新疆某隧洞不良地質(zhì)洞段支護(hù)及地質(zhì)缺陷處理措施研究

李瑞

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊 830001）

1 工程概況

新疆某輸水隧洞工程隧洞洞線方向?yàn)闁|南西北方向，隧洞按無壓城門洞型設(shè)計(jì)，隧洞總長12 km，隧洞襯砌后的斷面尺寸為2.80m×3.56m（寬×高，直墻高2.75m），頂拱中心角120°。某輸水隧洞共設(shè)計(jì)3條施工支洞，位置分別是主洞樁號(hào)K2+215.23的1號(hào)斜井支洞、K4+744.66的2號(hào)斜井支洞、K7+369.68的3號(hào)斜井支洞。施工支洞斷面襯砌后為3.40m×4.15m（其中直墻高3.17m，頂拱高0.98m），中心角為120°。

2 隧洞基本地質(zhì)條件

工程區(qū)大部分地段屬于侵蝕、剝蝕性中低山，以及黃土剝蝕丘陵。地形總的趨勢表現(xiàn)為西高東低，地面高程多在980～1300m，溝谷切割深度一般小于100～200m，其間溝谷發(fā)育，多呈“V”字型，谷底多有地表水流。參考工程區(qū)水文地質(zhì)條件、巖體強(qiáng)度、巖石強(qiáng)度應(yīng)力比、巖體完整性、隧洞巖體結(jié)構(gòu)、圍巖主結(jié)構(gòu)面與隧道軸線的夾角等，綜合各類條件研究判斷隧道圍巖等別。某輸水隧洞斷面多以Ⅲ類圍巖居多，密集的節(jié)理裂隙帶和斷層破碎帶為Ⅳ類和Ⅴ型圍巖，考慮Ⅳ類和Ⅴ型圍巖處理施工難度較大，文章主要討論上述圍巖支護(hù)措施，圍巖分布詳見表1。隧洞埋深洞段受巖體的層面完整程度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況及構(gòu)造破碎帶等控制，而受巖性變化的影響并不明顯，隧洞埋深一般100～149m，局部段埋深較淺，多數(shù)巖體呈微風(fēng)化～新鮮。巖體中主要發(fā)育3組節(jié)理，節(jié)理多閉合，延伸不長，一般數(shù)米，間距一般0.3～0.5m，局部密集。隧洞出口段巖體由于埋深較小，為強(qiáng)～弱風(fēng)化，屬于較破碎巖體。工程區(qū)段未發(fā)現(xiàn)大的斷裂，已查明及推測的非活斷層共有3條，均為高角度斷層，走向?yàn)镹WW向，斷層規(guī)模一般都不大。局部有少量糜棱巖，其余斷層規(guī)模較小。

表1 主洞Ⅳ類和Ⅴ類圍巖特性表

3 不良地質(zhì)洞段支護(hù)及地質(zhì)缺陷處理措施

水利水電工程涉及隧洞作業(yè)，因受到工程所在地實(shí)際地形、埋深、地質(zhì)情況及作業(yè)空間窄小等諸多因素影響，普遍具有未知性大、作業(yè)復(fù)雜、作業(yè)期限較長等特點(diǎn)。而在隧洞掘進(jìn)過程中的不良地質(zhì)洞段處理施工是隧洞施工的難題所在。

此輸水隧洞工程作為“線狀”工程，隧洞開挖掘進(jìn)長度達(dá)12km，中間布置3條施工支洞，長距離隧洞施工具有線長、面廣、施工點(diǎn)多的特點(diǎn)，同時(shí)施工區(qū)域還具有高原山地氣候特點(diǎn)，受自然環(huán)境施工影響多。施工區(qū)年平均氣溫6.9℃，最低氣溫-31.4℃，冬季最低氣溫降到0℃以下時(shí)，施工難度大，需綜合考慮高原降效因素，增加資源配置，合理規(guī)劃冬季施工時(shí)間。

3.1 主洞Ⅳ類和Ⅴ類圍巖支護(hù)措施

某隧洞主要支護(hù)型式為掛鋼筋網(wǎng)、噴射C25混凝土、鋼拱架、φ25系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿（Ⅳ-2、Ⅴ類圍巖）、φ42超前注漿小導(dǎo)管（Ⅴ類圍巖）。錨桿孔采用方便移動(dòng)的平臺(tái)架配合手風(fēng)鉆造孔，注漿機(jī)注漿，人工安插錨桿。噴混凝土在拌和站拌制，經(jīng)混凝土運(yùn)輸車運(yùn)至施工工作面。主洞支護(hù)參數(shù)：Ⅳ-1類圍巖洞段頂拱及側(cè)墻系統(tǒng)錨桿（砂漿錨桿）φ25、排距1.0m、長度L=2.0m；頂拱及側(cè)墻范圍噴射混凝土厚10cm，鋼筋網(wǎng)φ8@200×200（底板部位無錨桿，不噴混凝土、不掛網(wǎng)）。Ⅳ-2類圍巖洞段頂拱及側(cè)墻系統(tǒng)錨桿（砂漿錨桿）φ25、排距1.0m、長度L=2.0m；頂拱及側(cè)墻范圍噴射混凝土厚15cm，鋼筋網(wǎng)φ8@200×200（底板部位無錨桿，不噴混凝土、不掛網(wǎng)），全斷面I12.6鋼拱架，φ25鎖腳錨桿長度，L=2.0m，外插角15°。Ⅴ類圍巖洞段頂拱及側(cè)墻系統(tǒng)錨桿（砂漿錨桿）φ25、排距0.6m、長度L=2.0m；頂拱及側(cè)墻范圍噴射混凝土厚15cm，鋼筋網(wǎng)φ8@200×200（底板部位無錨桿，不噴混凝土、不掛網(wǎng)）；全斷面I14鋼拱架，φ42超前小導(dǎo)管，仰角10°，環(huán)間距0.4 m，排距1.8m，L=3.0m。圍巖支護(hù)示意圖見圖1～4。

圖1 Ⅳ-2類圍巖支護(hù)示意圖

圖2 Ⅳ-2型一次支護(hù)縱剖面圖

圖3 Ⅴ類圍巖支護(hù)示意圖

圖4 Ⅴ類一次支護(hù)縱剖面圖

3.2 地質(zhì)缺陷問題施工處治措施分析

3.2.1 地下水的處理

隧洞開挖過程中，若遇地下水活動(dòng)較嚴(yán)重地段，采用排、堵、截、引等綜合治理措施進(jìn)行處理，具體措施：

1）在隧洞內(nèi)布置集中排水泵站及相應(yīng)的排水管路，分段接力將水排出洞外，泵站配置的水泵功率大于排水量20%，并考慮備用。工作面采用潛水泵、集水井、排水溝匯水至集中排水泵站。

2）隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。參考隧洞超前預(yù)報(bào)結(jié)果和地質(zhì)鉆探證實(shí)的地層巖性，研究巖石構(gòu)造面的發(fā)育情況、完整性和滲水狀況，分析確定水壓和出水量，提前制定排水和堵塞水流方案，以防止涌水發(fā)生。

3）對(duì)極易發(fā)生涌水的位置加密動(dòng)態(tài)監(jiān)測，有針對(duì)性地采取技術(shù)措施，最大程度降低突發(fā)涌水的可能性，保障隧道施工作業(yè)安全，盡可能降低突水造成的工程損失。極易發(fā)生突發(fā)涌水的區(qū)域?yàn)閹r性界面附近、斷層、與隧道相交的致密裂隙等構(gòu)造面、氣孔渾水、地溫值較低、開挖位置附近裂隙出現(xiàn)泥質(zhì)物等。

4）地下水較豐富的洞段，采用注漿堵水措施。預(yù)灌漿處理措施擬采用掌子面超前鉆孔預(yù)注漿和平行隧洞側(cè)面預(yù)注漿兩種方法同時(shí)實(shí)行，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，在灌漿中有選擇性地加入穩(wěn)定劑、增塑劑、速凝劑和超細(xì)硅灰等外加劑，提高灌漿的性能、凝結(jié)能力和穩(wěn)定性，保證漿液質(zhì)量。

對(duì)洞挖所揭露的線狀滲水，因其水壓力不高，單點(diǎn)出水量也有限，擬采用水泥和水玻璃或水泥與聚胺脂雙液注漿進(jìn)行封堵，必要時(shí)采用“分流”方案以減少滲水點(diǎn)的流量、流速，對(duì)滲水點(diǎn)直接封堵。

5）施工中當(dāng)突然遭遇高壓集中涌水時(shí)，及時(shí)對(duì)掌子面的涌水部位采用混凝土封堵并進(jìn)行預(yù)注漿，待隧洞圍巖周圍形成穩(wěn)固的止水層后再繼續(xù)開挖。

6）隧洞開挖后，必要由工程經(jīng)驗(yàn)豐富的地質(zhì)專業(yè)技術(shù)人員對(duì)工程區(qū)域水文地質(zhì)資料充分研究分析，結(jié)合類似的水文地質(zhì)條件、工程案例和施工現(xiàn)狀，細(xì)化作業(yè)期間隧道突發(fā)涌水的排水方案和設(shè)備配置，制定具有操作性較強(qiáng)的應(yīng)急預(yù)案，并定期演練。開挖過程中，施工單位還要依據(jù)地下水監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息，及時(shí)更新調(diào)整防滲排水方案和措施。

7）隧洞施工過程中出現(xiàn)大規(guī)模地下涌水，立即采取措施控制涌水，并及時(shí)通知各參建單位。

3.2.2 斷層處理

1）開始作業(yè)前，必須明確斷層帶基本情況，主要包括斷裂帶的寬度、填充物、地下水分布和隧洞軸線與斷層構(gòu)造線位置關(guān)系，通過斷層帶的實(shí)際情況采取合適的施工工法和作業(yè)設(shè)備。

2）在斷層規(guī)模較小、滲水較小條件時(shí)，可以利用超前錨桿、超前小鋼管、超前小導(dǎo)管注漿、管棚等支護(hù)措施和超前灌漿處治。

3）在斷層規(guī)模大或滲水量大時(shí)，第一步實(shí)施超前灌漿處理，再綜合超前支護(hù)措施處理斷層帶不良地質(zhì)。

4）盡可能縮短斷層帶各個(gè)施工工序之間時(shí)間間隔，使全斷面支撐或襯砌盡速密封，降低巖石裸露風(fēng)化時(shí)段。

5）在鉆孔爆破作業(yè)過程中，必須嚴(yán)格控制爆破孔的數(shù)量、深度和裝藥數(shù)量，使爆破對(duì)巖層的振動(dòng)最小化。

6）斷層地段加強(qiáng)支護(hù)，并經(jīng)常檢查加固。

3.2.3 塌方事故預(yù)防和處理

1）隧洞塌方預(yù)防

隧道塌方極易產(chǎn)生重大安全事故，預(yù)防隧道塌方事故是保證施工作業(yè)的關(guān)鍵之一。施工中隨時(shí)觀察和監(jiān)測地質(zhì)有無異?，F(xiàn)象，研究巖體和地下水變化情況，采取科學(xué)有效的支護(hù)措施，增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，提前預(yù)防隧道塌方。在地質(zhì)條件較差的洞段作業(yè)時(shí)，進(jìn)行勘探孔及地質(zhì)測試孔的鉆孔工作，并據(jù)此進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，堅(jiān)持弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)和勤觀測的施工方法。對(duì)未擾動(dòng)而破碎的巖層、結(jié)構(gòu)面不利的塊狀巖層或松散滲水的圍巖段，利用超前錨桿支護(hù)。某輸水隧道部分路段圍巖松散散亂，地下水十分豐富，優(yōu)先采用超強(qiáng)小管注漿加固支護(hù)。隧道穿越高速公路路段、居民生活居住區(qū)等特殊位置時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件調(diào)整施工方案，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施超前支護(hù)，防止發(fā)生滑坡、頂板塌陷、地表大范圍沉降等情況。

2）塌方處理

隧洞坍塌之后，塌方位置及附近作業(yè)面馬上停止作業(yè)施工，現(xiàn)場作業(yè)人員要立即向項(xiàng)目負(fù)責(zé)人報(bào)告。施工單位立即派出專業(yè)技術(shù)人員開展現(xiàn)場調(diào)查，分析坍塌的成因，掌握坍塌范圍、類型和下一步發(fā)展態(tài)勢，檢查塌方位置的地質(zhì)情況和地下水發(fā)育程度，制定出科學(xué)合理可操作性的處理措施。對(duì)于輕微塌方洞段，待洞段塌頂長時(shí)間較為穩(wěn)定不掉落塊石后，及時(shí)加固坍塌位置附近的巖石并及時(shí)布設(shè)支護(hù)措施支撐頂部，以阻止坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于大范圍塌方，在坍塌治理方案未明確之前，切勿先盲目拆除塌方體，否則會(huì)發(fā)生更大規(guī)模和面積的塌方。對(duì)于具有地下水發(fā)育程度較高的塌方，建議先控制水，然后控制塌方體。除此之外，施工單位要快速組織坍塌治理所需的材料、設(shè)備和人員的投入，以避免停工。

對(duì)于各種類型的隧洞塌方采用的處理方法：裂紋擴(kuò)展引起的塌方應(yīng)使用噴錨法、挑梁法和置換支撐法進(jìn)行處治；較為狹窄而長的塌方，可以借助隧洞兩側(cè)的完整巖壁條件，運(yùn)用挑梁法和頂部支護(hù)法治理；中等程度的塌方體，可以根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用噴錨法、頂板保護(hù)法、插筋排架法和鋼管棚架法治理；大規(guī)模大范圍塌方，如果塌方體石塊嚴(yán)重阻塞了全部輸水隧洞，又不完全了解崩塌的范圍大小和發(fā)展趨勢，可運(yùn)用預(yù)注漿法、噴錨法、鋼管棚架和鋼排架等多種施工工藝綜合施策處理。

4 結(jié)語

綜上所述，新疆某輸水隧洞項(xiàng)目是線性地下隱蔽項(xiàng)目，必須穿越峰谷、河流，地下埋深變化很大。開挖面臨的地質(zhì)條件復(fù)雜多變，遇到不良地質(zhì)條件的情況非常普遍，但在大多數(shù)不良地質(zhì)洞段都可以采取技術(shù)措施提前預(yù)防控制。同時(shí)，為保證開挖作業(yè)的安全和質(zhì)量，作業(yè)過程中的超強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)至關(guān)重要，對(duì)不合格的地質(zhì)隧道段要進(jìn)行合理、安全的處理，不良影響最小化。隧道施工中嚴(yán)格按照“保護(hù)圍巖、巖變我變，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱，二襯及早跟進(jìn)”的方案，充分發(fā)揮圍巖承載力，有效地控制了圍巖的變形，作業(yè)過程中未出現(xiàn)安全事故，達(dá)到了預(yù)期的施工目標(biāo)，可為類似地質(zhì)條件輸水隧洞工程的施工提供一定的參考。