滇中引水工程不良地質(zhì)隧洞改線方案分析與實(shí)踐

劉 浩

(云南省滇中引水二期工程有限公司，云南 昆明 650000)

我國西南地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，長(zhǎng)大隧洞高埋深洞段受前期勘察階段勘察精度、勘探手段、勘探技術(shù)水平等限制，無法將全部不良地質(zhì)現(xiàn)象探明。進(jìn)入施工階段后，實(shí)際揭露地質(zhì)情況往往與初設(shè)階段存在差異，一些不良地質(zhì)洞段往往成為施工前進(jìn)道路上的“攔路虎”。以滇中引水獅子山隧洞2號(hào)支洞主洞控制段DLⅡ38+385～DLⅡ38+413為例，該段在不良地質(zhì)影響下，多次出現(xiàn)了塌方、變形、突涌水現(xiàn)象，由于變形機(jī)理復(fù)雜，在對(duì)該作業(yè)面采取多種施工措施后，仍難以安全通過該洞段。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況及補(bǔ)充勘探成果，參建各方形成統(tǒng)一意見，對(duì)該洞段進(jìn)行局部改線繞行，方案實(shí)施后，安全順利通過了該不良地質(zhì)洞段，取得了良好的效果。

1 工程概況

滇中引水獅子山隧洞2號(hào)支洞與主洞交叉里程為DLⅡ37+172.582，承擔(dān)主洞上游側(cè)2527.582m的施工任務(wù)，下游側(cè)2467.418m的施工任務(wù)，設(shè)計(jì)引水流量125m3/s。主洞斷面型式為馬蹄形，斷面尺寸9.2m×9.2m。根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果及超前探孔資料，獅子山隧洞2號(hào)支洞下游主洞控制段DLⅡ39+645穿越烏龍壩向斜次級(jí)褶曲向斜構(gòu)造核部，目前掌子面已開挖至里程DLⅡ38+413，掌子面緊鄰烏龍壩向斜次級(jí)褶曲向斜核部，埋深598m，流面傾角平緩，隧洞處于中等—高應(yīng)力區(qū)，圍巖以凝灰質(zhì)玄武巖為主，強(qiáng)度較低，完整性好。局部洞段尤其是頂拱部位，圍巖穩(wěn)定性差。凝灰?guī)r洞段在中高地應(yīng)力作用下，存在中等—嚴(yán)重?cái)D壓變形風(fēng)險(xiǎn)，遇水易軟化，圍巖極不穩(wěn)定(見圖1)。

2 不良地質(zhì)洞段施工情況

2.1 原洞段地質(zhì)條件

DLⅡ38+385～DLⅡ38+413段隧洞埋深578～587m，該段圍巖巖性為P2β2青灰色弱風(fēng)化凝灰質(zhì)玄武巖夾凝灰質(zhì)擠壓破碎帶，屬軟巖。

a.DLⅡ38+385～DLⅡ38+403.7段主要發(fā)育5組結(jié)構(gòu)面，其中隧洞拱腰部位發(fā)育緩傾角凝灰質(zhì)破碎帶，寬度0.5～0.8m，產(chǎn)狀120°∠15°。軟弱夾層產(chǎn)狀110°∠30°，平直光滑，發(fā)育寬度5～8cm，泥夾巖屑充填。掌子面及頂拱發(fā)育滴水—線狀流水，主要結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角約為4°～66°，傾角15°～45°。圍巖極不穩(wěn)定，易發(fā)生塌方、擠壓變形，掌子面及頂拱存在坍塌失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)定為Ⅴ類圍巖。

b.DLⅡ38+403.7～DLⅡ38+413段主要發(fā)育2組結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀：?流面產(chǎn)狀309°∠78°，間距10～20cm，發(fā)育，延伸長(zhǎng)度大于10m，延伸長(zhǎng)，微張，寬度2～3mm，平直光滑，無充填；?凝灰質(zhì)條帶產(chǎn)狀237°∠69°，延伸長(zhǎng)度大于10m，延伸長(zhǎng)，發(fā)育寬度50～80cm；巖體結(jié)構(gòu)完整性差，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)；掌子面發(fā)育線狀流水，主要結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線夾角16°～88°，傾角69°～78°。該段隧洞埋深大，地應(yīng)力較高，易發(fā)擠壓變形，圍巖極不穩(wěn)定，屬Ⅴ類圍巖不良地質(zhì)洞段。

2.2 不良地質(zhì)洞段歷次變形突涌影響及處理措施

DLⅡ38+385～DLⅡ38+413段自2021年4月16日至2022年5月12日累計(jì)發(fā)生5次不同程度的變形、突水突泥現(xiàn)象。

由于該段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可探測(cè)范圍有限，對(duì)不良地質(zhì)的認(rèn)識(shí)存在一定的盲區(qū)。在采取的處理措施上存在局限性，主要參照類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，處理方案主觀判斷大于客觀事實(shí)，因此缺乏一定的針對(duì)性。由于山體雄厚、認(rèn)知有限，每次變形或塌方處理完成后是否能夠安全通過、有效抑制變形往往需要通過再次開挖來進(jìn)一步驗(yàn)證。

在處理過程中先后發(fā)生4次變形及1次突涌水(統(tǒng)稱“變形”)，每次變形發(fā)生后都對(duì)處理措施進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整和加強(qiáng)，但仍控制不住圍巖變形。其中第五次變形于2022年5月12日發(fā)生，導(dǎo)致DLⅡ38+394～DLⅡ38+407段左側(cè)邊墻及拱頂大面積出現(xiàn)噴混凝土脫落現(xiàn)象，第二臺(tái)階拱腳最大變形量達(dá)到1.2m左右，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了反壓回填DLⅡ38+391～DLⅡ38+407段的應(yīng)急措施[見變形/突涌(合計(jì)5次)影響及處理措施表]。

2.3 不良地質(zhì)洞段變形原因分析

本段隧洞段圍巖以凝灰質(zhì)玄武巖、致密狀玄武巖為主，局部夾凝灰?guī)r條帶，圍巖強(qiáng)度低，軟弱破碎；隧洞埋深大，初始地應(yīng)力高，具有軟巖大變形的條件；同時(shí)該段隧洞地下水位高，凝灰?guī)r遇水軟化、物理力學(xué)性質(zhì)劣化。綜合5次變形的現(xiàn)象、4次處理措施、每次處理過程中出現(xiàn)的變形特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)變形原因分析如下。

2.3.1 地質(zhì)原因

揭露的變形洞段里程范圍為DLⅡ38+385～DLⅡ38+413，從變形曲線分析，多次變形均表現(xiàn)為突發(fā)性變形，具體表現(xiàn)為局部圍巖(變形長(zhǎng)度約為3m左右)嚴(yán)重變形破壞，其余洞段受牽引發(fā)生輕微—中等變形。主要原因是凝灰質(zhì)玄武巖為軟巖，左側(cè)的凝灰?guī)r破碎帶為含水層、富水層，在高地應(yīng)力(20～25MPa)、高外水壓力(1.5～2.0MPa)的作用下左側(cè)局部發(fā)生大變形破壞，期間誘發(fā)一次小規(guī)模的突泥涌水，局部大變形還會(huì)引起臨近里程隧洞外水壓力的變化并對(duì)圍巖造成一定的變形牽引。

2.3.2 變形處理制定的措施在軟巖及高外水條件下效果不佳

a.第一次變形前(開挖至DLⅡ38+403.7處)，該工作面隧洞掌子面采用一般Ⅴ類圍巖的支護(hù)型式(Vp)，之前的施工期變形監(jiān)測(cè)成果均未表現(xiàn)該工作面開挖洞段存在軟巖變形問題。

b.結(jié)合該工作面第一次變形的表現(xiàn)，制定了較強(qiáng)的變形洞段換拱(鋼支撐間距由0.8m調(diào)整為0.5m)及加強(qiáng)支護(hù)措施(超前大管棚、超前預(yù)固結(jié)注漿、預(yù)留變形量增大20cm等)，通過以上措施順利開挖通過了第一次變形洞段，掌子面上臺(tái)階繼續(xù)開挖了10m至DLⅡ38+413里程時(shí)發(fā)生第二次變形(在DLⅡ38+385～DLⅡ38+413段)。從處理結(jié)果看，第一次變形采取的處理措僅能保證圍巖上臺(tái)階短期的穩(wěn)定，因此針對(duì)第二次變形，在之前加強(qiáng)支護(hù)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)鋼性支撐，采取了雙層鋼支撐支護(hù)。

c.采用雙層鋼支撐支護(hù)后，發(fā)生了第三次變形(最大變形量10cm，未侵占襯砌斷面，排水孔排水異常，為乳白色泥漿水，水量及水壓均不穩(wěn)定)及第四次變形(小規(guī)模突泥涌水，并對(duì)掌子面鋼支撐造成損壞)，結(jié)合第三次、第四次變形(突泥涌水)的現(xiàn)象，初步認(rèn)為鋼支撐支護(hù)強(qiáng)度基本合適，但由于凝灰?guī)r破碎帶在高地下水的作用下，超前加固結(jié)效果不佳，在臺(tái)階爆破開挖擾動(dòng)下，極易出現(xiàn)圍巖溜塌空腔，水壓、水量均會(huì)出現(xiàn)異常，破碎巖體臨空面甚至?xí)l(fā)生突泥涌水。

2.3.3 多次處理后圍巖損傷嚴(yán)重

歷次處理的措施均有超前大管棚、超前預(yù)固結(jié)灌漿，通常情況下超前預(yù)固結(jié)可以對(duì)外圍進(jìn)行充填固結(jié)發(fā)揮圍巖自承效應(yīng)，超前大管棚可以形成較強(qiáng)的棚架支護(hù)對(duì)未固結(jié)的孤立巖塊進(jìn)行擋護(hù)。但由于該處理段的凝灰?guī)r破碎條帶，經(jīng)多次擾動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間變形松弛、多次坍塌后難以有效固結(jié)，同時(shí)在高外水作用下發(fā)生滲透變形(管涌、接觸沖刷等)而溜坍形成空腔，使超前預(yù)固結(jié)、超前大管棚的支護(hù)效果消失，在掌子面附近的脫空位置，鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大圍巖壓力、沖擊荷載后產(chǎn)生破壞性變形，導(dǎo)致相鄰洞段發(fā)生牽引變形。即該洞段由于反復(fù)變形、反復(fù)處理圍巖損傷嚴(yán)重，圍巖開挖后無法自穩(wěn)，初始的軟巖大變形問題已轉(zhuǎn)化為集圍巖滲透破壞、塌方、突泥涌水于一體的綜合難題。

3 不良地質(zhì)洞段改線方案

3.1 方案分析

a.原洞線變形段圍巖擾動(dòng)、損傷嚴(yán)重。DLⅡ38+385～DLⅡ38+403.7段為獅子山隧洞2號(hào)支洞下游工作面首次發(fā)生變形段，該洞段開挖時(shí)無法及時(shí)預(yù)知、預(yù)判變形問題；由于該變形段的特殊性，第一次變形后，參建各方對(duì)后續(xù)變形嚴(yán)重程度、處理難度、處理效果的預(yù)判存在偏差，發(fā)生第二次變形。由于前兩次變形，圍巖被擾動(dòng)、發(fā)生松弛，增加了后續(xù)處理難度，特別是DLⅡ38+403～DLⅡ38+407段，在采取了超前大管棚、雙液漿超前預(yù)固結(jié)、化學(xué)灌漿后，每當(dāng)將回填渣體清除，開挖二臺(tái)階并立架時(shí)，便出現(xiàn)變形、滲水異常，被迫反壓回填，撤離人員、設(shè)備。目前該變形段圍巖已嚴(yán)重?fù)p傷，超前加固處理效果甚微。

b.在原洞線繼續(xù)處理變形段施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。目前隧洞左側(cè)凝灰?guī)r巖體結(jié)構(gòu)已經(jīng)擾動(dòng)、損傷非常嚴(yán)重，呈散體結(jié)構(gòu)，高地下水又面臨“堵不住、排不出”的困境。該洞段位于烏龍壩次級(jí)向斜核部，山體雄厚，地下水儲(chǔ)量較大且補(bǔ)給豐富，屬于富水洞段，地下水依然存在聚集，超前排水水流渾濁、時(shí)堵時(shí)涌，該洞段已由初始的軟巖大變形問題已轉(zhuǎn)化為集圍巖滲透破壞、塌方、突泥涌水于一體的難題，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。

c.局部調(diào)線方案更具有可行性、安全性。經(jīng)總結(jié)分析，幾次變形均發(fā)生在頂拱左側(cè)，為避開左側(cè)已損傷嚴(yán)重的玄武巖破碎帶和凝灰?guī)r條帶，在預(yù)知該洞段的凝灰?guī)r破碎帶、高外水對(duì)施工的不利影響，以及多種物探成果的基礎(chǔ)上，提前采取針對(duì)性處理措施，并在原軸線廢棄隧洞預(yù)留排水通道，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，破解目前的困局，通過局部調(diào)整洞線后采用強(qiáng)支護(hù)一次順利通過該類地質(zhì)洞段具有較好的可行性和安全性。

綜上，鑒于該洞段地質(zhì)條件的復(fù)雜性，以及對(duì)原洞線變形段周邊圍巖的“損傷”形勢(shì)、后續(xù)施工措施的可實(shí)施性等因素的研判，在原洞線上再進(jìn)行變形段處理已不具可行性，建議改變處置思路，局部調(diào)整洞線避讓該困難洞段。采取針對(duì)性措施后，調(diào)整線路洞段變形可控、涌水風(fēng)險(xiǎn)可控。

3.2 改線方案

a.總體目標(biāo)。一是避讓DLⅡ38+385～DLⅡ38+413變形、突涌水高風(fēng)險(xiǎn)段，確保施工安全；二是增加的洞段長(zhǎng)度最短，確保工程投資和進(jìn)度可控。

b.軸線布置水力學(xué)原則?！端に矶丛O(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)4.1.9要求：當(dāng)隧洞需要設(shè)置轉(zhuǎn)彎段時(shí)，低流速無壓隧洞彎曲半徑不宜小于5倍的洞徑或洞寬，轉(zhuǎn)角不宜大于60°；在彎道的首尾應(yīng)設(shè)置直線段，長(zhǎng)度不宜小于5倍洞徑或洞寬。因此，繞線起始處洞軸線與原設(shè)計(jì)洞軸線夾角不宜過大或過小，在20°～30°之間較為合適。綜合規(guī)范要求、鉆孔揭示的圍巖情況、改線洞段與原軸線洞段圍巖厚度及水力學(xué)條件等因素，確定改線段隧洞轉(zhuǎn)角為25°，轉(zhuǎn)彎半徑結(jié)合規(guī)范最小彎曲半徑5倍洞徑和施工棧橋作業(yè)空間的要求綜合考慮，取R=100m，轉(zhuǎn)彎段間直線段按5倍洞徑即50m設(shè)計(jì)。

低流速無壓隧洞橫斷面尺寸應(yīng)符合下列要求：恒定流情況下，當(dāng)通氣條件良好時(shí)，洞內(nèi)水面線以上空間不宜小于隧洞斷面面積的15%，高度不應(yīng)小于0.4m。

c.相鄰洞段布置原則。相鄰隧洞之間的巖體厚度應(yīng)根據(jù)布置需要、地質(zhì)條件、圍巖應(yīng)力和變形情況、隧洞斷面形狀和尺寸、施工方法和運(yùn)行條件等綜合分析確定，并應(yīng)保證隧洞的巖體厚度不小于2倍洞徑(或洞寬)，確因布置需要，經(jīng)論證巖體厚度可適當(dāng)減少，但不應(yīng)小于1倍開挖洞徑(或洞寬)。

d.繞線段起點(diǎn)確定原則。目前獅子山隧洞2號(hào)支洞下游已澆筑底板的里程為DLⅡ38+284.7，Ⅳ、Ⅴ類圍巖分界里程為DLⅡ38+335.7。為充分利用已開挖洞段，減少工程投資，并保證改線洞段距原軸線圍巖變形處理起始位置(里程DLⅡ38+385)有2倍以上洞徑的圍巖厚度，確保改線洞段在圍巖情況較好的Ⅳ類圍巖中掘進(jìn)，確定轉(zhuǎn)彎起點(diǎn)為DLⅡ38+328.473。目前按照轉(zhuǎn)彎半徑R=100m、最小直線段長(zhǎng)度L=50m等要求，暫定轉(zhuǎn)回原軸線里程為DLⅡ38+638.151。

e.隧洞改線軸線選擇。根據(jù)物探及變形處理資料，左側(cè)圍巖巖性以P2β2青灰色弱風(fēng)化凝灰質(zhì)玄武巖為主夾凝灰?guī)r條帶，凝灰?guī)r條帶隨機(jī)分布，局部有凝灰?guī)r擠壓破碎帶；受前后5次處理影響，隧洞左側(cè)(30m范圍內(nèi))巖體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，呈散體結(jié)構(gòu)；DLⅡ38+385～DLⅡ38+413洞段左側(cè)及拱頂已產(chǎn)生了極嚴(yán)重?cái)D壓變形；該段位于烏龍壩次級(jí)向斜核部，山體雄厚，地下水靜儲(chǔ)量較大且補(bǔ)給豐富，從開挖及處理資料分析，左側(cè)地下水排水通道連通性較好，后續(xù)開挖突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)高。根據(jù)右側(cè)施作的徑向超前探孔及物探資料，右側(cè)圍巖巖性以P2β2青灰色弱風(fēng)化凝灰質(zhì)玄武巖為主夾凝灰?guī)r條帶，凝灰?guī)r條帶隨機(jī)分布；以軟巖為主夾極軟巖(凝灰?guī)r)，強(qiáng)度較低；巖體以較破碎為主，結(jié)構(gòu)以碎裂為主；徑向超前探孔(29～31m)基本無水，主要是由已開挖的DLⅡ38+385～DLⅡ38+413洞段作為地下水的排泄通道，形成降落漏斗所致?？傮w上右側(cè)隧洞改線軸線巖體擾動(dòng)較小，地下水活動(dòng)較弱，比左側(cè)突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)小，圍巖軟巖變形嚴(yán)重程度降低，所以選擇右側(cè)改線相對(duì)較好。

f.局部調(diào)整線路設(shè)計(jì)。擬定獅子山隧洞2號(hào)支洞下游局部改線段里程范圍為DLⅡ38+328.473～DLⅡ38+638.151(調(diào)整后里程為DLⅡGX0+000.000～DLⅡGX0+324.533)，調(diào)整后線路長(zhǎng)度由309.678m變?yōu)?24.533m，增長(zhǎng)14.855m(見圖2)。

圖2 局部調(diào)整線路洞段平面示意圖

4 方案實(shí)施效果分析

獅子山2號(hào)支洞下游不良地質(zhì)洞段局部調(diào)整線路段于2022年10月1日開始施工，目前已安全開挖162m(DLⅡ38+328.473～DLⅡ38+490.473)，已安全通過原反復(fù)變形洞段(DLⅡ38+385～DLⅡ38+413)，處理效果良好，主要體現(xiàn)在如下方面：

a.改線后避開了不利地質(zhì)條件，施工過程中未出現(xiàn)塌方、變形現(xiàn)象，未出現(xiàn)人員傷亡、機(jī)械設(shè)備事故。

b.投資控制較好。如繼續(xù)在原洞段繼續(xù)施工，仍將面臨變形、塌方處理等，處理措施較多，如可能采取大量的灌漿、超前注漿大管棚、加強(qiáng)初期支護(hù)措施等，既增加工程投資也加大時(shí)間成本，影響后續(xù)工程施工。

c.原洞段作為調(diào)整線路洞段的排水廊道，降低了調(diào)整線路洞段的突涌水安全風(fēng)險(xiǎn)，為安全平穩(wěn)施工提供了保障。

5 結(jié) 語

獅子山隧洞2號(hào)支洞下游不良地質(zhì)洞段由初始的軟巖大變形問題轉(zhuǎn)化為集圍巖滲透破壞、塌方、突泥涌水于一體難題，施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高。如果繼續(xù)在原洞段施工，qwertyuiopasdfghjkl；zxcvbnm時(shí)較長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，如長(zhǎng)時(shí)間無法通過，會(huì)對(duì)整體工程的施工造成不利影響。通過改線繞行措施，圍巖條件較原洞段轉(zhuǎn)好，洞身安全風(fēng)險(xiǎn)減小，工程投資得到了控制。