尾礦庫排洪回水隧洞成洞條件探討

何明亮

（長春黃金設計院有限公司，吉林 長春 130012）

在選廠尾礦設施運行期間，涉及到多方面系統，如尾礦庫排洪系統、尾礦輸送系統、尾礦回水系統等，這些系統能夠提升礦山尾礦庫的運行穩定性，使其處于可持續性的運行階段，雖然排洪系統并不參與到正常生產中，但卻是尾礦庫安全的重要保障。通常情況下，排洪工程路線最長可達幾公里，包含的工程量特別大，所需的資金非常多，直接影響了尾礦庫項目的建設。排洪回水隧洞作為尾礦庫基本的排洪構筑物之一，其結構可靠、排洪效果良好，能夠將洪水有效排泄出去，保障尾礦庫處于安全運營的狀態。與此同時，地形地貌和水文工程地質條件也直接限制了隧洞工程的實施，除了加劇施工難度之外，上部的構筑物、圍巖、地下水等也直接影響著實際運行狀態[1]。通過相關分析得出，我國出現的尾礦庫病害事故中排洪系統病害事故占據的比例都是非常大，加強尾礦庫排洪系統的隧洞洞線選取和建設質量極為重要，如果發生排泄不流暢、堵塞等事故以后，必定會引起嚴峻的尾礦庫危害和地質災害，甚至是引發周邊環境污染和下游村莊被淹等一系列安全、環保問題。本文以某排洪回水隧洞工程為例，研究尾礦庫隧洞的成洞條件和安全對策措施。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌情況

在排洪回水隧洞沿線，圍巖發育規模不一致，大多數處于老年期，有一小部分為中年期，有活動性非常弱，中等切割，淺切割庫岸山體，庫岸自然坡度25°～40°支溝自然坡降8°～15°。排洪回水隧洞沿著線路地表植被生長狀態良好，溝谷段主要生長樹木包含了灌木和草類植被等，山坡段則是成長期，中年期的云南松和灌木，地貌上則屬于低中山中等切割構造剝蝕坡地地貌[2]。

1.2 地質構造

對于排洪回水隧洞上游段來講，主要斷層影響存在破碎帶構造，破碎帶層底高程遠遠低于地表，下游地層沉積次序正常，構造作用不是特別明顯。排洪回水隧道主要是通過斷裂構造作用，對其穩定性沒有影響。

1.3 地層巖性

在排洪回水隧洞工程中，一般是借助地層結構以及里程長度依照各段巖土層特征實施相關的分段工作，主要分為A段和B段。A段的地貌為支山梁和內溝相間發育，坡殘積粘土溝谷段包含了少量的坡洪積粘土，厚度小于2m，下面是全風化絹云母板巖，溝谷段埋深非常長，梁段埋深較小；B段的地貌是緩坡溝谷，溝谷段有著少量的坡洪積粘土，全風化絹云母板巖。

2 水文地質條件

庫區排洪回水隧洞通過的地層局部為灰質板巖構造破碎帶，剩余的地段是弱風化灰色板巖，排洪回水隧道通過的地下水主要流經炭質板巖構造破碎帶。碳質板巖構造破碎帶和主溝谷內地表地下水有著密切的聯系。整體上而言，穩定性良好，含水量非常大。

3 分析成洞條件

3.1 評價圍巖的穩定性

當前階段，完成洞室開挖工作以后圍巖的穩定性受到二次應力和圍巖之間關系等因素的影響，在洞室附近將會形成三向不同的區域，分別表現為塑性松動圈、應力增高區和原始應力區。洞室開挖形成了新的凌空面，洞壁原有的三向應力轉變為了二向應力，洞周圍一定范圍內的巖體應力重新調整，重新分布應力，在應力重新分布的領域內一般為三倍洞徑左右，在該項領域內，巖體處于原始應力狀態，本身不會被洞室開挖工作所干擾，應力重新分布導致松動圈原巖和原巖體分離，產生的荷載作用在支護結構上。因為排洪回水隧道各段穿越的地層巖性，強度厚度、巖體完整程度之間差別非常大，巖體的穩定能力和塑性圈大小之間有著明顯的不同之處。其次，隧洞出口位置處于山前坡腳部位，地形十分平緩，粘土暴露在坡面期間。基于干濕交替作用下容易形成全風化絹云母板巖，邊坡暴露在外部穩定能力下降，容易產生小部分的塌落情況。強風化絹云母板巖質粒穩定性能極好，暴露在挖方邊坡坡面的情況下無水力沖刷以及外地破壞作用中自立穩定。隧洞出口揭露的地層為上述三層，隧洞洞身在出口段主要穿越弱風化灰色板巖，部分穿越風化絹云母板巖，成洞以后穩定性比較短，容易產生變形破壞情況。最后，隧洞進口處于岸坡地段，岸坡自然坡度為35°，暴露在挖方邊坡坡面的情況下自立穩定性較差，容易成形成塌陷現象，有滲水或者是低于表水經過以后破壞規模程度更高，隧洞進口埋設在構造破碎帶，變形現象極為嚴重。

3.2 地下水的地表滲流方式體現

炭質板巖構造破碎帶中的裂隙水地表排泄特征呈現出微透水性，流量比較小，地下水道出水方式是以涌流狀態為主。當洞底標高遠遠比鄰近組溝底要低時，容易產生溝底匯水回灌補給現象，增加出水量。下游段洞室地下水的出水方式是以淋浴狀態為主，穿越內溝地段距離水塘比較近，出水量增加。

3.3 評價隧洞施工支護

進口和出口段洞頂上部巖土層厚度比較小的情況下，設計期間必須確保相應厚度的安全覆蓋層，施工期間盡可能不使自然邊坡形態發生改變，加強植被的保護力度，過洞口段開挖形成的邊坡。以設計施工規范要求為主，并考慮采取坡面掛鋼筋網噴水泥沙漿支護，種植草類植被護坡。應用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護，排洪回水隧洞洞身可以應用全斷面澆筑鋼筋混凝土梁板支護，庫區排洪回水隧洞使用期間一直處于酸性水的浸泡狀態，洞身支護材料和洞內生產設施有著腐蝕性特征，應考慮與準的設計使用年限要求相一致，排洪回水隧洞沿線圍巖大部分是較軟巖，局部為軟巖圍巖，類別比較低，巖體完整性較差，差異幅度比較大，洞身自身穩定性也是特別差。這就需要加強支護穩固處理力度，特別是洞身穿越里程圍巖施工難度非常大的情況下，隧洞施工期間可以應用工藝極為先進的盾構法。該項工藝施工安全性良好，便于加快施工進度，確保工程在規定期限內完成。但從實際情況來看，整體成本非常高，也可以采取傳統的礦山巷井挖掘工藝，施工方式遵循少擾動、一邊施工、一邊支護、超前預報的基本原則。

3.4 隧洞進出口的高邊坡上截水溝措施

隧洞進出口地勢較為平緩，粘土厚實，洞口開挖施工時，必然影響區域穩定性，洞口形成困難。故需要根據洞口地貌特征和地質構造，選擇合理的洞口位置，在洞口開挖的高邊坡上以及上部山坡除支護外，還需修筑數條截水溝，防止水流沖刷洞臉，發生次生災害事故[3]。隧洞洞口地貌通過段支溝溝谷相間發育，地形起伏變化幅度是非常大的，截水溝途經沿線植被十分茂密，水土保持良好，山坡地帶為生長期和壯年期的云南松及少量灌木，溝谷地帶是草類植被和灌木，沒有不良地質作用和其他地質災害發育，無其他地表水體。截水溝沿線地層包含了溝谷和溝谷兩側斜坡地帶，坡洪積黏土厚度比較大，變化幅度大，結構非常柔軟，不適合作為截水溝基礎的直接持力層。全風化和強風化絹云母板巖層有著一定的低壓縮性特征，力學強度和抗變破壞能力比較好，都可以當成截水溝的基礎直接持力層。

4 尾礦庫排洪回水隧洞勘察設計和管理措施

尾礦庫排洪回水隧洞工程水文地質條件和洞徑的大小對成洞條件至關重要。地質條件越差、隧洞洞徑越大，成洞難度也就越大，安全風險也就越高，所以尾礦庫設計時，需要了解擬建隧洞沿線的工程水文地質特征。確定尾礦庫的防洪標準和匯水面積大小，選擇合適經濟的洞徑。另外隧洞投入使用后，應定期觀察和測量隧洞的運行情況，尤其是成洞條件不好的地段，保證排洪回水隧洞運行正常。

4.1 尾礦庫排洪回水隧洞設計

（1）隧洞斷面尺寸的確定。排洪構筑物在運行期間，任何時刻都應滿足在澄清尾礦水的條件下，保證泄洪滿足規范要求。這就確定了排水構筑物的排水能力、調洪庫容以及排水構筑物形式和尺寸，確保經濟性和穩定性，在消除和根治尾礦庫安全隱患方面起到了較高的作用。對此，需要做好尾礦庫洪水設計和排水構筑物的設計工作。首先應確定尾礦庫的等別，由壩高和庫容兩方面，以及下游周邊環境確定；第二是選定防洪標準，依照尾礦庫的等別綜合性考慮使用年限和對下游造成的危害性，選擇合理的設計防洪標準。第三是洪水計算，根據當地的水文圖集、水文報告、推薦的計算方法確定洪峰流量和洪水總量，以及洪水過程線。第四是排洪回水隧洞尺寸的確定。根據尾礦庫的洪水過程線、調洪庫容，在滿足尾礦庫干灘長度和安全超高的規范要求下，水量平衡法選擇經濟、滿足泄洪要求的排洪回水隧洞斷面尺寸。隧洞的橫斷面結構型式應根據流態確定，無壓力時宜選用圓拱直墻式斷面，地質條件較差時可選用圓形或馬蹄形；圓拱直墻式斷面圓拱處中心角宜為90°～180°，斷面高寬比應根據水力條件、地質條件選用，宜為1.0～1.5。采用鉆爆法施工時非圓形斷面的高度不宜小于1.8m，寬度不宜小于1.5m。

（2）隧洞沿線的工程地質和水文地質條件。為了保證排洪回水隧洞成洞良好，洞線布置時應先了解隧洞沿線的工程地質情況，如巖層分界、性質、產狀和主要地質構造，圍巖的分類及主要物理、力學參數、不良地質問題等；了解沿線的水文地質情況，如地下水、水溫和水化學成分，尤其是涌水量豐富的含水層、溶洞、透水帶、斷層、破碎帶等；了解進出口成洞條件和洞邊坡穩定性情況。洞線布置時，在滿足工程總體布置要求的條件下，宜選擇沿線地質構造簡單，巖體完整穩定、水文地質條件有利、且施工便利的地區。洞線與巖層、構造斷裂面及主要軟弱帶走向應有較大的夾角；通過較大地質構造帶時，要研究不利構造及其組合對隧洞圍巖穩定的影響程度，以及施工、工期、投資等各種因素，通過經濟技術比較后選取；隧洞沿線遇到斷裂構造、不利構造面、軟弱帶、膨脹巖、溶巖等時，應考慮地下水對成洞的影響；洞線的埋深和側向巖體最小覆蓋厚度，應根據地形、地質條件、巖體的抗抬能力、抗滲透特性、洞內水壓力，以及襯砌型式等因素確定，局部出現巖體不穩定時，應選擇可靠的工程措施。

（3）隧洞洞線布線要求。洞線在平面上布置盡量直線，當需要轉彎時首尾應設置直線段，長度不宜小于5倍的洞寬，無壓隧洞的轉彎半徑不宜小于5倍的洞寬，轉角不宜大于60°，低流速有壓隧洞可適當降低要求，轉彎半徑不宜小于3倍的洞寬，轉角不宜大于60°；隧洞的縱坡應根據運行要求、水力學條件、沿線構筑物高程、上下游銜接、施工和檢修條件、不淤流速、不沖刷流速確定，且隧洞縱坡不宜變化過多；隧洞掘進機掘進時，洞線布置宜避開制約機械的地質區域。隧洞進出口應根據工程總體布置和地形地質條件等因素綜合確定，應滿足使用功能和安全運行條件，應使水流順暢，進流均勻，出流平穩，應有防淤、防冰、防沖刷等要求；進出口宜布置在地質構造簡單、巖體完整、風化程度低的地區，應避開不良地質構造、沖溝和容易發生崩塌、滑坡及泥石流的區域；進出口洞臉和兩側邊坡宜避免高邊坡開挖，并根據邊坡穩定性分析，采取必要的加固和防水、排水措施等。

4.2 加強尾礦庫及隧洞安全管理措施

最近幾年內尾礦庫泄漏現象普遍存在，各地區深入貫徹落實習近平生態文明思想和安全生產精神。樹立生態環境保護和安全生產紅線理念，承擔防范化解重大風險的政治責任，吸取各項經驗，遵循問題導向，舉一反三，統籌兼顧，實施尾礦庫及排洪系統安全風險隱患排查整治工作，全面抑制不良現象的發生。

第一，加強尾礦庫工程施工質量管理。各尾礦庫企業需要制定合理的管理方式，遵循法律法規開展各項工作，落實質量管理責任，創建健全完善的質量控制體系，健全完善共同質量管理制度，加強統籌協調和現場管理，采取合理措施監督各項參建方落實工程質量管理責任，嚴格禁止出現轉嫁責任，控制竣工驗收關卡。施工單位要具備要求的礦山工程施工資質，禁止違法違規分包轉包排洪回水隧洞工程，按照規范性要求和施工圖實施施工作業，避免出現隨意更改設計參數，監理單位按照監理規范和規定開展工作，確保管理人員持證上崗。

其二，嚴格加強尾礦庫重點設施風險管控。各工礦企業需要落實安全生產主體責任，有效加強排洪設施安全生產管理，結合實際情況健全排水井拱板制作管理制度，有效管控拱板制作全過程工程質量，做到源頭可追溯、責任可追究。并且還需要制定拱板安裝技術規范和操作規程，安裝人員要取得尾礦作業特種作業人員操作證書以后要留存安裝圖片資料，構建標準驗收檔案。加強排水隧洞的日常管理巡查工作，對隧洞沿線，尤其是地質條件和水文條件差的區域加強巡視，一旦出現問題隱患以后馬上整改。

其三，履行尾礦庫安全監察職責，提升尾礦庫應急處置能力和提高應急支撐保障能力。企業應基于風險評估的基礎上編制應急預案，全面健全潰壩、漫頂、排洪設施堵塞或損毀等事故專項應急預案以及現場處置方案，并按照規定備案。加深企業應急預案之間的銜接程度，定期組織尾礦庫企業開展聯合應急演練，不斷增強應急聯動響應能力。需要進一步強化應急培訓和演練，強化應急值班值守和巡查檢查。務必提高應急處置能力，構建應急研究機構，以積極應對尾礦庫重特大突發環境事件為根本，開展尾礦庫下游環境敏感目標風險防控以及關鍵處置技術裝備研發，各地區要依托重點大型企業等建立實體庫，提升整體水平，各尾礦庫企業按照基本預案要求，儲備必要的應急救援器材、設備和物資，確保通往尾礦庫壩等道路、通信暢通和供電的穩定性，提升應急狀態下先期處置能力。

5 結語

從以上論述來看，排洪回水隧洞成洞條件較為復雜，需要考慮隧洞沿線的地形地貌、區域工程地質條件和水文地質條件，避開地質構造復雜、巖體破碎強烈，水文地質不利的段；洞口及兩側邊坡宜平緩，避免高邊坡開挖；施工時應加強監管，保證隧洞施工質量，洞線和斷面結構符合規范和設計要求；運行時日常檢查排水構筑物的運行狀態，確保尾礦庫運行正常。