喀斯特地區(qū)隧洞地質(zhì)問題與處理措施研究

白文學(xué)

（云南能陽水利水電勘察設(shè)計有限公司，云南 曲靖 655000）

1 工程概況

中國煙草云南宣威大型引水濟(jì)榕工程取水水源為熱水鎮(zhèn)窯上海子水庫，水庫總庫容3075 萬m3。引水線由進(jìn)口首部引水明渠段、中部隧洞段、出口暗涵段組成，全長10740.3m。引水線建筑物主要以隧洞為主，隧洞長7157.3m，設(shè)計總體為無壓洞，局部有壓洞。隧洞斷面2.2×2.6m，設(shè)計過水流量4.4m3/s。于隧洞K1+054m、K2+712m 及K4+894m 分別設(shè)1#、2# 及3# 三個施工支洞，長度分別為263m、319m 及498m，支洞總長1080m。

2 區(qū)域地質(zhì)

2.1 地形地貌

區(qū)域地處云貴高原東部牛欄江與北盤江分水嶺地帶，海拔高程1653～2678.2m，隧洞進(jìn)出口高程2023～2134m。區(qū)域北西部受宣威西澤小江深切，形成高差達(dá)300m 以上的中山峽谷地形。小江與牛欄江交匯口岔河高程1653.0m，為工程區(qū)域最低排泄基準(zhǔn)面。引水隧洞工程處于滇東北喀斯特地區(qū)，隧洞沿線碳酸鹽巖大面積分布，地表巖溶漏斗、洼地及落水洞等巖溶發(fā)育，總體屬巖溶洼地及孤山、殘丘、溶蝕中低山地貌，巖溶地貌單元為峰林洼地。

2.2 地層巖性

引水隧洞通過地層主要為古生界石炭系（C1-3）生物骨屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r為主夾白云巖（總厚69.6～674m）；二疊系棲霞～茅口組（P1q+m）灰?guī)r、虎斑狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖（厚237～645m）。屬中厚層狀、厚層次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)中硬巖體。隧洞進(jìn)口K0+000～K0+340 及隧洞中后段K0+144～K4+450 為二疊系下統(tǒng)梁山組（P1l）石英砂巖、粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖及薄煤層（厚度5.4～124.8m）。除石英砂巖、粉砂巖為中～厚層狀較堅硬～堅硬巖體外，泥頁巖及薄煤層均為薄～中厚層狀軟質(zhì)巖。其中石炭系與二疊系地層中硬巖～較堅硬巖體總長6496.3m，占洞長的90%；二疊系下統(tǒng)梁山組軟質(zhì)巖（局部較堅硬～堅硬巖）661m，占洞長的10%。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)域地處楊子準(zhǔn)地臺滇東臺褶帶曲靖臺褶束宣威凹褶南西側(cè)。區(qū)域構(gòu)造以近東西向為主，近南北向及北北東向次之，構(gòu)造形態(tài)由褶皺及斷層組成。工程區(qū)區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域斷層主要為花魚洞～歸沙河斷層（F6）、紅石巖斷層（F9）、黎山斷層（F13）及磨嘎斷層（F14）。引水隧洞穿越火石坡復(fù)背斜，無較大斷裂通過，局部發(fā)育小斷層及層間擠壓破碎帶（f1～f4），地質(zhì)構(gòu)造以褶皺為主。上述區(qū)域斷裂構(gòu)造均展布于引水隧洞線外圍，對隧洞的穩(wěn)定與安全沒有直接影響或影響較小，但對工程區(qū)域地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)、巖體的完整性、巖溶的發(fā)育程度及地下水的補(bǔ)給逕流排泄有影響。

引水隧洞線以巖溶水為主。C1-3碳酸鹽巖含水層組巖溶發(fā)育，其透水性富水性強(qiáng)～較強(qiáng)，地下徑流模量為11.97l/s·km2，區(qū)內(nèi)泉水點出露較多，流量為0.2～2680l/s；P1q+m 碳酸鹽巖巖溶含水層組巖溶十分發(fā)育，富水性強(qiáng)，地下徑流模量為17.42l/s·km2，區(qū)內(nèi)泉水點出露較多，流量為1～1020l/s?；鶐r裂隙水主要賦存于P1l 及局部C1強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖風(fēng)化裂隙及下部構(gòu)造裂中，區(qū)內(nèi)泉水點少出露，流量較小為0.01～1.0l/s，富水性弱。C1-3與P1q+m 的接觸帶則富水性相對較強(qiáng)。引水隧洞線前段地下水向北西方向的窯上海子水庫排泄，最終向北西側(cè)牛欄江支流西澤河方向排泄，屬長江流域；而隧洞后段地下水則向南東方向的規(guī)沙河排泄，屬珠江流域。因此，引水隧洞線處于滇東北喀斯特地區(qū)巖溶發(fā)育的兩個不同水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

3 隧洞地質(zhì)環(huán)境

3.1 隧洞軸線布置

引水隧洞軸向S18°E，巖層走向S50°W，洞軸線與巖層走向呈50°～69°大角度斜交，洞軸線的布置有利于隧洞穩(wěn)定。隧洞沿線巖層呈背向斜傾向北西或南東，傾角較平緩為10°～24°；于褶皺軸部或不同地層巖性接觸部位巖層變陡，尤其P1l 與其他地層接觸部位巖層多褶曲，傾角陡傾為46°～57°。隧洞進(jìn)口埋深8m～34m，中后段埋深3m～114m，部分地段埋深較大為170m～260m。

3.2 隧洞圍巖類別

引水隧洞全長7157.3m，隧洞埋深8m～260m，地下水高出隧洞頂板20m～85m，部分地段地下水位于隧洞頂板附近。洞身多處于弱微風(fēng)化巖體內(nèi)，洞段處于強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)。按《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB 50487-2008，地下洞室圍按其穩(wěn)定性共劃分為Ⅰ～Ⅴ類。本工程根據(jù)巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件等，將隧洞圍巖劃分為Ⅱ類基本穩(wěn)定、Ⅲ類局部穩(wěn)定性差、Ⅳ類～Ⅳ類偏差不穩(wěn)定及Ⅴ類極不穩(wěn)定四個圍巖類別。隧洞圍巖總體以Ⅲ類為主，長3711m，占隧洞總長的52%；Ⅳ類圍巖長1002.3m，占隧洞總長的15%；Ⅳ類及Ⅳ類偏差圍巖長1496m，占隧洞總長的18%，少部份為Ⅱ類圍巖長948m，占隧洞總長的13%。溶洞發(fā)育及地下水豐富部位，常發(fā)生較大規(guī)模的塌方、涌水涌泥等不良地質(zhì)問題，圍巖不穩(wěn)定性-極不穩(wěn)定。

4 主要工程地質(zhì)問題

隧洞圍巖主要以灰?guī)r為主，溶洞、溶隙等巖溶發(fā)育。受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，于斷層破碎帶、擠壓破碎帶及節(jié)理密集帶、軟硬巖體接觸帶等部位巖體較破碎。經(jīng)施工階段地質(zhì)編錄統(tǒng)計：隧洞揭露具有一定規(guī)模和大小的溶洞110 多個，溶洞直徑1.2m～26.4m 不等，泥沙全充填～局部充填或無充填。揭露具有一定規(guī)模大小寬度0.2m～5.0m 的斷層及擠壓破碎帶60 多條。這些薄弱部位洞室圍巖穩(wěn)定性差，較易發(fā)生不良工程地質(zhì)問題。本工程因隧洞開挖而引起的主要工程地質(zhì)問題分為地下與地面兩個方面。地下工程地質(zhì)問題為：大溶洞、充填泥沙溶洞、洞內(nèi)破碎巖體、軟巖塑性變形巖體段的塌方；軟巖砂泥巖與中硬巖灰?guī)r接觸帶、溶洞及構(gòu)造強(qiáng)含水層富水帶的涌水涌泥及掉塊、片邦和冒頂?shù)?；洞外地面不良環(huán)境工程地質(zhì)問題為地表泉水、庫水枯竭及地面塌陷引起的房屋開裂變形。

4.1 隧洞塌方

隧洞Ⅳ～Ⅴ類圍巖破碎巖體較易發(fā)生塌方。塌方主要與斷層、節(jié)理裂隙、層面等結(jié)構(gòu)面、溶洞、巖石強(qiáng)度、巖體的完整性及地下水有直接或間接的關(guān)系。在斷層破碎帶、溝谷交匯、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、隧洞淺埋、地表逕流與地下水豐富的洞段易產(chǎn)生塌方。

本引水隧洞工程Ⅳ類偏差～Ⅴ類圍巖主要分布于進(jìn)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：進(jìn)口K0+000～K0+340 及中后部洞身段K4+144～K4+465 圍巖主要為P1l 砂泥巖及薄煤層；其余洞段圍巖為C1-3、P1q+m 灰?guī)r。Ⅳ類圍巖分布于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 各地層的分界線、接觸帶、背向斜軸部、斷層破碎帶、擠壓壓碎帶、節(jié)理密集帶、巖溶發(fā)育具泥沙、淤泥充填的大溶洞、地下水豐富、外水壓力較大、巖層較薄、節(jié)理張開夾泥、砂泥巖泥頁巖泥化等部位為Ⅳ類偏差～Ⅴ類圍巖。

4.2 隧洞涌水涌泥

引水隧洞穿越火石坡復(fù)背斜，隧洞圍巖主要以灰為主，巖溶發(fā)育，地下水豐富，洞體多為潮濕～強(qiáng)弱滴水和片狀～出水。隧洞共揭露直徑1.2m～26.0m 不等大小溶洞110 多個及寬度0.2m～5.0m 的斷層及擠壓破碎帶60 多條。這些泥沙溶洞堆積物一般結(jié)構(gòu)松散，含水量大，土質(zhì)軟弱，施工開挖較易形成涌水涌泥及塌方。于背向斜部位、較大溶洞發(fā)育部位、不同地層接觸部位尤其是P1l 砂泥巖軟質(zhì)巖與P1q+m 中硬巖接觸帶以及構(gòu)造裂隙發(fā)育及斷層破碎帶部位，地下水比較豐富。除強(qiáng)弱滴水和片狀出水外，隧洞共揭露較大股狀出水點30 多處，出水點流量5～50m3/h。隧洞開挖至這些地段時多發(fā)生涌水，在泥沙、淤泥充填的大溶洞部位、構(gòu)造裂隙發(fā)育延伸較遠(yuǎn)、地下水豐富地段往往發(fā)生涌水和涌泥，進(jìn)而影響圍巖穩(wěn)定性而產(chǎn)生塌方。如K0+096 隧洞淺埋段圍巖為P1l 砂泥巖軟質(zhì)巖，地下水豐富含承壓水，隧洞發(fā)生涌水，涌水量20m3/h，砂泥巖在地下水的作用下泥化塑性變形，圍巖完全無自穩(wěn)定能力而產(chǎn)生塌方并冒頂。K1+011 隧洞淺埋段處于向斜部位，圍巖C3灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，溶洞發(fā)育充填泥沙，地下水豐富，隧洞開挖過程中于此部位發(fā)生塌方冒頂。

5 工程處理措施

5.1 塌方處理

對開挖隧洞引起塌方及涌水不良工程地質(zhì)的Ⅳ～Ⅴ類圍巖隧洞段，用鋼拱架和超前管棚強(qiáng)支護(hù)，在洞體的頂拱及邊墻采取水泥漿固結(jié)灌漿，提高圍巖的強(qiáng)度及整體性；采取臺階式半斷面開挖，弱爆破，短進(jìn)尺，多循環(huán)，及時掛網(wǎng)噴錨，加強(qiáng)支護(hù)和排水。對于塌方及洞體變形較嚴(yán)重的洞段，及時采取了鋼筋砼襯砌永久支護(hù)。

5.2 涌水涌泥處理

隧洞發(fā)生的涌水涌泥洞段，應(yīng)及時疏排地下水和固結(jié)圍巖。對于斷層帶及時封閉掌子面，進(jìn)行超前固結(jié)灌漿加固圍巖，打超前排水孔降低水壓，并在隧洞頂拱用超前管棚進(jìn)行超前支護(hù)處理后再開挖掘進(jìn)。溶洞發(fā)育段，尤其是充填泥沙的大溶洞，在隧洞開挖過程中極易發(fā)生塌方及地表塌陷。應(yīng)首先進(jìn)行超前固結(jié)灌漿加固溶洞充填物，并盡量封閉巖溶通道，洞頂拱用超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)處理，然后開挖掘進(jìn)。對于溶洞堆積物規(guī)模較小及土質(zhì)較軟的洞段，將隧洞底板以上溶洞堆積物全部清除，特別是發(fā)生涌水涌泥時，讓洞內(nèi)淤泥爛泥先自流穩(wěn)定然后逐步挖除。

5.3 地面沉陷處理

對于隧洞埋深較淺、地表巖溶洼地及地下溶洞發(fā)育、涌水量較大、疏排地下水形成較大水位降可能引起地面不良環(huán)境地質(zhì)問題的隧洞段則不宜排水，而要及時封閉地下水，采取“引排灌”的工程措施封堵巖溶涌水通道。即先將涌水點用管子引至洞外后，對涌水點及周邊圍巖進(jìn)行充填固結(jié)灌漿，并對涌水段及時用鋼筋混凝土永久襯砌。待充填固結(jié)灌漿及鋼筋砼永久襯砌結(jié)束后再將管口封堵。否則會因為長時間疏排地下水，降低了區(qū)域地下水位而引起地面沉陷及建筑物沉降開裂變形等問題。對類似此特殊地段宜設(shè)計為有壓洞，洞內(nèi)不留排水孔，縮小回填灌漿孔距，把好灌漿質(zhì)量關(guān)，及時用鋼筋混凝土永久襯砌，以趨使地下水位上升，最大限度地有效恢復(fù)隧洞區(qū)域地下水位，使隧洞天然水文地質(zhì)條件及邊界不發(fā)生重大改變。

6 結(jié)束語

本文以滇東北典型的喀斯特地區(qū)中國煙草云南宣威大型引水濟(jì)榕為工程實例，通過前期工程勘察設(shè)計與后期施工地質(zhì)工作及對喀斯特地區(qū)該工程復(fù)雜的水文工程地質(zhì)條件、巖溶構(gòu)造發(fā)育不良物理地質(zhì)段所引起的隧洞塌方、涌水涌泥、軟巖變形、不同圍巖分類與開挖支護(hù)處理措施進(jìn)行了深入的分析與研究；對因隧洞開挖引起區(qū)域地下水位降低所形成在水位降落漏斗影響范圍內(nèi)的地面塌陷與沉陷、房屋開裂變形及地表水體枯竭之新的不良環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行了深入分析與研究，提出了相應(yīng)的處理措施與建議；對類似該引水隧洞水利水電工程在隧洞選線、開挖支護(hù)與襯砌及因開挖隧洞而引起地面不良環(huán)境工程地質(zhì)問題的工程處理措施等方面具有一定的借鑒作用；對水利水電工程建設(shè)同行技術(shù)人員在從事巖溶發(fā)育喀斯特地區(qū)隧洞工程設(shè)計與施工的生產(chǎn)實踐與實際技術(shù)工作中具有一定的參考借鑒作用和指導(dǎo)意義。