富水软弱地层斜井围岩稳定控制技术研究

梅争贵　李建贺　郭勇　刘睿营　欧阳林

摘要：富水软弱地层斜井施工易引发围岩塌方、大变形和突涌水等地质灾害，威胁施工人员和机械设备安全，并延滞总体工程进度。以滇中引水工程香炉山隧洞5号施工支洞工程建设实践为背景，分析得出斜井的主要工程地质问题是围岩坍塌、软岩大变形及涌水突泥。结合围岩变形和支护结构受力监测成果论述了围岩的失稳破坏机制，主要分为顶拱坍塌、软弱带挤压外鼓、涌水突泥3种类型。基于对围岩破坏过程及其内蕴机理的认识，采用工程类比、现场应用效果反馈的方法，提出了针对不同失稳破坏机制的的斜井围岩灾害处置措施和稳定控制技术。相关成果可为类似地质条件下的斜井围岩稳定性控制提供借鉴。

关 键 词：斜井； 软弱破碎围岩； 富水地层； 围岩稳定

中图法分类号： TV741 文献标志码： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.021

0 引 言

斜井是交通、铁路、引调水等线路工程在建设长距离隧洞（道）时，用于施工期增加工作面、运行期实现检修和通风等目的的重要工程。对于连接线路工程控制性洞段的重要斜井，其施工进度将直接影响直线工期，因此安全快速地修建斜井对整个工程进度至关重要。然而，长距离隧洞（道）工程穿越崇山峻岭，斜井布置条件一般较差，通常面临着软弱岩体、断层破碎带和富水地层等不良地质环境，存在围岩大变形、坍塌和突泥涌水等潜在地质灾害风险。另外，斜井因坡度不同，对施工工序和作业机械的适应性也不同，由此对施工控制技术也提出了更高的要求。

近年来，许多专家学者对软弱破碎带中的斜井施工围岩稳定和支护结构安全问题进行了诸多有益的研究和探索。安永林等［1］研究了掌子面形状和倾角对斜井隧道開挖面稳定性的影响。王有庆［2］阐述了斜井施工技术在水利水电工程中的应用及施工保障措施。袁世冲等［3］结合工程实践与模型试验，分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机制。王渭明等［4］研究了斜井施工时的围岩力学响应机理和变形破坏规律，提出了关键加固措施及相关技术参数。潘彦邑等［5］针对富水破碎地层，研究了斜井与隧道主洞交叉处的施工控制技术。王有明等［6］对瀑布沟水电站斜井开挖方案进行了比较和综合分析，采用反井钻机施工导孔，反拉开挖导井，再正井扩挖成形的施工方案，取得了良好的通风效果。孙晓迈等［7］研究了松散破碎地质条件下山岭隧道斜井进洞的施工技术。

本文依托滇中引水工程香炉山隧洞5号施工斜井的建设实践［8］，从斜井开挖揭示的主要工程问题入手，对软弱破碎富水地层中的斜井围岩稳定控制关键技术开展研究，重点就斜井穿越软弱破碎富水地层所引发的围岩垮塌、软岩变形和突涌水灾害进行分析，提出了解决各种围岩变形破坏的处置措施和稳定控制关键技术。

1 工程概况

1.1 斜井基本信息

滇中引水工程位于云南省境内，由水源工程和输水工程组成。输水工程线路总长664.24 km，其中隧洞58座，长611.99 km，占线路总长的92.13%。香炉山隧洞位于滇中引水工程首段，总长62.596 km，是施工总进度的控制性工程，也是全线地质条件最复杂、工程技术难度最大的深埋长隧洞。

香炉山隧洞5号施工支洞施工期作为处理香炉山隧洞丽江-剑川断裂（F11）及其影响带的施工通道，运行期作为永久检修洞和通风补气洞（见图1）。5号施工支洞作为扩大勘察试验性工程，可为进一步研究和解决香炉山深埋长隧洞类似关键地质问题提供研究和试验空间，有助于进一步探明地质条件、积累设计和施工经验、降低施工风险，由此形成的工作面可为下一步香炉山隧洞全面开工提供良好的条件。

受地形条件、岩溶系统及施工进度制约，香炉山隧洞5号施工支洞布置于汝南河槽谷清水江附近，支洞布置为斜井形式，最大埋深约585 m。施工支洞进口高程为2 508 m，与主洞相交高程为2 014 m，高差494 m，纵向坡度24.71°。5号施工支洞为3级建筑物，断面型式为城门洞型，净断面尺寸为6.5 m×6.0 m（宽×高）。

1.2 工程地质条件

5号施工支洞工程区基岩分布有二叠系喷出岩（Pβ）玄武岩、三叠系下统青天堡组（T1q）、三叠系中统北衙组（T2b2、T2b1）、第三系侵入岩（Nβ），第四系覆盖层主要分布于汝南河槽谷、冲沟以及缓坡地带（见图2）。施工支洞除洞口少量第四系覆盖层外，穿越的主要地层岩性为第三系侵入岩-安山质玄武岩（Nβ），二叠系喷出岩（Pβ）玄武岩以及石灰窑断裂构造岩。石灰窑断裂带（FⅡ-4）宽约50 m，长约12 km，与施工支洞轴线夹角约40°。

2 斜井开挖揭示的主要工程问题

2.1 开挖段揭露地质情况

5号施工支洞于2017年10月施工开挖，截至2020年8月31日开挖至桩号K0+526。已开挖段实际揭露地质条件见表1。

2.2 主要工程地质问题

通过对已开挖洞段围岩的变形破坏现象进行调查分析，5号施工支洞主要为岩体结构控制性破坏，起控制作用的是围岩工程地质条件，包括区域地质构造、岩体物理力学性质、岩体结构面特征、地下水作用等。主要工程地质问题可以分为以下几类。

（1） 围岩坍塌失稳。在已施工洞段中，多次发生坍塌失稳破坏，处理时间与坍方规模相关，且坍塌部位既可能发生在拱顶，也可能发生在边墙（见图3）。

（2） 软岩大变形。软弱破碎围岩具有强度低、变形模量小、遇水易软化、失水易崩解及流变效应明显等工程特性，斜井穿越时围岩稳定条件差，抗变形能力极差，围岩大变形、支护结构破坏现象频发（见图4）。

（3） 突涌水。该施工支洞布置于汝南河左岸丽江-剑川断层槽谷东侧山体内，属清水江-剑川岩溶水子系统（Ⅴ-1）中，总体地下水丰富。支洞中段大部分穿越石灰窑断层，带内岩体破碎，碎裂岩、角砾岩带透水性相对较好，极易沟通红麦盆地地下水和上部岩溶水产生突泥涌水灾害。5号施工支洞富水洞段典型突涌水灾害见图5，围岩受地下水浸泡软化及渗透压力影响，岩体自稳能力极差，发生掉块、塌方，并导致出现钢拱架沉降、喷混凝土剥落等破坏现象。

3 围岩变形破坏机制分析

3.1 变形监测数据分析

该施工支洞对于Ⅴ类围岩洞段采用上下台阶开挖，典型监测断面监测点布置如图6所示。通过观测数据及现场施工情况，桩号K0+67断面上部开挖后围岩变形逐渐收敛，最大位移位于BC侧线，达到52 mm，但在下部开挖后，AD、AE及DE位移持续增长，并且没有收敛的趋势，最终由于变形过大，临时对撑工字钢发生巨响，边墙塌方。

3.2 结构应力监测分析

根据桩号K0+250处典型断面钢拱架应力监测数据，见图7～9。可知应变值最大达到2 476 με，出现在右侧拱座，相应的应力约为495 MPa；左侧拱座测点和拱顶测点微应变时程曲线变化规律基本一致，应变值最大分别为870 με和1 556 με，相应的应力约为174 MPa和311 MPa。

3.3 围岩失稳破坏机制分析

基于5号施工支洞的围岩条件、地下水条件、现场施工情况和监测结果，对斜井围岩的失稳破坏机制初步分析如下。

3.3.1 斜井围岩塌方

该施工支洞围岩类别为Ⅳ类和Ⅴ类，其中Ⅴ类围岩长1 015.45 m，占支洞长度的81.50%；Ⅳ类围岩长230.45 m，占支洞长度的18.50%。因工程地质条件极差，顶拱范围内易发生掉块乃至垮塌现象，洞室稳定问题极为突出。

斜井围岩塌方破坏主要发生在围岩破碎、结构面发育洞段，岩体强度低，结构松散，开挖后无法自稳。根据软弱破碎洞段围岩收敛变形监测数据分析可知，洞室下部开挖后，围岩变形急剧增大且没有收敛趋势，直至发生失稳破坏，并伴随对撑钢支撑发生巨响，这表明软弱破碎洞段围岩变形压力较大，应进一步加密钢拱架或提高钢拱架规格。

另外，斜井岩层走向与洞轴线方向呈40°角度相交，易产生顺层滑移，沿层面张裂和局部垮塌破坏。对于层面与拱座相切的部位，剪切破坏范围很大，围岩变形失稳的可能性也最大。此外，各种结构面的不利组合使得洞身存在大量不稳定块体，也是围岩变形或失稳的重要诱发因素。

3.3.2 软弱带挤压外鼓

该施工支洞穿越强风化带、石灰窑断裂及其影响带，围岩相对破碎、软弱、性状差，局部地段地下水丰富。斜井开挖后，当二次应力超过围岩的屈服强度时，软弱围岩就会沿着最大主应力梯度方向朝消除阻力的自由空间挤出，发生较大变形。从钢拱架受力监测曲线可知，拱顶和右侧边墙部位的钢拱架受力显著，已达到并超过其承载能力，无法有效遏制软岩大变形。

3.3.3 涌水突泥

该施工支洞穿越石灰窑断裂及其影响带长度累计773 m，占支洞全长62%，不良地质带洞段占比大。石灰窑断裂带与红麦盆地相连通，具有稳定的水源补给，见图10。斜井与石灰窑断裂带呈40°相交，地下水沿着石灰窑断裂带岩层方向的渗透系数大，透水性极强。

5号支洞平均坡度为24.71°，斜井与破碎围岩的组合工况给工程设计、施工造成极大困难。目前隧洞掌子面低于红麦盆地约200 m，外水压力较大。不同于平洞施工，斜井施工在沿隧洞掘进方向形成一定水力梯度，围岩渗流场也随之发生改变，渗透水在掌子面聚集，加大了涌水突泥的发生概率。开挖段位于碎裂岩和碎粉岩接触带中，左侧为角砾岩、碎裂岩，裂隙较发育，透水性较强，为富水岩层；右侧为碎粉岩，隔水性较强。因此，当地下水通过透水性强的多裂隙岩层至隔水性较强的软弱岩层接触面时受阻，进而在接触面集中，形成较大的承压水（见图11）。碎粉岩长时间在高压水的浸泡作用下，首先在接触带位置泥化，随着时间推移，沿着接触带产生裂隙，在动水压力作用下裂隙进一步往下扩展联通。隔水层的水力屏障存在被突破的可能，进而形成渗透通道，高压水沿渗透通道突出，极有可能发生涌水突泥问题。

4 围岩破坏处置措施和稳定控制关键技术

4.1 塌方处理措施

表2给出了5號支洞围岩塌方失稳洞段的处置措施。隧洞塌方处置必须详细调查坍方范围、形状、地质构造，查明坍方发生的原因和地下水活动情况，经认真分析，制定相应的处理方案。该支洞处置围岩塌方破坏的基本思路可分为两步。

（1） 应急处置。围岩塌方具有突发性以及后果的严重性，必须采取稳妥措施避免塌方范围进一步扩大，

对现场施工人员和机械做好安全防护措施，并根据围岩塌方的直接诱因，采取封堵回填、排水降压等措施。

（2） 对塌方洞段加固处理。需对塌方空腔进行回填灌浆以及对松渣进行固结灌浆，并打设临时排水孔引水释压，此外，对塌方洞段应加强围岩安全监测。

4.2 软岩大变形处理措施

在处置作业时，前期曾尝试采用超前注浆小导管（L=4.5 m φ42 mm @0.3 m搭接1.5 m、L=3 m φ42 mm @0.2 m搭接1.5 m）的方案。但实施效果表明，在地下水较多和围岩稳定性差的洞段，软岩变形的控制效果较差。后经改进优化，对于这类富水大变形洞段，采用如下处理措施：

（1） 超前注浆（双液浆）堵水，因涌水流速较大而无法进行灌浆的情况，对注浆材料进行现场试验，控制浆液凝固时间，提高注浆效果。

（2） 预留变形10 cm，并根据围岩收敛变形情况，对预留变形量进行动态调整。

（3） 加强初期支护，大变形洞段采用双层I 20a钢拱架（间距50 cm），分台阶处增设I 20a工字钢临时横撑。

（4） 加强锁脚（锁脚小锚管+锁脚大锚管）提高钢支撑抵御变形的能力，锁脚锚管兼具固结灌浆作用，锚管均下倾角10°～20°，大锚管通过16号槽钢与钢支撑焊接牢固，小锚管通过“L”型Φ25钢筋与钢支撑连接。

4.3 涌水突泥处理措施

4.3.1 已建斜井工程突涌水处理经验

涌水突泥灾害影响因素多，治理难度大。通过搜集整理国内6个施工斜井突涌水灾害案例（见表3），分析得出涌水突泥的处理一般采用“超前预测，以堵为主，引排结合”的原则，洞内堵排结合，洞外采用地表导流方式，从而控制地下水对斜井施工的影响。主要经验有：

（1） 超前地質预报。坚持“先勘探后处理”的原则，掌子面前方应连续实施超前地质预报（特别是采用超前地质钻孔），对掌子面前方工程地质和水文地质情况进行探测，判断前方可能遇到的重大不良地质现象。超前地质预报应采用物探法和钻探法相结合，主要是探明水及围岩性状，再结合地质分析法给出预报结果以指导设计与施工。

（2） 超前周边预注浆。实践表明，注浆是治理涌突水的有效技术手段。在岩溶区进行超前钻孔，灌注水泥浆，浆液在注浆压力的作用下填满围岩中的裂隙，并将裂隙中的水分、气体排出，水泥浆液与周围的松散岩层固结，增强周边岩层的强度，形成了高强度和抗渗阻水能力加强的固结体，从而提高周围岩层的抗渗性能、整体稳定性能。通过超前预注浆，在掘进工作前方30～40 m范围内形成一个较为完整的注浆帷幕。

（3） 超前小导管预注浆。可以形成管棚与围岩联

合超前支护体系，可以提高岩体自身稳定性，抑制围岩松弛变形。此方案优点是小导管注浆所需设备简单，易于操作，注浆效果可靠，注浆时要控制注浆压力，避免对初期支护造成破坏。

（4） 超前深孔预注浆。在超前小导管预注浆的基础上，可考虑采用效果更好的超前渗控预注浆措施。一般实施的参数为：孔深10～25 m，孔间距1.0～1.5 m，每循环搭接3～5 m，浆液采用水泥净浆或水泥-水玻璃双液浆，灌浆压力不小于3 MPa。

（5） 径向注浆。在钻孔和爆破施工过程中围岩扰动比较大，开挖区域周围的围岩产生较多裂隙。全断面的径向注浆对于修复裂隙、提高围岩强度、减小围岩松动圈的厚度、降低围岩和支护的收敛位移等非常有利。

（6） 浆液材料选择。注浆液的选择应该适应岩土体的特性，浆液采用纯水泥浆或水泥-水玻璃浆液。首先灌注“水泥-水玻璃”浆液快速封堵出水，然后再灌注化学灌浆材料（例如CW系列）补强加固。“水泥-水玻璃”双液浆黏度较低，可灌性较好，在水中可以迅速凝固，能够达到快速封堵出水的目的。

（7） 引排结合。在非注浆堵水地段，将拱、墙分散状的淋水或溶洞水集中成一股或几股，然后引入排水管排出。

（8） 掌子面预留岩盘安全厚度。在实际施工中，当预测到掌子面前方存在大型赋水构造时，首先根据围岩等级、水压力等因素，取3～10 m厚岩盘，再确定超前帷幕注浆参数，既可以防止掌子面突涌水，保证隧洞施工安全，又可以减小注浆工作量。

（9） 加强监测。工程灾害往往具有一个过程，因此应加强岩溶发育段的监测工作，建立地表洞内长期监测体系。主要包括地表影响范围建筑物监测和沉降监测、洞内结构安全性监测等。定期组织对监测数据进行分析和评估，发现异常及时研判

4.3.2 涌水突泥处理措施

根据工程案例分析，以及现场实际条件，采用以下措施处理涌泥突水问题。

（1） 应急处置。在钢支撑错台洞段回填混凝土反压，避免险情扩大；顶拱空腔洞段增加腹拱钢支撑，减少顶拱空腔掉块形成的风险；对空腔进行回填，并在空腔附近洞段增加径向固结灌浆措施，避免涌水后延；施工系统排水孔及空腔引水孔，降低外水压力。

（2） 加强支护。增强钢支撑支护参数，并做好锁脚锚管，采用槽钢与相邻两榀钢支撑焊接牢固，增加腹拱钢支撑。

（3） 注浆加固。二次开挖时采用深孔固结灌浆+浅孔固结灌浆+后期补强的方式进行超前加固，减少渗水通道的形成。

（4） 效果检查。上述措施实施后，在恢复开挖前，在掌子面施作20 m深的超前地质复勘孔。

4.3.3 涌水突泥治理经验

上述涌水突泥处理方案取得了一定的实施效果，同时得到以下经验。

（1） 隧洞反复遭遇涌水突泥后，将冲刷携带出大量的碎粉岩及其他泥状物质，在隧洞上方形成空腔。应采取措施探明空腔的位置及范围，为空腔的回填灌浆提供定量依据。

（2） 对于碎粉岩，可能存在注浆效果不佳的情形。当采用水泥-水玻璃双液灌浆时，存在后期强度低和抗折性较差的问题，而纯水泥浆液与泥化碎粉岩胶结不完全，形成的不稳定的胶结体。因此，应进一步研究合适的注浆材料，并确定与之匹配的注浆压力。

（3） 突涌水形成的渗透通道将逐渐被冲刷出来的碎粉岩、碎裂岩堵塞，涌水暂时停止。但是，当位于高渗透水压力环境时，原有的渗透通道可能会被进一步冲刷开或者在附近形成新的渗透通道，再次暴发涌水。因此，需要在进行工程措施处置后持续对相应部位进行跟踪监测。

5 结 论

本文依托滇中引水工程香炉山隧洞5号施工斜井工程的建设实践，对斜井穿越软弱破碎富水地层所引发的围岩垮塌、软岩变形和突涌水灾害现象及处置技术进行了分析，形成如下结论：

（1） 开挖实际揭露的地质条件与前期勘察结论基本一致，斜井的主要工程问题集中在围岩坍塌失稳、软岩大变形和涌水突泥灾害等3个主要方面。

（2） 断层带围岩破碎以及稳定地下水源补给，是导致斜井在进入石灰窑断裂带后涌突水灾害频发的主要原因。

（3） 针对塌方、软岩大变形和涌水突泥等3种典型破坏，提出了处置措施和围岩稳定控制技术。经工程实践，上述措施取得了一定的成效，并总结了相关措施在实施层面应进一步注意的事项，可为类似工程遭遇同类地质灾害的处置提供借鉴。

参考文献：

［1］安永林，李佳豪，赵丹，等.斜井掌子面形状与倾角对隧道开挖面稳定性影响［J］.铁道科学与工程学报，2020，17（10）：2612-2617.

［2］王有庆.斜井施工技术在水利水电工程中的应用［J］.工程技术研究，2020，5（19）：91-93.

［3］袁世冲，张改玲，郑国胜，等.斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究［J］.煤炭学报，2018，43（4）：1104-1110.

［4］王渭明，王丹，宗永宏.松軟破碎岩层斜井破坏机理与变形控制研究［J］.煤炭技术，2015，34（5）：37-40.

［5］潘彦邑，喻亮，刘晨，等.富水破碎地层隧道斜井与主洞交叉处施工控制技术［J］.工程建设与设计，2020（21）：189-191.

［6］王有明，柳富强.瀑布沟水电站引水隧洞斜井开挖施工［J］.云南水力发电，2010，26（5）：56-60.

［7］孙晓迈，刘吉昌，杨帆，等.松散破碎地质条件下山岭隧道斜井进洞施工技术［J］.建筑技术开发，2020，47（20）：116-119.

［8］苏利军，帖熠，喻久康.香炉山隧洞5号施工斜井施工难题及解决措施［J］.人民长江，2020，51（8）：162-166.

（编辑：郑 毅）

Research on stability control technology for inclined shaft surrounding rock in water-rich and weak strata

MEI Zhenggui1，LI Jianhe2，GUO Yong1，LIU Ruiying3，OUYANG Lin1

（1.Administration Bureau of Water Diversion Engineering of Central Yunnan Province，Kunming 650051，China； 2.Changjiang Survey Planning Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract： The construction of inclined shafts in water-rich and weak strata is easy to cause geological disasters such as surrounding rock collapse，large deformation and water inrush，which will threaten the safety of construction workers and equipment and delay the overall project progress.Based on the construction practice of No.5 inclined shaft of Xianglushan tunnel project，a controlling project in the water diversion of central Yunnan Province，the main geological problems of the inclined shaft revealed by the excavation were clarified as the collapse of the top arch，the outer bulge in the weak zone and the inrush of water.Based on the understanding of the surrounding rock failure process and its underlying mechanism，engineering analogy and on-site feedback were used to propose geological disaster disposal measures and stability control technologies for different failure mechanisms.Relevant research results can provide references for the stability control of surrounding rock in inclined shafts under similar geological conditions.

Key words： inclined shaft；weak and broken surrounding rock；water-rich strata；surrounding rock stability

收稿日期：2022-03-26

基金项目：云南省重大科技专项计划资助项目（202102AF080001）；岩土力学与工程国家重点实验室开放基金项目（Z018016）

作者简介：梅争贵，男，高级工程师，主要从事水利水电工程项目管理工作。E－mail：752516183@qq.com

通信作者：李建贺，男，高级工程师，博士，主要从事水利水电工程设计及科研工作。E-mail：jianhe_001@126.com