灰岩区输水隧洞典型岩溶工程地质问题处理

2022-04-20夏志强张瑜鹏李俊杰

陕西水利 2022年2期

夏志强，张瑜鹏，刘洋，李俊杰

（浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002）

1 工程概况

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水,通过输水隧洞将水引至杭州市余杭区闲林水库,为下游原水输水工程提供优质千岛湖水。输水线路全长113.22 km,其中隧洞占比95%以上,衬后洞径6.7 m（钢衬段除外）,另包括倒虹吸、埋管段等多种结构形式；进水口设计流量38.8 m3/s,97%保证率设计年配水量为9.78 亿m3。

2 工程地质背景

工程区一带岩溶现象较普遍,发育于古生界的石炭系、二叠系以及震旦、寒武系的碳酸盐岩地层中,均呈条带状分布。本工程千岛湖进水口～莲花溪段约13 km主要分布有石炭系及二叠系灰岩,间夹泥盆系及志留系砂岩。该段主要的褶皱构造为一系列的向斜和背斜,其走向与洞线交角甚小,两翼基本对称,倾角较陡,一般50°～65°为主,见图1。

图1 莲花向斜典型构造图

隧洞轴线经过地段地表岩溶发育,洼地、落水洞、溶沟、溶槽、石笋、石芽[1]均有分布。大地电磁测深（EH4）资料反映在这些洞段不同高程上多处出现低阻异常,估计与岩溶及溶蚀破碎带有关,典型探测成果及解释见图2。

图2 灰岩区典型洞段EH4探测成果及解释

岩溶发育洞段施工易产生涌水突泥[2]灾害,给生产安全带来巨大隐患,对施工进度造成严重影响,工程投资也会显著增加；工程运行期,由于灰岩洞段可能发育隐伏、未揭露的溶腔、溶蚀通道,围岩整体性、连续性差异大,且极有可能形成渗漏通道,处理不当易造成隧洞衬砌结构破坏,内水外渗严重时,还将导致渗漏损失水量剧增,造成重大经济损失。鉴于岩溶发育可能对隧洞造成的种种不利影响,需采取综合手段进行探测及处置。

本工程在前13 km以灰岩为主洞段共遭遇溶洞、溶蚀通道及强溶蚀带等多达数十处,其中部分岩溶发育较为类似或规模较小,本文以工程中所揭露的典型岩溶发育特征及处理措施为分析对象。

3 不同发育形态岩溶及处理

3.1 水平向发育大型溶洞

主洞桩号K8+165.2～K8+152.7 处发育长边与洞向呈大交角的大型溶洞,高度10 m以上,长边最大长度约23 m以上,沿洞轴向最大宽度14 m,下部充水,洞侧壁发育多条水平向延伸溶蚀通道,延伸走向无规律,属于水平向发育岩溶。溶洞内壁充填大量浅黄～浅绿色方解石巨晶,晶簇质地较脆,强度低,局部稳定性差,有塌落。隧洞整体从溶腔内部穿过,腔内充填物以方解石晶簇为主,充泥量少,除局部晶簇易震动塌落外,溶洞内壁稳定性总体尚可,开挖后其内部充水已消散,无较大外部水源补给（图3、图4）。

图3 溶洞揭露

图4 内壁发育方解石晶簇

该溶洞并未充填大量泥砂或有压水,未与暗河连通,除局部方解石晶簇可能坍塌外,总体稳定性尚可,开挖、支护安全风险较小。在溶洞及其前后一定范围隧洞底板、侧边墙上进行地质雷达[3]探测,结果显示：桩号K8+189～K8+169底板及左右边墙探测范围内未发现大型空腔,局部裂隙发育或存在弱溶蚀；桩号K8+171～K8+165底板探测范围内岩体较破碎,溶蚀现象明显,局部发育溶蚀带或溶洞,最浅埋深3 m,底板下溶蚀通道主要发育在桩号 K8+167 附近。通过现场查勘及雷达探测可判断：该大型水平向溶洞在充分清理不稳定充填物后总体稳定性尚可,虽发育多条水平向岩溶通道,但未发现较大的稳定水源补给,可采取较为稳妥的封堵措施；围岩中隐伏发育溶蚀带、溶腔等,不利于长期运行稳定安全,需进行灌浆填充处理。

最终的处理方案为：一次支护时首先通过挖机、镐头机、人工对溶腔内稳定性欠佳的方解石晶簇等进行清除,充分排险保证其临时稳定性；清除隧洞底板上堆积、沉积的泥质、坍塌体等,以二次衬砌的标准用C30 混凝土浇筑底部垫层,并在其中预先埋设钢拱架横撑和底角（图5）；最后在隧洞底脚以上部分立钢拱架（图6）,拱架内侧支模板,拱架以外侧壁及拱顶空腔用C20混凝土回填。

图5 浇筑底板混凝土

图6 溶洞内支钢拱架

从耐久性以及防渗安全角度考虑,由于溶洞形状不规则,回填的混凝土耐久性较原围岩差,溶洞发育部位又是渗漏安全的重点防范部位,该洞段二次衬砌采用预应力混凝土强化加固,最终还需对该段作回填灌浆和固结灌浆处理。方案简图见图7。

图7 K8+165.2～K8+152.7溶洞处理方案简图

3.2 发育暗河的大型充泥砂溶洞

金竹牌流量计交通洞桩号0+585 处,隧洞掌子面全断面揭露为大型溶洞（图8）。溶洞左上角向拱顶上部延伸,近似呈不规则圆锥体,底部直径5 m～7 m,高度达15 m～20 m以上,充填黄褐色泥砂,开挖作业已造成部分泥砂塌落,但溶腔内仍赋存大量泥砂,稳定性差,随时可能发生进一步坍塌。泥砂脱落后的溶腔内壁光滑稳定,附着灰白～灰黄色钙华（图9）。

图8 掌子面揭露大溶洞

图9 泥砂脱落后溶洞内壁

另外在掌子面右侧拱顶与右侧壁交角处发育溶腔,进入内部查看,溶洞近水平向右前方延伸一段距离后,略转向与隧洞轴向呈小交角向前延伸,行进约60 m后往左转向近90°,从洞顶上部横穿隧洞,溶洞内壁发育大量钟乳石、石笋、石柱等,溶腔内发育暗河[4]。调查发现该暗河极有可能与洞口上部一处落水漏斗连通,降雨量增大时段溶腔出水量急剧增大。

该溶洞竖向、水平向发育规模均较大,充填大量松散泥砂,自稳能力很差,易产生坍塌,对施工安全造成较大威胁；隧洞右侧壁～前方拱顶以上发育的暗河延伸长,方向变化大,且右侧壁与暗河间围岩厚度及拱顶与暗河间的岩体厚度均较小,爆破施工易造成围岩被破坏、穿透,可能发生涌水事故；隧洞内暗河发育,水源补给持续稳定,降雨期间涌水量明显增加,直接封堵处理难以保证挡水效果,且易形成新的渗漏点,应尽量做到引排为主,封堵为辅。

最终采用的处理方案为：首先用水枪、风枪等设备清理溶洞内松散充填物；其次在溶腔内加密钢拱架支护形成骨架支撑,拱架间距采用30 cm～50 cm；然后对溶洞用砂袋、混凝土进行分层填筑（图10）,拱顶以上混凝土有足够厚度为止,最后再在填充体中进行二次开挖（图11、图12）。

图10 溶洞回填再开挖示意图

图11 溶洞填筑

图12 二次爆破开挖

考虑到要在填筑体内进行二次开挖,拱顶以下部分空腔使用砂袋填筑,开挖时可将砂袋挖掉,以减小爆破对混凝土的震动破坏作用,并节省混凝土用量。

因隧洞右侧壁外及前方拱顶以上发育一条暗河,且右侧壁、拱顶与暗河间的岩体厚度均较小,爆破施工易破坏围岩完整性,为减小施工风险,将洞轴线向左偏转,另外增大隧洞纵向坡率,以加快降低洞顶高程,保证侧壁、拱顶与暗河间有足够的岩体厚度（图13）。

图13 溶洞段隧洞轴线平面调整示意图

实际开挖中要求采用短进尺、小药量掘进,减小对围岩的爆破震动作用,避免发生涌水事故。因溶洞暗河与外部落水漏斗连通,汛期出水量大,不宜进行简单封堵,因此在底板以下铺设排水管道将暗河引流到洞外沟中。

3.3 溶蚀通道内充有压水

主洞桩号K1+940 处,掌子面左下角炮孔内喷出有压水,水量大、水压高,水流喷出距离10 m～20 m,经过长时间排水后,未发现水压力、水流量有明显减小趋势,推测前方岩体内溶腔发育,并赋存较高水头岩溶水（图14）。

图14 掌子面钻孔喷水

在掌子面及左右、顶部洞壁布置地质雷达测线并进行红外探水,主要成果为：掌子面前方桩号 K1+938～K1+918 洞段为溶蚀破碎带,发育中小规模溶洞或管道,富水；溶腔主要分布在掌子面左前方,左侧岩溶发育程度较右侧严重,左侧先遇岩溶,右侧推后；右边墙K1+960～K1+940 段下部探测深 20 m内裂隙发育,局部溶蚀,有分散渗水,其中洞腰中下部较上部溶蚀程度稍强；左边墙K1+960～K1+940 段下部探测深 20 m 内裂隙发育,局部溶蚀,有分散渗水,K1+945～K1+940 探测深度内裂隙发育,局部溶蚀成缝或溶孔,含裂隙水。

该洞段掌子面前方及侧壁以外围岩溶蚀通道、破碎带发育,多富水,溶蚀作用深度达20 m,岩溶作用空间分布不规则,发育程度不一,掌子面前方左侧总体发育程度高于右侧,空腔、通道内充较高水头岩溶水。因掌子面喷出水流压力较高,且经过较长时间排水后,水头压力、水流量未有明显降低,推测该段岩溶水可能通过溶蚀通道与外界连通,其水源充足,赋存较高势能,贸然开挖掘进,有发生涌水突泥的风险,因此首先应采取封堵、止水措施,待截断压力水后方可谨慎开挖。

基于上述综合分析,采取的初步封堵措施为：在隧洞侧壁及掌子面前方进行高压注浆,以对富水溶蚀通道进行封堵。注浆孔按环形布置多排,由外环向内环依序注浆,掌子面最深注浆孔20 m以上,要求穿透溶蚀发育区域；侧壁注浆深度要求不少于3 m,保证主洞洞壁有一定的安全厚度；同时在注浆期间应根据水压、流量变化情况,及时调整浆液配比（水泥浆、水泥砂浆）、浓度、灌浆压力等（图15）。