滇中引水工程隧洞施工技術(shù)研究

梁 強(qiáng) 云南省滇中引水工程有限公司

禹賽云 云南恒城監(jiān)理建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司

滇中引水工程位于云南省中部，工程具有引水規(guī)模大、隧洞線路長、穿越地質(zhì)條件十分復(fù)雜等特點(diǎn)，存在巖溶地下水、活動(dòng)斷裂、高地應(yīng)力、軟巖大變形等重大工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，可從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益，工程建設(shè)不存在難以克服的技術(shù)問題和重大環(huán)境制約因素，已具備全面開工條件。

1 工程概況

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，工程多年平均引水量34.03億m3，其中九道河隧洞為引水工程中典型隧洞。九道河隧洞CX106+082～九道河隧洞出口段位于九道河隧洞中后段，隧洞總體方向東偏北25°，全長7276.33 m，設(shè)計(jì)斷面尺寸8.26m×8.96m，馬蹄形斷面，為無壓洞。出口底板高程1924.689m，設(shè)計(jì)引用流量100m3/s。

隧洞穿越地段屬低中山地貌，主要山脊、河流NNE向，沿線地面高程2067m～2193 m，谷底高程一般1770 m～1820 m，最大山頂高程2354 m，位于隧洞中段葫蘆德附近。該段隧洞埋深較大、溝谷部位及出口段埋深較小，埋深多在100 m～300 m 之間，最大埋深約380m，穿越?jīng)_溝部位埋深一般100m～150m。隧洞穿越的斷層帶及影響帶累計(jì)長度約911 m，約占該段隧洞總長的12.5%，以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主的軟巖（5 MPa＜Rb≤15 MPa）洞段累計(jì)長度約4921m，約占67.6%。

2 主要工程地質(zhì)問題及圍巖分類

2.1 工程地質(zhì)問題

該段隧洞埋深一般在100 m～300m，沿線構(gòu)造發(fā)育，圍巖穩(wěn)定問題突出，存在的主要工程地質(zhì)問題如下：

（1）軟巖隧洞圍巖大變形問題。

隧洞穿越斷層及埋深較大的軟巖洞段可能發(fā)生軟巖擠壓大變形問題。根據(jù)前期勘察成果統(tǒng)計(jì)分析，可能發(fā)生極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段主要分布在JDHT02+609～JDHT02+846、JDHT04+035～JDHT04+198、JDHT06+843～JDHT06+892、JDHT 07+674～JDHT 07+714 與JDHT08+223～JDHT08+455段，上述洞段斷層發(fā)育，圍巖極不穩(wěn)定。此外在埋深較大的軟巖洞段可能存在輕微～中等擠壓變形。

（2）斷層洞段圍巖穩(wěn)定問題。

隧洞穿越4條Ⅱ級(jí)斷層，11條Ⅲ級(jí)斷層，在過斷層部位隧洞可能存在圍巖嚴(yán)重?cái)D壓變形和變形破壞問題，應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)及變形監(jiān)測，加強(qiáng)支護(hù)。

（3）隧洞涌突水問題

九道河隧洞斷層發(fā)育、隧洞埋深較大，隧洞涌突水問題較突出，根據(jù)隧洞涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測該段隧洞涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)A 級(jí)（極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）段主要分布在JDHT2+736～JDHT2+846；隧洞涌突水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)B 級(jí)（高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)）在JDHT4+035～JDHT4+198、JDHT 8+223～JDHT 8+263、JDHT8+415～JDHT8+455，這些洞段斷層發(fā)育。應(yīng)加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，加強(qiáng)超前支護(hù)和封堵，加強(qiáng)排水措施等。

（4）隧洞高外水壓力問題

該段隧洞埋深一般100 m～300m，最大埋深約380 m，水頭高度一般80 m～200 m，在樁號(hào)JDHT 2+609～JDHT 2+846、JDHT 2+846～JDHT 3+507、JDHT8+223～JDHT8+455段外水壓力大于或接近1.0MPa，最大外水壓力約1.08MPa，存在高外水壓力問題。施工和襯砌需特別注意，應(yīng)采用“堵”、“排”及“排堵結(jié)合”的對(duì)策措施。

（5）膏巖地層洞段腐蝕性問題

隧洞在JDHT3+913～JDHT4 +823段裂隙充填有厚度0.2～0.8cm膏巖，線比例＜1%的石膏，環(huán)境水對(duì)混凝土可能具有硫酸鹽型腐蝕，應(yīng)采取防腐蝕性措施。

（6）有毒有害氣體問題。

隧洞在JDHT02+609～JDHT03 +507段穿越白堊系普昌河組（K1p）地層，存在H2S氣體毒性、爆炸濃度超標(biāo)問題，施工中應(yīng)加強(qiáng)有毒有害氣體監(jiān)測，加強(qiáng)通風(fēng)或噴灑石灰水進(jìn)行預(yù)防，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果采取相應(yīng)處理措施。此外，隧洞前段（JDHT2+354～JDHT2+642、JDHT3+540～JDHT4+231）寬緩的背斜砂巖中可能聚集有高壓氣體等問題，據(jù)鉆孔ZK1644揭露，結(jié)合孔內(nèi)有毒有害氣體檢測，鉆進(jìn)中出現(xiàn)的高壓氣體可能是CO2。高壓氣體對(duì)施工安全可能存在隱患，施工開挖可采用先導(dǎo)孔進(jìn)行排導(dǎo)，并加強(qiáng)氣體監(jiān)測。

（7）地下水環(huán)境影響問題。

隧洞施工地下水可能影響范圍內(nèi)分布有10個(gè)泉水點(diǎn)，可能存在施工疏干影響，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測并采用相應(yīng)工程措施。

2.2 隧洞文巖分類及邊坡穩(wěn)定條件

該段隧洞穿越地層巖性以“滇中紅層”泥質(zhì)巖為主，斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定條件差，隧洞圍巖詳細(xì)分類：Ⅲ2類圍巖全長約1927.7m，約占26.5%，IV類圍巖全長約3154.3m，約占43.4%，V類（含特殊不良地質(zhì)洞段）圍巖全長約2194.1m，約占30.2%。Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段（含特殊不良地質(zhì)洞段）約占該段線路73.5%，其中特殊不良地質(zhì)洞段主要指規(guī)模較大的斷層帶分布洞段，段長約273m，約占該段隧洞3.8%。

隧洞出口地形坡度25°，坡面較完整。坡面地表殘坡積層（Qedl）含礫粉質(zhì)粘土，厚度約1m～3m。該邊坡屬巖土混合邊坡，上部為土層、下部為巖層，下部巖層為層狀斜向結(jié)構(gòu)，卸荷裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育，開挖邊坡為泥質(zhì)軟巖、強(qiáng)風(fēng)化巖體。邊坡開挖上部土層可能沿下伏基巖面滑動(dòng)破壞，下部巖體可能由不連續(xù)面及巖體層面組成的平面破壞，或強(qiáng)風(fēng)化巖體類圓弧形破壞。建議開挖后及時(shí)錨噴支護(hù)，并做好開挖坡面封閉及截排水。

3.隧洞開挖

3.1 邊挖邊襯洞段的確定

綜合考慮各種要求，隧洞按涌水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為A級(jí)、B級(jí)的洞段按“以堵為主、及時(shí)封閉、限量排放”的支護(hù)原則，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為C級(jí)、D的洞段中對(duì)地下水降低影響周邊用水戶用水安全的洞段按“邊挖邊襯，限量排放”、對(duì)普通洞段按“以排為主，堵排結(jié)合”的支護(hù)原則。

各隧洞施工程序選擇主要考慮以下因素：

（1）各條隧洞各工作面中須邊挖邊襯的A級(jí)、B段、C級(jí)和D級(jí)洞段在所在工作面中所占比例。若須邊挖邊襯洞段所占比例超過單工作面50%的洞段，則整個(gè)工作面洞段按邊挖邊襯考慮。

（2）各條隧洞各工作面中隧洞涌水量。對(duì)涌水量大的洞段，按全洞段進(jìn)行襯砌考慮。

（3）各條隧洞各工作面中地質(zhì)條件較差的洞段，以及隧洞施工可能對(duì)地表水庫等造成影響洞段，按全洞段邊挖邊襯考慮。

（4）不屬于上述考慮范圍的，則按局部洞段邊挖邊襯考慮，即需要考慮開挖過程中進(jìn)行邊挖邊襯的A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)和D級(jí)洞段。

為使一條支洞的上下游工作面的施工組織設(shè)計(jì)方案盡量相同、便于施工組織管理、同時(shí)有利于資源利用，若某支洞有一個(gè)工作面需要進(jìn)行邊挖邊襯，則此支洞的上下游工作面均按全洞段邊挖邊襯考慮。

3.2 輸水隧洞開挖

本標(biāo)段隧洞開挖斷面隧洞斷面較大。由于各條隧洞均有部分洞段需采用邊挖邊襯，且隧洞混凝土襯砌結(jié)構(gòu)要求按全斷面施工（包括底板結(jié)構(gòu)混凝土也需要同時(shí)施工）。

隧洞II類、III類和IV類圍巖考慮分兩臺(tái)階、長臺(tái)階施工法，上臺(tái)階高約8.16m，下臺(tái)階高約2.0m，上臺(tái)階領(lǐng)先下臺(tái)階100m～150m。V類圍巖和不良地質(zhì)洞段考慮分三臺(tái)階開挖，確保掌子面的穩(wěn)定。下臺(tái)階頂面均作為底板棧橋的支撐面。為防止下臺(tái)階爆破對(duì)已澆筑混凝土的影響，前期隧洞開挖時(shí)，可考慮下臺(tái)階先期松動(dòng)爆破但不出渣，預(yù)留作為棧橋前端架設(shè)基礎(chǔ)，在底板混凝土澆筑前再清除下臺(tái)階的渣料。Ⅱ類、Ⅲ類及無需鋼支撐的Ⅳ類圍巖隧洞。

需鋼支撐支護(hù)的Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖洞段，爆破開挖，超前支護(hù)、噴混凝土、掛鋼筋網(wǎng)、鋼支撐及鎖腳錨桿、錨桿等一次支護(hù)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，在一個(gè)開挖循環(huán)里完成。施工中應(yīng)重視各臺(tái)階鋼支撐的連接工作，并要對(duì)于軟巖段隧洞底板和底板基礎(chǔ)承載力不足的洞段，受自卸汽車等來回壓、地下水浸泡等容易造成底板凸凹不平、施工環(huán)境較差，影響施工速度，對(duì)施工機(jī)械破壞大，同時(shí)也增加了混凝土回填量。

4.紅層軟巖隧洞變形控制措施

根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段的地勘成果，本標(biāo)段九道河隧洞軟巖大變形預(yù)測判別結(jié)果見表1。需要說明的是，由于受勘察鉆孔數(shù)量限制，初步設(shè)計(jì)階段勘察成果預(yù)測的本標(biāo)段九道河隧洞軟巖大變形成果并不能完全代表隧洞實(shí)際地質(zhì)條件，實(shí)施時(shí)軟巖大變形洞段位置或長度均可能發(fā)生變化。

表1 九道河隧洞CX106+081～出口段涌水量預(yù)測成果表

針對(duì)滇中紅層軟巖特性及變形控制問題昆明院自可行性研究階段起就聯(lián)合國內(nèi)知名科研機(jī)構(gòu)開展了《滇中引水工程（萬家至新莊段）軟弱巖土體隧洞工程關(guān)鍵技術(shù)問題研究》重大科研課題研究，課題研究分為兩個(gè)子題進(jìn)行。滇中紅層軟巖隧洞變形控制措施可行性研究階段及初步設(shè)計(jì)階段研究成果已納入初步設(shè)計(jì)成果。

對(duì)于存在滇中紅層軟巖大變形問題洞段采取以下措施進(jìn)行處理：

（1）開挖方法：隧洞開挖采用短進(jìn)尺、分臺(tái)階，必要時(shí)預(yù)留核心土。

（2）嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段預(yù)留15cm變形量，極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段預(yù)留20cm變形量。

（3）超前灌漿預(yù)加固及堵水：對(duì)斷層及構(gòu)造密集帶洞段、涌突水災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)為A、B級(jí)洞段超前注漿，預(yù)加固提高圍巖自承能力或封堵降低施工期涌突水風(fēng)險(xiǎn)。

（4）超前支護(hù)：對(duì)埋深大于200 m 的V 類圍巖洞段、嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段采用超前小導(dǎo)管（Φ42，L=4.5m@0.3m×3m）進(jìn)行預(yù)加固；極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段采用超前大管棚進(jìn)行預(yù)加固。

（5）一次支護(hù)：隧洞開挖完成后立即施做一次支護(hù)，為適應(yīng)隧洞開挖完成后變形、充分釋放圍巖形變荷載，嚴(yán)重及極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段采用讓壓支護(hù)體系，錨桿采用恒阻讓壓錨桿（C25@1.5m×1.5m，L=6m），全洞段采用可壓縮式鋼支撐（I20@0.5m）。Ⅳ類軟巖洞段、Ⅴ類圍巖洞段均采用20cm厚C20混凝土仰拱封底形成封閉結(jié)構(gòu)。

（6）二次支護(hù)：施工期根據(jù)變形監(jiān)測成果適時(shí)施做二次支護(hù)、回填灌漿及固結(jié)灌漿。

由于招標(biāo)階段未新增相關(guān)勘察試驗(yàn)成果，因此楚雄段隧洞超前預(yù)加固、超前支護(hù)、一次支護(hù)、二次支護(hù)、軟巖洞段預(yù)留變形量仍沿用初步設(shè)計(jì)成果。實(shí)施階段將結(jié)合水利規(guī)劃總院相關(guān)審查意見及滇中紅層軟巖隧洞變形控制措施第三階段研究成果復(fù)核軟巖洞段預(yù)留變形量及其與支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)協(xié)調(diào)關(guān)系，復(fù)核襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

5.結(jié)論

總之，引水隧洞作為當(dāng)前階段水利工程施工的重要組成部分，有著重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。隨著水利工程建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，引水隧洞施工的數(shù)量和規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，對(duì)各項(xiàng)施工技術(shù)的利用頻率也會(huì)逐漸增加，因此我們應(yīng)該給予技術(shù)管理足夠的重視，要在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化創(chuàng)新，除此之外，還要能夠加強(qiáng)施工過程中的質(zhì)量管控，為水利建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展做出貢獻(xiàn)。