灰?guī)r區(qū)輸水隧洞典型巖溶工程地質(zhì)問題處理

夏志強，張瑜鵬，劉 洋，李俊杰

（浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002）

1 工程概況

杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水,通過輸水隧洞將水引至杭州市余杭區(qū)閑林水庫,為下游原水輸水工程提供優(yōu)質(zhì)千島湖水。輸水線路全長113.22 km,其中隧洞占比95%以上,襯后洞徑6.7 m（鋼襯段除外）,另包括倒虹吸、埋管段等多種結(jié)構(gòu)形式；進水口設計流量38.8 m3/s,97%保證率設計年配水量為9.78 億m3。

2 工程地質(zhì)背景

工程區(qū)一帶巖溶現(xiàn)象較普遍,發(fā)育于古生界的石炭系、二疊系以及震旦、寒武系的碳酸鹽巖地層中,均呈條帶狀分布。本工程千島湖進水口～蓮花溪段約13 km主要分布有石炭系及二疊系灰?guī)r,間夾泥盆系及志留系砂巖。該段主要的褶皺構(gòu)造為一系列的向斜和背斜,其走向與洞線交角甚小,兩翼基本對稱,傾角較陡,一般50°～65°為主,見圖1。

圖1 蓮花向斜典型構(gòu)造圖

隧洞軸線經(jīng)過地段地表巖溶發(fā)育,洼地、落水洞、溶溝、溶槽、石筍、石芽[1]均有分布。大地電磁測深（EH4）資料反映在這些洞段不同高程上多處出現(xiàn)低阻異常,估計與巖溶及溶蝕破碎帶有關(guān),典型探測成果及解釋見圖2。

圖2 灰?guī)r區(qū)典型洞段EH4探測成果及解釋

巖溶發(fā)育洞段施工易產(chǎn)生涌水突泥[2]災害,給生產(chǎn)安全帶來巨大隱患,對施工進度造成嚴重影響,工程投資也會顯著增加；工程運行期,由于灰?guī)r洞段可能發(fā)育隱伏、未揭露的溶腔、溶蝕通道,圍巖整體性、連續(xù)性差異大,且極有可能形成滲漏通道,處理不當易造成隧洞襯砌結(jié)構(gòu)破壞,內(nèi)水外滲嚴重時,還將導致滲漏損失水量劇增,造成重大經(jīng)濟損失。鑒于巖溶發(fā)育可能對隧洞造成的種種不利影響,需采取綜合手段進行探測及處置。

本工程在前13 km以灰?guī)r為主洞段共遭遇溶洞、溶蝕通道及強溶蝕帶等多達數(shù)十處,其中部分巖溶發(fā)育較為類似或規(guī)模較小,本文以工程中所揭露的典型巖溶發(fā)育特征及處理措施為分析對象。

3 不同發(fā)育形態(tài)巖溶及處理

3.1 水平向發(fā)育大型溶洞

主洞樁號K8+165.2～K8+152.7 處發(fā)育長邊與洞向呈大交角的大型溶洞,高度10 m以上,長邊最大長度約23 m以上,沿洞軸向最大寬度14 m,下部充水,洞側(cè)壁發(fā)育多條水平向延伸溶蝕通道,延伸走向無規(guī)律,屬于水平向發(fā)育巖溶。溶洞內(nèi)壁充填大量淺黃～淺綠色方解石巨晶,晶簇質(zhì)地較脆,強度低,局部穩(wěn)定性差,有塌落。隧洞整體從溶腔內(nèi)部穿過,腔內(nèi)充填物以方解石晶簇為主,充泥量少,除局部晶簇易震動塌落外,溶洞內(nèi)壁穩(wěn)定性總體尚可,開挖后其內(nèi)部充水已消散,無較大外部水源補給（圖3、圖4）。

圖3 溶洞揭露

圖4 內(nèi)壁發(fā)育方解石晶簇

該溶洞并未充填大量泥砂或有壓水,未與暗河連通,除局部方解石晶簇可能坍塌外,總體穩(wěn)定性尚可,開挖、支護安全風險較小。在溶洞及其前后一定范圍隧洞底板、側(cè)邊墻上進行地質(zhì)雷達[3]探測,結(jié)果顯示：樁號K8+189～K8+169底板及左右邊墻探測范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型空腔,局部裂隙發(fā)育或存在弱溶蝕；樁號K8+171～K8+165底板探測范圍內(nèi)巖體較破碎,溶蝕現(xiàn)象明顯,局部發(fā)育溶蝕帶或溶洞,最淺埋深3 m,底板下溶蝕通道主要發(fā)育在樁號 K8+167 附近。通過現(xiàn)場查勘及雷達探測可判斷：該大型水平向溶洞在充分清理不穩(wěn)定充填物后總體穩(wěn)定性尚可,雖發(fā)育多條水平向巖溶通道,但未發(fā)現(xiàn)較大的穩(wěn)定水源補給,可采取較為穩(wěn)妥的封堵措施；圍巖中隱伏發(fā)育溶蝕帶、溶腔等,不利于長期運行穩(wěn)定安全,需進行灌漿填充處理。

最終的處理方案為：一次支護時首先通過挖機、鎬頭機、人工對溶腔內(nèi)穩(wěn)定性欠佳的方解石晶簇等進行清除,充分排險保證其臨時穩(wěn)定性；清除隧洞底板上堆積、沉積的泥質(zhì)、坍塌體等,以二次襯砌的標準用C30 混凝土澆筑底部墊層,并在其中預先埋設鋼拱架橫撐和底角（圖5）；最后在隧洞底腳以上部分立鋼拱架（圖6）,拱架內(nèi)側(cè)支模板,拱架以外側(cè)壁及拱頂空腔用C20混凝土回填。

圖5 澆筑底板混凝土

圖6 溶洞內(nèi)支鋼拱架

從耐久性以及防滲安全角度考慮,由于溶洞形狀不規(guī)則,回填的混凝土耐久性較原圍巖差,溶洞發(fā)育部位又是滲漏安全的重點防范部位,該洞段二次襯砌采用預應力混凝土強化加固,最終還需對該段作回填灌漿和固結(jié)灌漿處理。方案簡圖見圖7。

圖7 K8+165.2～K8+152.7溶洞處理方案簡圖

3.2 發(fā)育暗河的大型充泥砂溶洞

金竹牌流量計交通洞樁號0+585 處,隧洞掌子面全斷面揭露為大型溶洞（圖8）。溶洞左上角向拱頂上部延伸,近似呈不規(guī)則圓錐體,底部直徑5 m～7 m,高度達15 m～20 m以上,充填黃褐色泥砂,開挖作業(yè)已造成部分泥砂塌落,但溶腔內(nèi)仍賦存大量泥砂,穩(wěn)定性差,隨時可能發(fā)生進一步坍塌。泥砂脫落后的溶腔內(nèi)壁光滑穩(wěn)定,附著灰白～灰黃色鈣華（圖9）。

圖8 掌子面揭露大溶洞

圖9 泥砂脫落后溶洞內(nèi)壁

另外在掌子面右側(cè)拱頂與右側(cè)壁交角處發(fā)育溶腔,進入內(nèi)部查看,溶洞近水平向右前方延伸一段距離后,略轉(zhuǎn)向與隧洞軸向呈小交角向前延伸,行進約60 m后往左轉(zhuǎn)向近90°,從洞頂上部橫穿隧洞,溶洞內(nèi)壁發(fā)育大量鐘乳石、石筍、石柱等,溶腔內(nèi)發(fā)育暗河[4]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該暗河極有可能與洞口上部一處落水漏斗連通,降雨量增大時段溶腔出水量急劇增大。

該溶洞豎向、水平向發(fā)育規(guī)模均較大,充填大量松散泥砂,自穩(wěn)能力很差,易產(chǎn)生坍塌,對施工安全造成較大威脅；隧洞右側(cè)壁～前方拱頂以上發(fā)育的暗河延伸長,方向變化大,且右側(cè)壁與暗河間圍巖厚度及拱頂與暗河間的巖體厚度均較小,爆破施工易造成圍巖被破壞、穿透,可能發(fā)生涌水事故；隧洞內(nèi)暗河發(fā)育,水源補給持續(xù)穩(wěn)定,降雨期間涌水量明顯增加,直接封堵處理難以保證擋水效果,且易形成新的滲漏點,應盡量做到引排為主,封堵為輔。

最終采用的處理方案為：首先用水槍、風槍等設備清理溶洞內(nèi)松散充填物；其次在溶腔內(nèi)加密鋼拱架支護形成骨架支撐,拱架間距采用30 cm～50 cm；然后對溶洞用砂袋、混凝土進行分層填筑（圖10）,拱頂以上混凝土有足夠厚度為止,最后再在填充體中進行二次開挖（圖11、圖12）。

圖10 溶洞回填再開挖示意圖

圖11 溶洞填筑

圖12 二次爆破開挖

考慮到要在填筑體內(nèi)進行二次開挖,拱頂以下部分空腔使用砂袋填筑,開挖時可將砂袋挖掉,以減小爆破對混凝土的震動破壞作用,并節(jié)省混凝土用量。

因隧洞右側(cè)壁外及前方拱頂以上發(fā)育一條暗河,且右側(cè)壁、拱頂與暗河間的巖體厚度均較小,爆破施工易破壞圍巖完整性,為減小施工風險,將洞軸線向左偏轉(zhuǎn),另外增大隧洞縱向坡率,以加快降低洞頂高程,保證側(cè)壁、拱頂與暗河間有足夠的巖體厚度（圖13）。

圖13 溶洞段隧洞軸線平面調(diào)整示意圖

實際開挖中要求采用短進尺、小藥量掘進,減小對圍巖的爆破震動作用,避免發(fā)生涌水事故。因溶洞暗河與外部落水漏斗連通,汛期出水量大,不宜進行簡單封堵,因此在底板以下鋪設排水管道將暗河引流到洞外溝中。

3.3 溶蝕通道內(nèi)充有壓水

主洞樁號K1+940 處,掌子面左下角炮孔內(nèi)噴出有壓水,水量大、水壓高,水流噴出距離10 m～20 m,經(jīng)過長時間排水后,未發(fā)現(xiàn)水壓力、水流量有明顯減小趨勢,推測前方巖體內(nèi)溶腔發(fā)育,并賦存較高水頭巖溶水（圖14）。

圖14 掌子面鉆孔噴水

在掌子面及左右、頂部洞壁布置地質(zhì)雷達測線并進行紅外探水,主要成果為：掌子面前方樁號 K1+938～K1+918 洞段為溶蝕破碎帶,發(fā)育中小規(guī)模溶洞或管道,富水；溶腔主要分布在掌子面左前方,左側(cè)巖溶發(fā)育程度較右側(cè)嚴重,左側(cè)先遇巖溶,右側(cè)推后；右邊墻K1+960～K1+940 段下部探測深 20 m內(nèi)裂隙發(fā)育,局部溶蝕,有分散滲水,其中洞腰中下部較上部溶蝕程度稍強；左邊墻K1+960～K1+940 段下部探測深 20 m 內(nèi)裂隙發(fā)育,局部溶蝕,有分散滲水,K1+945～K1+940 探測深度內(nèi)裂隙發(fā)育,局部溶蝕成縫或溶孔,含裂隙水。

該洞段掌子面前方及側(cè)壁以外圍巖溶蝕通道、破碎帶發(fā)育,多富水,溶蝕作用深度達20 m,巖溶作用空間分布不規(guī)則,發(fā)育程度不一,掌子面前方左側(cè)總體發(fā)育程度高于右側(cè),空腔、通道內(nèi)充較高水頭巖溶水。因掌子面噴出水流壓力較高,且經(jīng)過較長時間排水后,水頭壓力、水流量未有明顯降低,推測該段巖溶水可能通過溶蝕通道與外界連通,其水源充足,賦存較高勢能,貿(mào)然開挖掘進,有發(fā)生涌水突泥的風險,因此首先應采取封堵、止水措施,待截斷壓力水后方可謹慎開挖。

基于上述綜合分析,采取的初步封堵措施為：在隧洞側(cè)壁及掌子面前方進行高壓注漿,以對富水溶蝕通道進行封堵。注漿孔按環(huán)形布置多排,由外環(huán)向內(nèi)環(huán)依序注漿,掌子面最深注漿孔20 m以上,要求穿透溶蝕發(fā)育區(qū)域；側(cè)壁注漿深度要求不少于3 m,保證主洞洞壁有一定的安全厚度；同時在注漿期間應根據(jù)水壓、流量變化情況,及時調(diào)整漿液配比（水泥漿、水泥砂漿）、濃度、灌漿壓力等（圖15）。

圖15 掌子面前方圍巖灌漿

第一輪注漿結(jié)束后通過地質(zhì)雷達、鉆孔電視等手段對隧洞側(cè)壁及掌子面前方注漿效果進行查探,總體來看淺部10 m～20 m發(fā)育的富水溶蝕通道、孔洞等多被水泥漿所充填,灌漿封堵效果較為明顯,但基巖深部空腔、通道漿液充填情況則相對較差,封堵效果不明顯。

然后采取第二步處理措施,方案見圖16。

圖16 導洞開挖及第二輪灌漿布置簡圖

在掌子面中～右側(cè)溶蝕作用較弱區(qū)域先打超前探孔,驗證灌漿堵水效果；超前探孔內(nèi)未發(fā)現(xiàn)壓力水涌出,然后進行導洞開挖,開挖時采用小藥量、短進尺的掘進方式以減小對洞壁的擾動；導洞開挖后,再從導洞內(nèi)部對左側(cè)巖體進行第二輪注漿封堵；注漿待凝后在導洞周邊進行擴挖,逐漸擴挖至主洞尺寸。

4 結(jié)論

隧洞巖溶問題應根據(jù)其各自發(fā)育特點,及其可能對施工、運行造成的影響,因地制宜的采取合理方案,歸納如下：

1）溶洞富集高水頭地下水時,可考慮灌漿封堵,打超前探孔,導洞擴挖等手段,降低涌水風險。灌漿需根據(jù)巖溶水壓力、流量變化情況及時調(diào)整漿液配比、濃度、灌漿壓力等參數(shù)。

2）溶洞發(fā)育地下暗河,與地表水連通,水量在枯水期、汛期差異明顯,不宜貿(mào)然進行封堵,可因勢疏導,盡可能對暗河引流自排。

3）溶洞充大量泥砂,穩(wěn)定性很差,施工安全無法保證,可先將整個溶腔及隧洞周圍一定安全厚度進行回填砼,形成保護殼后再開挖。從經(jīng)濟方面考慮,洞內(nèi)回填后需二次開挖部分可考慮采用廉價、實用材料,節(jié)約砼用量。

4）若溶洞內(nèi)壁穩(wěn)定性較好,施工作業(yè)安全無嚴重風險時,可在排險后先利用鋼拱架、網(wǎng)噴等形成保護殼以便于后續(xù)開挖施工,待襯砌時再往外部空腔中填充混凝土。

5）灰?guī)r區(qū)隧洞施工應充分利用地質(zhì)雷達、TSP、紅外探水、鉆孔電視等物探手段進行超前地質(zhì)預報,綜合判斷巖溶的發(fā)育形態(tài)及特點,制定相關(guān)應急預案,采取可行的施工措施。