張 麗

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都 610500)

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王家壩輸水隧洞不良地質(zhì)處理方法

張 麗

(中鐵建大橋工程局集團(tuán)第五工程有限公司，四川成都 610500)

在隧洞施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到斷層、溶洞等不良地質(zhì)情況,對(duì)洞室安全造成嚴(yán)重影響,因而必須對(duì)這些不良地質(zhì)情況進(jìn)行處理以保證安全性。文章通過對(duì)王家壩隧洞的工程概況及地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行論述與分析，就隧道施工中所遇到的斷層和巖溶兩種不良地質(zhì)條件的處理措施進(jìn)行了詳細(xì)的分類與闡述，同時(shí)對(duì)隧道施工中的突水突泥的成因和地下硫化物作用機(jī)理作具體分析，并提出相應(yīng)處理措施。通過對(duì)不良地質(zhì)洞段的處理，為不良地質(zhì)問題的解決提供行之有效的方案，保證施工的順利進(jìn)行。

隧洞； 不良地質(zhì)； 處理措施

1 工程概況

王家壩隧洞是畢大供水工程的主要建筑物之一，位于畢節(jié)七星關(guān)區(qū)朱昌鎮(zhèn)花廠村～岔河鎮(zhèn)王家壩村、岔河村一帶。王家壩輸水隧洞總長 19.559 km，隧洞為無壓引水隧洞，采用受力較好圓形斷面，內(nèi)徑為3 m。根據(jù)地下水位不同采用不同厚度C25 鋼筋混凝土襯砌襯砌，頂拱、側(cè)墻厚度400～500 mm。由于隧洞較長，為方便施工排水，除特殊洞段外，隧洞底板厚度均采用500 mm，底坡與隧洞底坡一致，隧洞回填灌漿范圍為頂拱120°，隧洞臨時(shí)支護(hù)。Ⅴ類圍巖洞段采用鋼支撐+系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴C20混凝土的支護(hù)方式，并進(jìn)行隧洞固結(jié)灌漿，考慮50 %的洞段采用φ28 超前錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿長6 m，頂部120°范圍設(shè)置，間距0.5 m。Ⅳ類圍巖洞段采用頂拱鋼支撐(考慮45 %洞段采用)+系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴C20混凝土的支護(hù)方式，局部外水壓力大，地質(zhì)情況復(fù)雜段采用超前錨桿，加密鋼支撐，加厚襯砌厚度等特殊洞段處理方式，其余洞段根據(jù)實(shí)際情況采用隨機(jī)錨桿+頂拱噴混凝土的臨時(shí)支護(hù)方式。隧洞每隔12 m設(shè)置施工縫，隧洞在圍巖地質(zhì)變化位置設(shè)置伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)銅片止水。

根據(jù)巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水埋深情況等綜合分析，隧洞硬質(zhì)巖洞身段大多為III類圍巖。斷層帶及巖溶發(fā)育帶為IV～V類圍巖，軟質(zhì)巖大部為V類圍巖。隧洞穿越T1f砂、泥巖地層，地下水主要為基巖裂隙水，地下水活動(dòng)弱。

2 不良地質(zhì)洞段處理措施

在隧洞的施工中，經(jīng)常會(huì)遇到斷層、溶洞及巖溶裂隙等不良地質(zhì)情況，這些不良地質(zhì)段會(huì)對(duì)施工安全造成嚴(yán)重影響，因而必須對(duì)這些不良地質(zhì)情況進(jìn)行處理。而根據(jù)不同的不良地質(zhì)情況選擇適合的施工方法及處理措施則顯得尤為重要[1]。本文根據(jù)王家壩隧洞所處的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)的情況，主要的不良地質(zhì)表現(xiàn)為斷層和巖溶。為確保施工的安全性，需要對(duì)隧洞中的不良地質(zhì)問題進(jìn)行特殊的處理。

2.1 穿越斷層破碎帶的處理措施

對(duì)穿越斷層破碎帶的處理措施可以根據(jù)施工進(jìn)度，通過信息化動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)施工管理依次分為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前預(yù)支護(hù)、超前灌漿、開挖方法、初期支護(hù)措施、襯砌措施、監(jiān)控量測(cè)等幾個(gè)方面。

(1)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用多種預(yù)報(bào)相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)方法，建立宏觀超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(綜合地質(zhì)法)、長期(長距離)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(超前鉆探)、短期(短距離)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(地質(zhì)雷達(dá))的三級(jí)預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，構(gòu)成洞室施工的地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)體系，對(duì)巖石斷層破碎帶進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

(2)超前預(yù)支護(hù)。超前小導(dǎo)管適用于斷層破碎帶及Ⅴ類圍巖等不良地質(zhì)地段。

(3)超前灌漿。超前灌漿采用帷幕灌漿，灌漿采用雙液灌漿，采用漿液攪拌器制漿。灌漿順序從兩側(cè)拱腳向拱頂。由于巖體孔隙不均勻，考慮環(huán)形開挖的方便，同時(shí)要達(dá)到固結(jié)破碎松散巖體的目的，保證開挖輪廓線外環(huán)狀巖體的穩(wěn)定，形成有一定強(qiáng)度及密實(shí)度的殼體，特別是確保兩側(cè)拱腳的灌漿密實(shí)度和承載力，采取灌漿終壓和灌漿量雙控灌漿質(zhì)量，拱腳的灌漿終壓高于拱腰至拱頂。

(4)開挖方法。巖石斷層破碎帶采用短進(jìn)尺開挖、臨時(shí)封閉、微震控制爆破施工或采用人工配合機(jī)械直接開挖。

(5)初期支護(hù)措施。在松散、軟弱破碎的巖體中開挖洞室，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用先護(hù)后挖、邊挖邊擴(kuò)或先對(duì)巖體進(jìn)行加固后再開挖等方法。

(6)襯砌措施。及時(shí)襯砌，混凝土襯砌根據(jù)預(yù)測(cè)位移情況，襯砌凈空預(yù)留變形后線路調(diào)整量，較基本內(nèi)輪廓加高、加寬設(shè)計(jì)，變形縫采用柔性結(jié)構(gòu)。

(7)監(jiān)控量測(cè)。初期支護(hù)完成后，在拱頂、拱腳及邊拱埋設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拱頂下沉和水平收斂量測(cè)。

2.2 巖溶的處理措施

巖溶是指可溶性巖層(主要指的是碳酸鹽類，除此還有硫酸鹽類、鹵鹽類等)收到地表水或者地下水的化學(xué)侵蝕、崩解作用和機(jī)械破壞、搬運(yùn)以及沉積等的作用，產(chǎn)生諸如地下溝槽、裂縫和洞穴等，以及由此產(chǎn)生的地表陷穴、洼地、地下洞穴等各種溶蝕現(xiàn)象的統(tǒng)稱[2-3]。在巖溶地區(qū)形成的各種溶蝕形式中，溶洞和暗河對(duì)隧洞工程影響較為嚴(yán)重。其問題主要可分為三大類：一是隧洞施工中的突水、突泥問題；二是隧洞施工中頂板溶洞充填物陷落冒頂；三是隧洞施工中底板塌陷。不同巖溶工況如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

圖1(a)為水流的位置在隧洞的上部或高于隧洞，處理方式為在一定的距離外開鑿引水斜洞(或引水槽)，將水位降低到隧洞底部位置以下，再行引排；圖1(b)～圖1(d)表示已經(jīng)停止發(fā)育、范圍較小、無水的溶洞，根據(jù)其與隧洞相交的位置及其充填情況，可以采用與襯砌同標(biāo)號(hào)混凝土予以回填封閉；圖1(e)、圖1(f)為頂拱以上空溶洞，可以視溶洞的巖石破碎程度采用噴錨支護(hù)加固，或加設(shè)護(hù)拱及拱頂回填與襯砌同標(biāo)號(hào)混凝土的辦法處理；圖1(g)表示隧洞一側(cè)遇到狹長而深的溶洞，處理方式為加深該側(cè)的邊拱基礎(chǔ)；圖1(h)為隧洞底部遇有較大溶洞并有水流，處理方式為在隧洞以下澆筑混凝土支墻，鋼拱架隧洞結(jié)構(gòu)，隧洞底板下澆筑與襯砌同標(biāo)號(hào)混凝土并在支墻內(nèi)套設(shè)涵管引排溶洞水。

總結(jié)以上方式，可以進(jìn)行探、引、堵、越、測(cè)、護(hù)的劃分。(1)探，即加強(qiáng)施工期巖溶及地下水等地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作，如采用地質(zhì)雷達(dá)、TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法等方式進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明前方巖溶地質(zhì)情況。(2)引，即遇到暗河或者溶洞有水時(shí)，宜排不宜堵。(3)堵，即對(duì)于已經(jīng)停止發(fā)育、跨徑比較小的無水溶洞，可以根據(jù)其與隧洞相交的位置及填充情況，進(jìn)行封閉處理。(4)越，即當(dāng)隧洞一側(cè)遇到狹長而較深的溶洞時(shí)，可以加強(qiáng)該側(cè)的邊墻基礎(chǔ)。隧洞底有較大溶洞并有流水時(shí)，可在隧洞底部以下砌筑圬工承重墻鋼拱架隧洞結(jié)構(gòu)，跨越而過，在承重墻內(nèi)用涵管引排溶洞水。當(dāng)穿越大型溶洞情況復(fù)雜時(shí)，可根據(jù)情況采用邊墻梁、行車梁等。(5)測(cè)，即加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋指導(dǎo)施工。(6)護(hù)，即及時(shí)支護(hù)和超前支護(hù)處理，必要時(shí)提前進(jìn)行全斷面襯砌。

在對(duì)巖溶的處理過程中， 要提早做好處理巖溶方案，并準(zhǔn)備足夠數(shù)量的設(shè)備和物資，并施工中建立長距離物探，以鉆探法為主，其他方式為輔，當(dāng)只有一側(cè)遇到溶洞時(shí)，先開挖該側(cè)，待支護(hù)完成后再開挖另一側(cè)。

2.3 隧洞突水突泥處理措施

地下水的力學(xué)作用有靜水壓和勁水壓作用，這兩種作用都會(huì)使巖體發(fā)生水力劈裂，使裂隙連鎖增加張開度增大，從而增加滲透力，使局部隔水屏障作用被突破，地下水位高出，從而形成突水突泥[4]。在隧洞突水突泥的處理方式有以下三種：

(1)超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)止水。通過綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確認(rèn)隧洞掌子面前方為小量巖溶突泥突水地段時(shí)，即突水量小于10 m3/h或個(gè)別探水孔出水量大于2 m3/h，則預(yù)留5～8 m圍巖段采用超前小導(dǎo)管注漿固結(jié)巖體以達(dá)到止水目的。

(2)環(huán)向止水注漿帷幕。圍巖結(jié)構(gòu)整體性較好且突水量較小地段，采取在隧洞開挖輪廓線外設(shè)置環(huán)向止水注漿帷幕。即隧洞開挖后，沿隧洞開挖輪廓線設(shè)置間距為60 cm、長為350 cm小導(dǎo)管徑向全斷面環(huán)形布設(shè)，采用純水泥漿注漿，水壓較大地段采用雙液漿注漿固結(jié)圍巖止水。

(3)超前預(yù)注漿處理。對(duì)工期影響較小的地下水處理時(shí)，可以采取超前預(yù)注漿方式進(jìn)行處理，注漿孔布置圈數(shù)根據(jù)地下水量和構(gòu)造形式進(jìn)行調(diào)整。在掌子面上分圈均勻布置，鉆孔時(shí)根據(jù)計(jì)算確定各孔的方位角和傾角，保證孔底間排距為3.0 m。具體注漿孔布置形式見圖2所示。

2.4 發(fā)現(xiàn)地下硫化物洞段的處理措施

首先應(yīng)先檢測(cè)硫化物的成分和含量，測(cè)定硫化物的方法，通常有亞甲藍(lán)比色法和碘量滴定法以及電極電位法。當(dāng)水樣中硫化物含量小于1 mg/L時(shí)，采用對(duì)氨基二甲基苯胺光度法。樣品中硫化物含量大于1 mg/L時(shí)，采用碘量法。

圖2 隧洞突泥突水流超前預(yù)注漿處置示意

電極電位法具有較寬的測(cè)量范圍，它可測(cè)定10-6～101mo1/L之間的硫化物。根據(jù)測(cè)定出的硫化物的成分和含量采取不同的處理措施。

(1)對(duì)于硫化氫含量超標(biāo)的隧洞，由于H2S氣體易溶于水，易與水一起溢出，因此對(duì)隧洞內(nèi)H2S氣體的綜合處理主要采取超前預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)封閉、施工安全控制、嚴(yán)用施工設(shè)備、制定應(yīng)急預(yù)案等措施。

(2)其他硫化物超標(biāo)的隧洞，主要是洞渣中硫、鐵合金元素含量較高的地段，硫化鐵礦物在自燃過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體二氧化硫，并釋放熱量，進(jìn)一步促進(jìn)氧化易形成硫酸鹽，強(qiáng)酸在自然環(huán)境中易與陽離子結(jié)合，形成硫酸根離子。此類硫化物在開挖過程中對(duì)工程影響不是很大，主要是棄渣對(duì)環(huán)境的影響較大。導(dǎo)致硫鐵礦等自燃氧化的主要因素是氧氣、溫度和濕度，有效的隔離與氧氣的結(jié)合和降低溫度、濕度是控制自燃氧化的主要措施。根據(jù)目前國內(nèi)治理硫化礦自燃的主要方法，并結(jié)合以前治理類似問題的相關(guān)實(shí)例，通過注漿、換填、覆蓋、隔水等方式能夠徹底治理渣場(chǎng)自燃氧化問題。

3 結(jié)論

對(duì)王家壩隧洞在設(shè)計(jì)與施工過程中不良地質(zhì)的類型、成因分析的基礎(chǔ)之上，對(duì)隧洞區(qū)域主要的不良地質(zhì)即斷層、巖溶，以及施工過程中的突水突泥以及地下硫化物的處理措施進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，使得在施工過程中能夠做到防患于未然。同時(shí)，在遭遇不良地質(zhì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體問題作制有定針對(duì)性的處理措施，以確保處理方式的有效性以及施工過程的安全，減少施工過程中不良地質(zhì)現(xiàn)象帶來的損傷，確保隧洞施工的順利進(jìn)行。

[1] 王寶仲. 地下洞室不良地質(zhì)段常用施工方法及處理措施[J]. 科技風(fēng),2009(14):142-144.

[2] 戎昆方，戎慶，劉志宇.研究巖溶的新觀點(diǎn)[M].北京：地質(zhì)出版社，2009.

[3] 王琪. 近接溶腔對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性影響及防治措施研究[D].長安大學(xué),2014.

[4] 黃潤秋,王賢能,陳龍生.深埋隧道涌水過程的水力劈裂作用分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(5):573-576.

張麗(1982～)，女，本科，工程師，主要從事地下工程施工管理工作。

U456.3+3

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[定稿日期]2017-05-22