采用繞洞形式通過隧洞不良地質段的優(yōu)化方案探討

姜昊

（遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 工程概況

工程位于桓仁縣境內，主體工程為取水首部工程和輸水隧洞工程。取水口建筑物長33.30 m，樁號0-020.500～0+012.800；取水口后布置2條壓力隧洞，樁號0+012.800～0+179.000；地下廠房樁號0+179.000～0+199.000；廠房后布置3條尾水洞，樁號0+199.000～0+224.780。輸水隧洞長21 166.22 m，其中，樁號0+224.780～0+324.500為電站及旁通閥尾渠段；樁號0+324.500～21+391.230為輸水隧洞主洞段，縱坡i=0.031 15%，采用鉆爆法施工，斷面為馬蹄形，成洞洞徑為7.28 m。主洞沿線布置有4條施工支洞，為1，2，3和3′號施工支洞，支洞斷面均為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸6.60 m×6.00 m（寬×高）。

2 2～3號洞之間主洞段施工進展情況

2號支洞在進入主洞控制段施工后，下游側開挖了45.76 m后至樁號8+776.000處出現(xiàn)了較大規(guī)模的涌水、涌砂及塌方，經過前期的抽排水、超前管棚施工、普通水泥加HSC超細水泥灌漿等處理措施后，打超前探水孔時仍然存在涌水涌砂，短期內無法開挖通過，處理極為困難。為了不影響總體工期，經各方研究決定采取增加2號岔洞方案，即從2號支洞向主洞下游側增加一條進入主洞的岔洞，避開該涌水斷層帶并繼續(xù)向主洞下游側開挖；同時，為確保通水目標的實現(xiàn)，決定在2號洞和3號洞之間增加2′號支洞，2′號支洞打到主洞部位后，分別向上下游開挖接應該段主洞施工。2014年1月1日，2號岔洞在開挖至主洞下游側樁號8+987.000時再次出現(xiàn)了較大規(guī)模的涌水、塌方，2號岔洞累計向下游開挖106.00 m。至此，2號洞與2′號支洞之間的主洞剩余未開挖長度為2 243.86 m。2′號支洞開挖完成650.00 m，剩余274.37 m到達主支洞交叉點。

3 2～3號洞之間地質分析

從可研階段及前期階段補充勘察地質資料得知，2～3號主洞段地質條件十分復雜，該段穿越F17′，F(xiàn)18，f1斷裂帶及車道溝河谷（洞線穿越河谷寬約270.00 m），巖性主要為變粒巖夾大理巖或大理巖夾變粒巖，存在溶蝕構造。上述洞段存在圍巖失穩(wěn)與涌水問題，是制約工期的主要因素，其它洞段一般巖體完整性差～較完整，巖石多為中硬巖，以滴水～線流為主，對施工開挖影響不大。由于F18，f1及巖組接觸帶均與洞線正交，且延伸較遠，洞室埋深較大，無論洞線如何調整均無法避過，需采取工程措施處理通過。而分布于車道溝一線的F17′斷裂及其影響帶洞段，巖性主要為大理巖夾變粒巖，在構造影響下巖石蝕變嚴重，地下水發(fā)育，不良地質洞段較長，施工涌水問題突出，是施工最難通過洞段，也是重點優(yōu)化調整洞段，即研究從現(xiàn)洞線左側或右側繞行的可行性。

3.1 車道溝區(qū)域地質綜合分析

在車道溝區(qū)段，先后完成了地面1∶10 000地質測繪、6個地面鉆孔、10條物探勘探剖面、4個長距離洞內超前地質鉆孔。目前地表正在對CDK5～CDK7的3個補充地質勘探孔進行施工。據(jù)已有地勘資料推測，F(xiàn)17′斷裂帶傾向洞線上游方向，即傾向山內，陡傾角，在平面展布方向上呈波狀延伸，與車道溝河谷展布方向基本一致，斷層在現(xiàn)洞線附近方向出現(xiàn)轉折。在斷層上盤布設的CDK3鉆孔（洞線樁號9+111.000處）揭露，全孔巖石以大理巖為主，局部夾變粒巖，在深度107.00 m以下巖石強風化，巖芯多為碎塊狀，大部分見有溶蝕孔隙及水銹，洞室部位巖石質量指標RQD值為1%～13%，巖石破碎；在洞內樁號8+985.000處實施的2D1超前鉆孔（孔深55.00 m）與2D2超前鉆孔（孔深50.00 m）均揭露混合巖化大理巖與較大涌水現(xiàn)象。由以上3個鉆孔資料綜合分析，F(xiàn)17′斷裂帶上盤巖石以大理巖為主，易溶蝕，巖體多破碎，富水，隧洞開挖將發(fā)生涌水塌方問題。在F17′斷裂帶下盤，即車道溝河谷以北，據(jù)CDK1，CDK2，CDK4，HQK40等4個鉆孔及地表巖石露頭鑒定，巖石均為變粒巖，洞室部位巖石弱風化～微風化，中硬～堅硬，巖體完整性差～較完整，一般弱透水，對隧洞開挖較有利。

3.2 車道溝區(qū)域洞線左側地質條件分析

根據(jù)車道溝區(qū)域綜合地質分析，F(xiàn)17′斷層上盤對隧洞開挖影響大，為不良地質洞段，而下盤對隧洞開挖影響較小。據(jù)地質剖面圖推測，F(xiàn)17′斷層及其影響帶在現(xiàn)洞線方向寬度約為180.00 m，即洞線穿越180.00 m長的不良地質洞段。在洞線左側300.00 m與210.00 m的兩個近南北向物探剖面顯示，均各有1個明顯的物探異常點，即不良工程物性點，該兩點與CDK3鉆孔（不良地質）三點相連顯示出斷層的延伸方向，其上盤的地質條件與現(xiàn)洞線類似，若洞線從左側繞行，由于洞線與斷層走向夾角變小，由此推斷其穿越的不良地質洞段長度將大于現(xiàn)洞線方案的長度。

3.3 車道溝區(qū)域洞線右側地質條件分析

現(xiàn)洞線右側在車道溝共布設了4條長物探剖面，其中3條為近東西向，1條為近南北向。3條東西向物探剖面無物性異常，視電阻率較高，解譯出巖體基本無不良工程特性，與巖性變粒巖等硬質巖相對應；南北向物探剖面僅有一處不明顯的物性異常點（距現(xiàn)洞線垂直距離120.00 m），解譯工程物性略差。從物探成果的角度分析，在距現(xiàn)洞線垂直距離120.00 m以外區(qū)段其地質條件要好于現(xiàn)洞線。

施工開挖揭露，現(xiàn)洞線于樁號8+965.4000底腳處開始出露大理巖，至8+969.000大理巖完全出露，大理巖的分布走向垂直于洞軸線，若按垂直洞線方向推測，由于F17′斷層方向內旋，推測在右側斷層附近大理巖分布范圍變小，即不良地質洞段變短（約40.00 m），而向上游方向巖性大部分與現(xiàn)洞線對應的已開挖洞段的巖性相同，為變粒巖，巖石多為中硬巖，成洞條件較好。由此分析認為，若現(xiàn)洞線從右側繞行，其成洞條件明顯優(yōu)于現(xiàn)洞線。

4 優(yōu)化洞線設計

洞線設計優(yōu)化原則：優(yōu)化洞線穿越不良地質段盡可能短；洞線轉彎角度不大于60°，轉彎半徑大于3倍洞徑；優(yōu)化洞線盡可能最短，并使隧洞過流條件盡可能優(yōu)越；優(yōu)化洞線起點應選在隧洞圍巖較好處。

4.1 優(yōu)化洞線布置

根據(jù)以上設計原則，方案對主洞樁號8+862.137～11+106.000范圍內的洞線進行調整，調整后的主洞（繞洞）洞線位于現(xiàn)洞線右側，在2號岔洞上游樁號8+869.056處從現(xiàn)主洞線轉彎，轉彎角度為60°，在2號岔洞下游掌子面處（樁號8+985.500）與現(xiàn)洞線間距為195.40 m，至2′號支洞處與現(xiàn)主洞線銜接。優(yōu)化洞線的轉彎半徑均為40.00 m，優(yōu)化洞線后主洞新增開挖長度287.00 m。調整后的洞軸線沿山脊延伸與F17′斷層走向垂直，穿越斷層后以弧形與2′號支洞在現(xiàn)主洞交叉部位銜接；推測優(yōu)化后的洞線在前195.40 m巖性為變粒巖，以Ⅲ類圍巖為主，與現(xiàn)洞線已開挖的對應洞段基本一致；進入F17′斷層及其影響帶，推測長度約40.00 m，比現(xiàn)洞線的不良地質洞段180.00 m縮短了140.00 m；通過該斷層后其余洞段與現(xiàn)洞線對應的地質條件基本一致。

4.2 開挖支護

在斷層破碎帶范圍內，地面注漿結束后，主洞開挖超前支護采用頂拱布設φ 108超前管棚，間距為0.30 m，開挖后及時架設HW150型鋼支撐，間距為0.60 m，掛鋼筋網噴150 mm厚C30混凝土。隧洞開挖采用分臺階法，短進尺、弱爆破，每循環(huán)開挖進尺為0.60 m，必要時對局部出水量大的部位進行化學灌漿，其余部分主洞開挖按常規(guī)洞段開挖[1]。

4.3 襯砌

主洞8+985.500～9+052.500之間，采用混凝土襯砌承擔外水壓力，襯砌厚度為0.90 m。對隧洞襯砌外塌腔采用泵送混凝土回填，其余部分主洞襯砌按常規(guī)洞段襯砌。

5 施工方法

5.1 超前地質預報

由于該段地質條件復雜，不確定因素較多，因此，施工時要嚴格按照設計院編制的超前地質預報方案執(zhí)行。根據(jù)初判繞洞前60.00 m為Ⅲ類圍巖，正常開挖，到達繞洞0+060.000樁號后停止掘進，進行TSP超前地質預報，并配合超前地質鉆孔勘探，探明前方地質條件，然后再進行掘進施工。

5.2 開挖支護總體方案

主洞采用繞洞方案后，主洞巖石以Ⅲ類、Ⅳ類圍巖為主。

Ⅲ類圍巖洞挖段采用全斷面鉆爆掘進，手風鉆機進行鉆孔，爆破形式采用中心孔楔形掏槽、周邊光爆的方式進行。爆破孔從內向外依次為掏槽孔、主爆孔、輔助孔、光爆孔；鉆孔前先進行測量放樣并根據(jù)斷面形式布孔，一般參數(shù)為孔徑42 mm、孔深3.70 m，孔向垂直于工作面，光爆孔向外傾斜10～20 cm，以便留出下一循環(huán)光爆孔鉆孔部位。裝藥前對炮孔位置、角度、深度等參數(shù)進行檢查，合格后再根據(jù)爆破設計進行裝藥施工，炸藥選用φ 32乳化炸藥，周邊孔（光爆孔）選用φ 32/2乳化炸藥。采用非電起爆，非電毫秒雷管分段，起爆順序依次為掏槽孔、主爆孔、輔助孔、光爆孔。循環(huán)進尺控制在2.50～3.50 m，支護緊隨開挖掌子面進行。

Ⅳ類圍巖段根據(jù)出露的巖石情況采用全斷面短進尺或臺階法分為上、下兩部分進行施工，支護緊隨開挖進行。Ⅴ類圍巖段采用預留核心土法分四部分進行施工，頂層開挖鉆孔采用手風鉆造孔，循環(huán)進尺控制在1.00～2.00 m以內，設計輪廓線上進行光面爆破。每區(qū)開挖后及時跟進支護，每區(qū)進行一循環(huán)鉆爆后迅速完成該區(qū)的錨噴、工字鋼支撐，支護未完成不得進行該分區(qū)或其它分區(qū)的鉆爆作業(yè)。

Ⅲ，Ⅳ類圍巖扒碴及清理掌子面均采用CAT320反鏟，裝碴及運碴采用3.0 m3側翻裝載機配15 t自卸車，棄碴運至2號洞棄碴場。為滿足主洞開挖出碴施工要求，每隔250.00 m需對主洞進行擴挖設置錯車道。根據(jù)繞洞設計方案，在繞洞穿越F17′斷層帶時，推測有40.00 m不良地質段，采用地表加固、洞內超前大管棚、型鋼支撐等強支護手段通過，分臺階法或預留核心土法開挖，短進尺，弱爆破。

5.3 不良地質段處理

采用繞洞方案后，洞線將主要穿越F17′斷層帶、F17斷層帶，繞洞洞線在樁號0+195.400進入F17′斷層及其影響帶，推測長度約40.00 m。F17′斷層為富水斷層，在施工至該段前，采取超前地質預報、超前探水、地表注漿等措施，防止涌水塌方的發(fā)生。開挖前采取掌子面系統(tǒng)注漿、超前大管棚支護、超前小導管等超前支護措施，分臺階法開挖、型鋼拱架支撐等。F17斷層位于車道溝溝北側，斷層走向大致為N87°E，斷層長度大于12 km，屬于壓扭性斷層，局部滴滲水狀態(tài)。洞室穿越初步推斷圍巖較破碎，初步判斷出水量不大。根據(jù)地勘資料推斷成果，該段施工時做好超前地質預報工作，施工中針對局部出水點進行隨機超前預注漿處理，超前小導管或超前小鋼管支護，全斷面或分臺階法開挖，型鋼支護[2]。

6 結語

隧洞開挖中出現(xiàn)較大規(guī)模的塌方及涌水涌砂等不良地質段時，開挖處理極其困難，研究增加岔洞并采用繞洞通過，可以不影響總體工期，對繞洞方案進行了探討，優(yōu)化洞線布置?？晒╊愃乒こ虆⒖?。