王有平

(云南省滇中引水工程建設管理局楚雄分局，云南 楚雄 675000)

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)略性基礎工程，工程從金沙江上游石鼓河段取水向滇中城鎮(zhèn)生活及工業(yè)供水，同時兼顧農(nóng)業(yè)與生態(tài)，以解決云南省社會經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)嚴重缺水問題，具有顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。九道河隧洞是該項目總干渠楚雄段的主要輸水建筑物之一，隧洞總體方向東偏北25°，上接鳳凰山倒虹吸，下連九道河倒虹吸，全長9630.37m，斷面尺寸8.26m×8.96m，馬蹄形斷面，為無壓洞，設計流量為100m3/s。

2 隧洞基本地質條件

隧洞穿越地段屬低中山地貌，主要山脊、河流NNE向，沿線地面海拔2067～2193m，最大山頂海拔2354m，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，最大埋深約380m，埋深多在100～300m之間。隧洞穿越的地層除隧洞出口有第四系覆蓋層外，其余洞段地層以白堊系普昌河組(K1p)、馬頭山組(K1m)、江底河組第一段(K2j1)地層為主，地層巖性以泥巖、粉砂質泥巖等軟巖為主。

九道河隧洞斷層構造發(fā)育，發(fā)育1條寬緩背斜和多條斷層，褶皺、斷層構造線方向為NNW～NNE向，與隧洞軸向中等—大角度相交。共發(fā)現(xiàn)了15條Ⅱ級、Ⅲ級斷層，其中寬度不小于5m的Ⅱ級斷層4條，寬度小于5m的Ⅲ級斷層11條。斷層走向以近SN向、NNE向為主，東傾、陡傾角為主。節(jié)理裂隙較發(fā)育，以層面裂隙為主，其次為平行于斷層的構造裂隙。褶皺核部巖層緩傾。

隧洞沿線巖體風化不均勻，主要受地層巖性、構造影響，在斷層及影響帶形成風化深槽，山坡部位強風化帶厚10～20m，弱風化帶厚30～60m。隧洞均在微風化—新鮮巖體中穿越，僅在隧洞出口段及斷層FⅣ-108部位穿越帶狀強弱風化巖體，局部砂巖段受連通性裂隙影響，隧洞穿越部位以弱風化巖體為主。九道河隧洞穿越地段屬低中山地貌，埋深多在100～300m之間，穿越?jīng)_溝部位埋深一般100～150m。地層除隧洞出口有第四系覆蓋層外，其余洞段地層以白堊系普昌河組(K1p)、馬頭山組(K1m)、江底河組第一段(K2j1)地層為主，地層巖性有泥巖、粉砂質泥巖、泥灰?guī)r、泥質粉砂巖及砂巖等，以“滇中紅層”泥質巖為主。隧洞斷層構造很發(fā)育，共發(fā)現(xiàn)了15條Ⅱ級、Ⅲ級斷層，斷層發(fā)育，圍巖穩(wěn)定條件差。九道河隧洞圍巖分類結果為：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(含特殊不良地質洞段)約占該段線路的73.5%?？傮w以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。具體為九道河隧洞前段(篆山小河之前)地下水位埋深一般為60～90m，后段埋深一般為30～60m。隧洞施工可能存在涌突水問題，預測該段隧洞涌突水災害風險等級為A級(極高風險區(qū))和B級(高風險區(qū))。

3 重難點分析及變形控制措施

“滇中紅層”以泥巖、粉砂質泥巖、泥灰?guī)r、泥質粉砂巖及砂巖等軟弱巖體為主，地質條件差，開挖隧洞可能會出現(xiàn)圍巖大變形甚至發(fā)生失穩(wěn)坍塌等安全事故。初期支護圍巖變形控制難度大，安全風險高，尤其受斷層帶影響，初期支護變形速率加劇，會引發(fā)噴層開裂、剝落、掉塊，鋼支撐扭曲，底部隆起，支護侵限，襯砌開裂等現(xiàn)象，嚴重時將導致洞頂垮塌，對隧洞總體工期造成影響。因此，軟巖洞段(Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段)施工變形控制措施是施工中應重點關注的問題。

3.1 軟巖洞段變形處理技術參數(shù)

3.1.1 Ⅳ類圍巖(軟巖為主)洞段變形處理技術參數(shù)

根據(jù)一次支護效應計算確定Ⅳ圍巖(軟巖為主)洞段如下支護參數(shù)：

a.掛網(wǎng)噴混凝土：一般洞段邊頂拱噴20cm厚C20混凝土，邊頂拱掛φ6.5@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)；斷層洞段邊頂拱噴20cm厚C20粗纖維混凝土，邊頂拱掛φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)。

b.系統(tǒng)錨桿：邊墻采用砂漿錨桿，頂拱采用中空注漿錨桿，參數(shù)均為C25@1.5m×1.5m(L=6.0m)。

c.鋼支撐：全洞段設I20@0.8m～1.2m鋼支撐，底板設20cm厚C20素混凝土墊層。

d.排水孔：頂拱120°設φ50排水孔，深3m，間排距3m。

e.預留變形量：預留8cm變形量。

3.1.2 Ⅴ類圍巖洞段變形處理技術參數(shù)

根據(jù)一次支護效應計算成果，并依據(jù)《水利水電工程錨噴支護技術規(guī)范》(SL 377—2007)確定Ⅴ圍巖如下支護參數(shù)：

a.掛網(wǎng)噴混凝土：一般洞段邊頂拱噴20cm厚C20混凝土，掛φ6.5@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)；斷層洞段邊頂拱噴20cm厚C20粗纖維混凝土，邊頂拱掛φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)。

b.系統(tǒng)錨桿：一般洞段采用中空注漿錨桿，嚴重及極嚴重擠壓變形洞段采用讓壓錨桿，參數(shù)為C25@1.5m×1.5m(L=6.0m)。

c.鋼支撐：全洞段設I20@0.5～0.7m鋼支撐，底板設20cm厚C20素混凝土墊層。

d.排水孔：頂拱120°設φ50排水孔，深3m，間排距3m。

e.預留變形量：一般Ⅴ類圍巖洞段預留10cm變形量，嚴重擠壓變形洞段預留15cm變形量，極嚴重擠壓變形洞段預留20cm變形量。

3.2 安全管理措施分析

按照“地質先行、綜合預報”的原則，加強綜合超前地質預報，重點對洞身特殊工程地質洞段存在的涌水突泥、軟巖大變形、穿越活動性斷裂帶等多類型特殊工程地質狀況進行預測、預判，摸清前方詳細地質情況，以便采取針對性的技術措施與風險防范方案。做好施工地質超前預報及專項超前預報的配合工作，及時掌握地質信息，實現(xiàn)信息化施工。

3.2.1 鉆爆法開挖不良地質洞段的施工對策

a.配備有經(jīng)驗的地質工程師，結合前期地質勘探資料進行施工超前預報，對地下洞室通過斷層破碎帶，涌水、高地應力段等不良地質地段制定相應的預防預報措施，備足有關的應急機具和材料。

b.不良地質地段的隧洞施工，采取“超前探測、預錨固(或預灌漿)、先治水、短進尺、弱爆破、少擾動，早封閉、強支護、勤量測”的原則，穩(wěn)步推進。

c.不良地質洞段開挖前視地質情況采用超前小導管預注漿支護、超前大管棚、超前預固結灌漿等超前支護手段進行加固。斷裂帶采用大管棚支護，按設計預留變形量。嚴格控制開挖進尺，必要時及時進行二襯混凝土的澆筑。

d.加強施工期安全監(jiān)測，配合測量人員及時完成永久監(jiān)測儀器埋設，保證施工安全。斷層帶及兩側影響帶、節(jié)理密集帶開挖后，及時設置收斂監(jiān)測斷面或監(jiān)測儀器進行變形監(jiān)測，根據(jù)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全分析和預報，對不穩(wěn)定圍巖或塊體實施準確預測和適時有效錨固，在嚴密的安全監(jiān)控下展開施工，保證施工安全。

e.在掌子面與二襯混凝土間設置逃生通道，確保在發(fā)生地質災害時，人員的安全撤離。

3.2.2 防止涌水、突泥的處理措施

a.加強超前地質預報，及時掌握掌子面前方的水文地質情況，對富水的不良地質洞段，采取超前預灌漿封堵、超前排水孔降水、超前固結灌漿及超前支護等方案進行堵水、排水和加固，避免出現(xiàn)涌水、突泥等地質災害。

b.適時進行二襯混凝土及固結灌漿、排水孔施工，控制地下水的排放，同時確保隧洞結構的安全。

c.對各工作面滲水量、排水量進行科學的分析、計算和研究，根據(jù)排水量、排水線路長度、施工方案、排水方向確定合理、可靠、科學的排水方案，確保各工作面的排水，保證工作面的正常施工，同時保證不浪費成本。主洞內(nèi)每隔約1km設集水井和泵站排水，施工支洞與主洞交叉口附近設置集水坑，隧洞滲水及施工廢水逐級抽排至該集水坑，然后經(jīng)施工支洞抽排至污水處理系統(tǒng)。

d.支洞泵站間設置自動閉塞系統(tǒng)，確保多級泵站間聯(lián)運協(xié)調(diào)運轉，支洞交叉口集水坑容量滿足最大排水量要求；配備足量的備用電源，保證停電的情況下洞內(nèi)正常排水的需求，防止因停電造成涌水事故淹沒工作面。

e.必要時報監(jiān)理審批同意后增設備用排水設備和備用排水管。

f.成立抽排水班組，安排專人負責抽排水系統(tǒng)的維護，確保抽排水系統(tǒng)的正常運行。

g.編制應急預案，組織抽排水應急小組并配備足夠的應急物資，一旦發(fā)生較大的突水涌水情況，立即啟動應急預案進行搶險工作。

3.2.3 及時進行混凝土襯砌，確保洞室安全

為控制地下水排放或維護洞室穩(wěn)定，對于涌水風險為A級和B級的洞段，應采取邊挖邊襯的施工措施，襯砌混凝土與開挖掌子面的距離根據(jù)圍巖情況不應大于50～120m，確保施工安全。

a.鋼模臺車的設計需滿足邊開挖邊襯砌的施工工藝要求，邊頂拱襯砌臺車設計時需考慮大直徑風管、運輸車輛及電纜水管在臺車中穿行的要求。

b.開挖工作面(鉆爆段)后設置棧橋，棧橋設計參照公司的成功經(jīng)驗，采用鋼結構拱跨越清底段、鋼管綁扎段、混凝土澆筑段及混凝土等強段等幾個區(qū)域，棧橋兩端安裝輪子便于移動。

c.棧橋搭設完成后進行邊頂拱混凝土襯砌，滿足邊頂拱襯砌混凝土施工進度要求。

3.2.4 加強安全監(jiān)測，指導安全施工

a.組建地質超前預報及安全監(jiān)測部，在項目技術負責人的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下全面負責本標施工期臨時安全監(jiān)測及永久安全監(jiān)測的配合工作。

b.工程開工后，由項目部組織有關技術、安全、監(jiān)測部門認真對隧洞地質情況進行研究，對支洞進口、主支洞交叉口、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶及不良地質結構組合情況進行施工安全分析，擬定臨時安全監(jiān)測斷面(測點)布置方案，編制臨時監(jiān)測實施措施，并做好相關技術準備工作。

c.施工中根據(jù)開挖揭露的地質情況，遇到不良地質洞段時，及時布設監(jiān)測斷面進行收斂監(jiān)測、周邊位移及拱頂下沉監(jiān)測，特別對斷層帶加強監(jiān)測，如變形速率加快或突變，立即通知監(jiān)理工程師及發(fā)包人到現(xiàn)場研究處理方案，緊急情況下立即通知生產(chǎn)部門進行支護處理。

d.建立施工期安全監(jiān)測制度，除該項目負責的施工期監(jiān)測外，還可利用永久監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工，保證安全監(jiān)測觀測信息的快速反饋，實時進行安全預報，為工程施工提供指導，保障施工安全。

3.3 施工技術措施分析

3.3.1 施工技術重點及原則

a.嚴格按“新奧法”施工，并按“先柔后剛、先放后抗”的原則進行支護施工。在隧洞初始開挖階段結合開挖揭露地質條件及一次支護方案，針對不同圍巖類別洞段加強變形監(jiān)測，分析統(tǒng)計隧洞開挖后變形規(guī)律，開展軟巖變形控制相關試驗，以最終確定不同圍巖類別開挖預留變形量，防止圍巖侵入凈空。

b.施工時采用“短臺階”“分部開挖”“核心土”等方法進行施工，按“先邊后中、先軟后硬”“早預報、預加固、短進尺、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測”的原則進行施工，分部開挖，分部支護。嚴格控制底板封閉時間和距離，嚴格控制初期支護變形，必要時采取單工序作業(yè)，開挖時不襯砌、襯砌時不開挖，保證底板封閉時間。

c.做好超前支護。根據(jù)圍巖情況采用超前錨桿、超前灌漿、超前小導管和超前大管棚等進行先期圍巖支護，提高隧洞成洞條件，確保施工安全。

d.做好初期支護。根據(jù)圍巖情況做好噴錨、掛網(wǎng)及鋼支撐支護，及時調(diào)整鋼支撐間距等。切記不能使同一榀鋼支撐左右兩個拱腳同時懸空，且采取措施保證鋼支撐腳底穩(wěn)定。

e.加強超前地質預報。高度重視施工階段超前地質預報工作，建立責任制，明確責任和分工。全洞段采用地質素描、物探、超前鉆探等方法對滇中紅層洞段進行超前預報，根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整施工方法和支護設計。斷層、褶皺洞段、埋深大的紅層段，加強超前長、短鉆孔，積極配合其他承包人進行專項超前地質預報，及時探明隧洞前方地質情況，特別是地下水的發(fā)育情況，嚴禁在未探明情況下盲目開挖。

f.做好圍巖變形監(jiān)測，主要監(jiān)控拱頂沉降與結構收斂。并根據(jù)圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整支護參數(shù)，調(diào)整預留變形量，避免結構尺寸侵限造成損失。對變形量進行回歸分析，合理確定二次混凝土襯砌時間并進行混凝土襯砌。

g.配備專業(yè)隊伍、專業(yè)設備，在斷層、褶皺洞段、軟巖洞段、埋深大的紅層段富含水時，采用超前灌漿，改良地層，對圍巖超前加固，確保隧洞安全施工。

h.隧洞襯砌采用“先底板、后邊頂拱”的程序施工，以免基巖受施工機械等來回碾壓、地下水浸泡等影響造成軟化變形、凸凹不平，保證隧洞施工進度、質量和安全。

i.斷層破碎帶等不良地質洞段采取短進尺、分臺階、多循環(huán)、預留核心土等施工工法以減少對圍巖的擾動，并及時分區(qū)域施作鋼支撐，視圍巖變形程度進行鋼支撐加密，防止洞頂垮塌。

j.加強工作面積水抽排，并嚴格控制施工用水，防止泥巖被水浸泡后變形。

3.3.2 特殊洞段處理措施

針對不同特殊地質問題，制定科學合理的專項處治技術方案。

a.針對可能發(fā)生涌突水的洞段，在進行綜合超前地質預報勘探，探明未開挖段地質條件及地下水情況的基礎上，按設計實施超前預支護體系，選用切實有效的超前固結灌漿措施。

b.針對涌突水洞段，按照“堵導結合、以堵為主、限量排放”的控制原則或設計要求進行處理，開挖前進行預灌漿或打超前排水孔引流釋壓，開挖后及時進行系統(tǒng)支護和排水孔施工。

c.針對斷層破碎帶、軟弱圍巖變形洞段及穩(wěn)定問題，按“短進尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強支護、勤量測、緊襯砌”的原則進行開挖支護，選取“環(huán)形開挖預留核心土”“微臺階”等工法施工，輪廓開挖后對邊拱及掌子面及時進行初噴，先初噴3～5cm厚混凝土或掛網(wǎng)混凝土，再進行工字鋼及噴錨支護，并及時對掌子面按設計實施掛網(wǎng)噴混凝土封閉、玻璃纖維錨桿支護等措施，以防止掌子面溜坍滑塌失穩(wěn)。支護按“由表及里、先柔后剛”的程序，保證施工安全和洞內(nèi)成型質量。待初期支護完成、監(jiān)測量測變形趨于穩(wěn)定后及時進行二襯施工，以封閉成環(huán)有效控制變形。

施工中采取超前地質預報、加強光面爆破控制以提高爆破效果，采用預先施作空眼注水釋放應力、快速施作初期支護封閉圍巖、增強初期支護強度、噴霧和高壓水沖洗巖壁或設臨時防護網(wǎng)等措施有效防范巖爆影響。針對不同特殊地質問題，制定安全應急救援預案，并進行演練，保障施工過程絕對安全。同時，對有毒有害氣體洞段、突涌水洞段排至洞外的水進行凈化處理，防止對水環(huán)境產(chǎn)生污染。

為了檢驗軟巖地層洞段變形控制技術措施效果，選擇九道河隧洞K9+380斷面作為有代表性監(jiān)測斷面，在拱頂設置下沉測點，并分別在拱腰、邊墻和墻腳布置周邊位移測點，通過跟蹤量測確定洞身變形曲線，見圖1。變形監(jiān)測結果顯示：前期圍巖變形速率較大，后期變形持續(xù)時間長(多發(fā)生在拱頂及靠山側邊墻位置)，隧道開挖后即變形,變形速率較大，延續(xù)時間長，具有明顯的流變特征；初期支護后洞段整體變形趨于平緩，說明初期支護后隧道洞身圍巖變形穩(wěn)定，變形控制技術措施較好。

圖1 九道河隧洞K9+380斷面洞身變形

4 結 語

綜上所述，軟弱圍巖隧道施工中，圍巖處于加載、卸載的負載變化過程中，極易出現(xiàn)變形問題，施工難度大、危險性高，對此必須重視開挖施工工藝的選擇與支護的實施問題，確保隧道施工的順利進行。在實踐中，一旦隧道已經(jīng)出現(xiàn)大變形情況，包括初支變形侵限、二襯開裂、仰拱開裂等，必須立刻停止施工，查明原因，制定合適的處理方案，如：拱架支撐、注漿加固、換拱等，完善監(jiān)控量測機制，保證隧道安全。隧道是由圍巖和支護結構共同承受荷載的結構體，特別是軟巖隧道，由于圍巖不穩(wěn)定造成其設計和施工更具特殊性，其施工技術仍處于不斷深化認識和工程實踐階段。九道河隧洞遵循“保護圍巖、巖變我變，支護寧強勿弱，二襯及早跟進”的原則，充分調(diào)動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛，取得了良好的施工效果，可為同類工程施工提供借鑒與參考。