水逐级抽排至该集水坑，然后经施工支洞抽排至污水处理系统。

d.支洞泵站间设置自动闭塞系统，确保多级泵站间联运协调运转，支洞交叉口集水坑容量满足最大排水量要求；配备足量的备用电源，保证停电的情况下洞内正常排水的需求，防止因停电造成涌水事故淹没工作面。

e.必要时报监理审批同意后增设备用排水设备和备用排水管。

f.成立抽排水班组，安排专人负责抽排水系统的维护，确保抽排水系统的正常运行。

g.编制应急预案，组织抽排水应急小组并配备足够的应急物资，一旦发生较大的突水涌水情况，立即启动应急预案进行抢险工作。

3.2.3 及时进行混凝土衬砌，确保洞室安全

为控制地下水排放或维护洞室稳定，对于涌水风险为A级和B级的洞段，应采取边挖边衬的施工措施，衬砌混凝土与开挖掌子面的距离根据围岩情况不应大于50～120m，确保施工安全。

a.钢模台车的设计需满足边开挖边衬砌的施工工艺要求，边顶拱衬砌台车设计时需考虑大直径风管、运输车辆及电缆水管在台车中穿行的要求。

b.开挖工作面(钻爆段)后设置栈桥，栈桥设计参照公司的成功经验，采用钢结构拱跨越清底段、钢管绑扎段、混凝土浇筑段及混凝土等强段等几个区域，栈桥两端安装轮子便于移动。

c.栈桥搭设完成后进行边顶拱混凝土衬砌，满足边顶拱衬砌混凝土施工进度要求。

3.2.4 加强安全监测，指导安全施工

a.组建地质超前预报及安全监测部，在项目技术负责人的统一协调下全面负责本标施工期临时安全监测及永久安全监测的配合工作。

b.工程开工后，由项目部组织有关技术、安全、监测部门认真对隧洞地质情况进行研究，对支洞进口、主支洞交叉口、断层破碎带、节理密集带及不良地质结构组合情况进行施工安全分析，拟定临时安全监测断面(测点)布置方案，编制临时监测实施措施，并做好相关技术准备工作。

c.施工中根据开挖揭露的地质情况，遇到不良地质洞段时，及时布设监测断面进行收敛监测、周边位移及拱顶下沉监测，特别对断层带加强监测，如变形速率加快或突变，立即通知监理工程师及发包人到现场研究处理方案，紧急情况下立即通知生产部门进行支护处理。

d.建立施工期安全监测制度，除该项目负责的施工期监测外，还可利用永久监测数据指导施工，保证安全监测观测信息的快速反馈，实时进行安全预报，为工程施工提供指导，保障施工安全。

3.3 施工技术措施分析

3.3.1 施工技术重点及原则

a.严格按“新奥法”施工，并按“先柔后刚、先放后抗”的原则进行支护施工。在隧洞初始开挖阶段结合开挖揭露地质条件及一次支护方案，针对不同围岩类别洞段加强变形监测，分析统计隧洞开挖后变形规律，开展软岩变形控制相关试验，以最终确定不同围岩类别开挖预留变形量，防止围岩侵入净空。

b.施工时采用“短台阶”“分部开挖”“核心土”等方法进行施工，按“先边后中、先软后硬”“早预报、预加固、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行施工，分部开挖，分部支护。严格控制底板封闭时间和距离，严格控制初期支护变形，必要时采取单工序作业，开挖时不衬砌、衬砌时不开挖，保证底板封闭时间。

c.做好超前支护。根据围岩情况采用超前锚杆、超前灌浆、超前小导管和超前大管棚等进行先期围岩支护，提高隧洞成洞条件，确保施工安全。

d.做好初期支护。根据围岩情况做好喷锚、挂网及钢支撑支护，及时调整钢支撑间距等。切记不能使同一榀钢支撑左右两个拱脚同时悬空，且采取措施保证钢支撑脚底稳定。

e.加强超前地质预报。高度重视施工阶段超前地质预报工作，建立责任制，明确责任和分工。全洞段采用地质素描、物探、超前钻探等方法对滇中红层洞段进行超前预报，根据围岩情况及时调整施工方法和支护设计。断层、褶皱洞段、埋深大的红层段，加强超前长、短钻孔，积极配合其他承包人进行专项超前地质预报，及时探明隧洞前方地质情况，特别是地下水的发育情况，严禁在未探明情况下盲目开挖。

f.做好围岩变形监测，主要监控拱顶沉降与结构收敛。并根据围岩变形监测数据，及时调整支护参数，调整预留变形量，避免结构尺寸侵限造成损失。对变形量进行回归分析，合理确定二次混凝土衬砌时间并进行混凝土衬砌。

g.配备专业队伍、专业设备，在断层、褶皱洞段、软岩洞段、埋深大的红层段富含水时，采用超前灌浆，改良地层，对围岩超前加固，确保隧洞安全施工。

h.隧洞衬砌采用“先底板、后边顶拱”的程序施工，以免基岩受施工机械等来回碾压、地下水浸泡等影响造成软化变形、凸凹不平，保证隧洞施工进度、质量和安全。

i.断层破碎带等不良地质洞段采取短进尺、分台阶、多循环、预留核心土等施工工法以减少对围岩的扰动，并及时分区域施作钢支撑，视围岩变形程度进行钢支撑加密，防止洞顶垮塌。

j.加强工作面积水抽排，并严格控制施工用水，防止泥岩被水浸泡后变形。

3.3.2 特殊洞段处理措施

针对不同特殊地质问题，制定科学合理的专项处治技术方案。

a.针对可能发生涌突水的洞段，在进行综合超前地质预报勘探，探明未开挖段地质条件及地下水情况的基础上，按设计实施超前预支护体系，选用切实有效的超前固结灌浆措施。

b.针对涌突水洞段，按照“堵导结合、以堵为主、限量排放”的控制原则或设计要求进行处理，开挖前进行预灌浆或打超前排水孔引流释压，开挖后及时进行系统支护和排水孔施工。

c.针对断层破碎带、软弱围岩变形洞段及稳定问题，按“短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测、紧衬砌”的原则进行开挖支护，选取“环形开挖预留核心土”“微台阶”等工法施工，轮廓开挖后对边拱及掌子面及时进行初喷，先初喷3～5cm厚混凝土或挂网混凝土，再进行工字钢及喷锚支护，并及时对掌子面按设计实施挂网喷混凝土封闭、玻璃纤维锚杆支护等措施，以防止掌子面溜坍滑塌失稳。支护按“由表及里、先柔后刚”的程序，保证施工安全和洞内成型质量。待初期支护完成、监测量测变形趋于稳定后及时进行二衬施工，以封闭成环有效控制变形。

施工中采取超前地质预报、加强光面爆破控制以提高爆破效果，采用预先施作空眼注水释放应力、快速施作初期支护封闭围岩、增强初期支护强度、喷雾和高压水冲洗岩壁或设临时防护网等措施有效防范岩爆影响。针对不同特殊地质问题，制定安全应急救援预案，并进行演练，保障施工过程绝对安全。同时，对有毒有害气体洞段、突涌水洞段排至洞外的水进行净化处理，防止对水环境产生污染。

为了检验软岩地层洞段变形控制技术措施效果，选择九道河隧洞K9+380断面作为有代表性监测断面，在拱顶设置下沉测点，并分别在拱腰、边墙和墙脚布置周边位移测点，通过跟踪量测确定洞身变形曲线，见图1。变形监测结果显示：前期围岩变形速率较大，后期变形持续时间长(多发生在拱顶及靠山侧边墙位置)，隧道开挖后即变形,变形速率较大，延续时间长，具有明显的流变特征；初期支护后洞段整体变形趋于平缓，说明初期支护后隧道洞身围岩变形稳定，变形控制技术措施较好。

图1 九道河隧洞K9+380断面洞身变形

4 结 语

综上所述，软弱围岩隧道施工中，围岩处于加载、卸载的负载变化过程中，极易出现变形问题，施工难度大、危险性高，对此必须重视开挖施工工艺的选择与支护的实施问题，确保隧道施工的顺利进行。在实践中，一旦隧道已经出现大变形情况，包括初支变形侵限、二衬开裂、仰拱开裂等，必须立刻停止施工，查明原因，制定合适的处理方案，如：拱架支撑、注浆加固、换拱等，完善监控量测机制，保证隧道安全。隧道是由围岩和支护结构共同承受荷载的结构体，特别是软岩隧道，由于围岩不稳定造成其设计和施工更具特殊性，其施工技术仍处于不断深化认识和工程实践阶段。九道河隧洞遵循“保护围岩、岩变我变，支护宁强勿弱，二衬及早跟进”的原则，充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛，取得了良好的施工效果，可为同类工程施工提供借鉴与参考。