新疆某隧洞不良地质洞段支护及地质缺陷处理措施研究

李瑞

（新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830001）

1 工程概况

新疆某输水隧洞工程隧洞洞线方向为东南西北方向，隧洞按无压城门洞型设计，隧洞总长12 km，隧洞衬砌后的断面尺寸为2.80m×3.56m（宽×高，直墙高2.75m），顶拱中心角120°。某输水隧洞共设计3条施工支洞，位置分别是主洞桩号K2+215.23的1号斜井支洞、K4+744.66的2号斜井支洞、K7+369.68的3号斜井支洞。施工支洞断面衬砌后为3.40m×4.15m（其中直墙高3.17m，顶拱高0.98m），中心角为120°。

2 隧洞基本地质条件

工程区大部分地段属于侵蚀、剥蚀性中低山，以及黄土剥蚀丘陵。地形总的趋势表现为西高东低，地面高程多在980～1300m，沟谷切割深度一般小于100～200m，其间沟谷发育，多呈“V”字型，谷底多有地表水流。参考工程区水文地质条件、岩体强度、岩石强度应力比、岩体完整性、隧洞岩体结构、围岩主结构面与隧道轴线的夹角等，综合各类条件研究判断隧道围岩等别。某输水隧洞断面多以Ⅲ类围岩居多，密集的节理裂隙带和断层破碎带为Ⅳ类和Ⅴ型围岩，考虑Ⅳ类和Ⅴ型围岩处理施工难度较大，文章主要讨论上述围岩支护措施，围岩分布详见表1。隧洞埋深洞段受岩体的层面完整程度、节理裂隙发育情况及构造破碎带等控制，而受岩性变化的影响并不明显，隧洞埋深一般100～149m，局部段埋深较浅，多数岩体呈微风化～新鲜。岩体中主要发育3组节理，节理多闭合，延伸不长，一般数米，间距一般0.3～0.5m，局部密集。隧洞出口段岩体由于埋深较小，为强～弱风化，属于较破碎岩体。工程区段未发现大的断裂，已查明及推测的非活断层共有3条，均为高角度断层，走向为NWW向，断层规模一般都不大。局部有少量糜棱岩，其余断层规模较小。

表1 主洞Ⅳ类和Ⅴ类围岩特性表

3 不良地质洞段支护及地质缺陷处理措施

水利水电工程涉及隧洞作业，因受到工程所在地实际地形、埋深、地质情况及作业空间窄小等诸多因素影响，普遍具有未知性大、作业复杂、作业期限较长等特点。而在隧洞掘进过程中的不良地质洞段处理施工是隧洞施工的难题所在。

此输水隧洞工程作为“线状”工程，隧洞开挖掘进长度达12km，中间布置3条施工支洞，长距离隧洞施工具有线长、面广、施工点多的特点，同时施工区域还具有高原山地气候特点，受自然环境施工影响多。施工区年平均气温6.9℃，最低气温-31.4℃，冬季最低气温降到0℃以下时，施工难度大，需综合考虑高原降效因素，增加资源配置，合理规划冬季施工时间。

3.1 主洞Ⅳ类和Ⅴ类围岩支护措施

某隧洞主要支护型式为挂钢筋网、喷射C25混凝土、钢拱架、φ25系统锚杆及锁脚锚杆（Ⅳ-2、Ⅴ类围岩）、φ42超前注浆小导管（Ⅴ类围岩）。锚杆孔采用方便移动的平台架配合手风钻造孔，注浆机注浆，人工安插锚杆。喷混凝土在拌和站拌制，经混凝土运输车运至施工工作面。主洞支护参数：Ⅳ-1类围岩洞段顶拱及侧墙系统锚杆（砂浆锚杆）φ25、排距1.0m、长度L=2.0m；顶拱及侧墙范围喷射混凝土厚10cm，钢筋网φ8@200×200（底板部位无锚杆，不喷混凝土、不挂网）。Ⅳ-2类围岩洞段顶拱及侧墙系统锚杆（砂浆锚杆）φ25、排距1.0m、长度L=2.0m；顶拱及侧墙范围喷射混凝土厚15cm，钢筋网φ8@200×200（底板部位无锚杆，不喷混凝土、不挂网），全断面I12.6钢拱架，φ25锁脚锚杆长度，L=2.0m，外插角15°。Ⅴ类围岩洞段顶拱及侧墙系统锚杆（砂浆锚杆）φ25、排距0.6m、长度L=2.0m；顶拱及侧墙范围喷射混凝土厚15cm，钢筋网φ8@200×200（底板部位无锚杆，不喷混凝土、不挂网）；全断面I14钢拱架，φ42超前小导管，仰角10°，环间距0.4 m，排距1.8m，L=3.0m。围岩支护示意图见图1～4。

图1 Ⅳ-2类围岩支护示意图

图2 Ⅳ-2型一次支护纵剖面图

图3 Ⅴ类围岩支护示意图

图4 Ⅴ类一次支护纵剖面图

3.2 地质缺陷问题施工处治措施分析

3.2.1 地下水的处理

隧洞开挖过程中，若遇地下水活动较严重地段，采用排、堵、截、引等综合治理措施进行处理，具体措施：

1）在隧洞内布置集中排水泵站及相应的排水管路，分段接力将水排出洞外，泵站配置的水泵功率大于排水量20%，并考虑备用。工作面采用潜水泵、集水井、排水沟汇水至集中排水泵站。

2）隧洞地质超前预报。参考隧洞超前预报结果和地质钻探证实的地层岩性，研究岩石构造面的发育情况、完整性和渗水状况，分析确定水压和出水量，提前制定排水和堵塞水流方案，以防止涌水发生。

3）对极易发生涌水的位置加密动态监测，有针对性地采取技术措施，最大程度降低突发涌水的可能性，保障隧道施工作业安全，尽可能降低突水造成的工程损失。极易发生突发涌水的区域为岩性界面附近、断层、与隧道相交的致密裂隙等构造面、气孔浑水、地温值较低、开挖位置附近裂隙出现泥质物等。

4）地下水较丰富的洞段，采用注浆堵水措施。预灌浆处理措施拟采用掌子面超前钻孔预注浆和平行隧洞侧面预注浆两种方法同时实行，根据不同的地质条件，在灌浆中有选择性地加入稳定剂、增塑剂、速凝剂和超细硅灰等外加剂，提高灌浆的性能、凝结能力和稳定性，保证浆液质量。

对洞挖所揭露的线状渗水，因其水压力不高，单点出水量也有限，拟采用水泥和水玻璃或水泥与聚胺脂双液注浆进行封堵，必要时采用“分流”方案以减少渗水点的流量、流速，对渗水点直接封堵。

5）施工中当突然遭遇高压集中涌水时，及时对掌子面的涌水部位采用混凝土封堵并进行预注浆，待隧洞围岩周围形成稳固的止水层后再继续开挖。

6）隧洞开挖后，必要由工程经验丰富的地质专业技术人员对工程区域水文地质资料充分研究分析，结合类似的水文地质条件、工程案例和施工现状，细化作业期间隧道突发涌水的排水方案和设备配置，制定具有操作性较强的应急预案，并定期演练。开挖过程中，施工单位还要依据地下水监测的数据信息，及时更新调整防渗排水方案和措施。

7）隧洞施工过程中出现大规模地下涌水，立即采取措施控制涌水，并及时通知各参建单位。

3.2.2 断层处理

1）开始作业前，必须明确断层带基本情况，主要包括断裂带的宽度、填充物、地下水分布和隧洞轴线与断层构造线位置关系，通过断层带的实际情况采取合适的施工工法和作业设备。

2）在断层规模较小、渗水较小条件时，可以利用超前锚杆、超前小钢管、超前小导管注浆、管棚等支护措施和超前灌浆处治。

3）在断层规模大或渗水量大时，第一步实施超前灌浆处理，再综合超前支护措施处理断层带不良地质。

4）尽可能缩短断层带各个施工工序之间时间间隔，使全断面支撑或衬砌尽速密封，降低岩石裸露风化时段。

5）在钻孔爆破作业过程中，必须严格控制爆破孔的数量、深度和装药数量，使爆破对岩层的振动最小化。

6）断层地段加强支护，并经常检查加固。

3.2.3 塌方事故预防和处理

1）隧洞塌方预防

隧道塌方极易产生重大安全事故，预防隧道塌方事故是保证施工作业的关键之一。施工中随时观察和监测地质有无异常现象，研究岩体和地下水变化情况，采取科学有效的支护措施，增强围岩稳定性，提前预防隧道塌方。在地质条件较差的洞段作业时，进行勘探孔及地质测试孔的钻孔工作，并据此进行超前地质预报，坚持弱爆破、短进尺、强支护和勤观测的施工方法。对未扰动而破碎的岩层、结构面不利的块状岩层或松散渗水的围岩段，利用超前锚杆支护。某输水隧道部分路段围岩松散散乱，地下水十分丰富，优先采用超强小管注浆加固支护。隧道穿越高速公路路段、居民生活居住区等特殊位置时，应根据现场条件调整施工方案，采用适当的技术措施超前支护，防止发生滑坡、顶板塌陷、地表大范围沉降等情况。

2）塌方处理

隧洞坍塌之后，塌方位置及附近作业面马上停止作业施工，现场作业人员要立即向项目负责人报告。施工单位立即派出专业技术人员开展现场调查，分析坍塌的成因，掌握坍塌范围、类型和下一步发展态势，检查塌方位置的地质情况和地下水发育程度，制定出科学合理可操作性的处理措施。对于轻微塌方洞段，待洞段塌顶长时间较为稳定不掉落块石后，及时加固坍塌位置附近的岩石并及时布设支护措施支撑顶部，以阻止坍塌进一步扩大。对于大范围塌方，在坍塌治理方案未明确之前，切勿先盲目拆除塌方体，否则会发生更大规模和面积的塌方。对于具有地下水发育程度较高的塌方，建议先控制水，然后控制塌方体。除此之外，施工单位要快速组织坍塌治理所需的材料、设备和人员的投入，以避免停工。

对于各种类型的隧洞塌方采用的处理方法：裂纹扩展引起的塌方应使用喷锚法、挑梁法和置换支撑法进行处治；较为狭窄而长的塌方，可以借助隧洞两侧的完整岩壁条件，运用挑梁法和顶部支护法治理；中等程度的塌方体，可以根据实际情况运用喷锚法、顶板保护法、插筋排架法和钢管棚架法治理；大规模大范围塌方，如果塌方体石块严重阻塞了全部输水隧洞，又不完全了解崩塌的范围大小和发展趋势，可运用预注浆法、喷锚法、钢管棚架和钢排架等多种施工工艺综合施策处理。

4 结语

综上所述，新疆某输水隧洞项目是线性地下隐蔽项目，必须穿越峰谷、河流，地下埋深变化很大。开挖面临的地质条件复杂多变，遇到不良地质条件的情况非常普遍，但在大多数不良地质洞段都可以采取技术措施提前预防控制。同时，为保证开挖作业的安全和质量，作业过程中的超强地质预报至关重要，对不合格的地质隧道段要进行合理、安全的处理，不良影响最小化。隧道施工中严格按照“保护围岩、岩变我变，支护宁强勿弱，二衬及早跟进”的方案，充分发挥围岩承载力，有效地控制了围岩的变形，作业过程中未出现安全事故，达到了预期的施工目标，可为类似地质条件输水隧洞工程的施工提供一定的参考。