浅论复杂地质条件下引水隧洞的施工技术

罗昌民

重钢西昌矿业有限公司 四川 西昌 615041

前言

1 工程概况

某矿山尾矿库工程截排洪系统引水主隧洞全长2375m，主隧洞采用圆拱直墙式断面，净断面尺寸为底宽4.5m×高5.0m，开挖毛断面尺寸为6.2m×高6.7m，采用型钢拱架+锚喷联合初期支护、现浇C25砼二次衬砌的组合式支护方式。全线岩土层在空间分布和力学性能上存在巨大差异，隧洞围岩地质条件十分复杂突变，断层发育，围岩破碎，富水性强，围岩开挖后极不稳定。

其中K0+000至K2+079段均为Ⅴ类围岩，隧洞洞身段将穿过土质为含卵石砂质粉土、粉砂、卵石、含块石砂质粉土、块石及粉砂质泥岩等土层。围岩多变，极不稳定，易出现冒顶、塌方现象。

且场地内有四条断层通过，其中两条呈近南北走向（F1、F2），两条呈北东东走向（F3、F4），F1、F2断层平面上与南沟截排洪隧洞相交，断层上下盘均为含角砾凝灰岩，近断层岩石相对破碎，对隧洞施工将产生不利影响。

整个隧址区内地下水发育，特别是在断层破碎带、凝灰岩与玄武岩接触带、F1、F2、F3、F4断层带附近地下水较丰富。初探南沟隧洞最大涌水量达到每天10000方以上，后经过2019年补充勘察，最大涌水量也要达到每天700方以上，施工极度困难[1]。

2 复杂地质条件下引水隧洞的施工技术

2.1 冒顶段隧洞施工

2018年5月，主隧洞施工到K0+147时拱部出现涌水、突泥，拱顶出现冒顶，垮空区约5m长，0.5～2m高，该段围岩为第四系中更新冲积含卵石粉土、粉砂为主，涌水量较大。为顺利通过该区域，施工采取以下措施：

（1）强支护：加密φ42×4超前注浆小导管支护，间距由250mm加密到100～150，单层改双层，注浆由单液浆变双液浆或两种浆液结合。钢拱架加强支护，间距由850mm加密到400～600mm。钢筋网片钢筋间距由200×200mm改为120×120mm。

（2）早封闭：掌子面一出来马上初喷一层50～80mm厚喷射混凝土，初支完成立即喷射混凝土封闭。

解析：小磁针静止时N极向左，则由同名磁极间相互排斥、异名磁极间相互吸引可知螺线管左侧为S极，右侧为N极；由安培定则可知电流由右侧流入螺线管，即电源右侧为正极。如图所示：

（3）隧洞掘进“短掘短支”：在超前管棚的掩护下进行“短掘短支”，每400～600mm施工一榀，根据围岩掘进情况随机布置；不冒进，直至围岩转好。

（4）加强排水工作：在喷射混凝土前先预埋4～5根φ150mm塑料盲管外包土工布排水管引水，喷射混凝土封闭后拱部、墙部均埋2～3根DN42排水管，释放水压力。

（5）弱爆破：针对该类围岩地段，采取弱爆破或不爆破施工，尽量减少爆破对掌子面的破坏。

2.2 富水段隧洞施工

主隧洞K1+760-K3+079段为富水段，隧洞埋深69～127m。根据2014年地勘报告揭露，其最大日涌水量达12000m3/24h，在涌水量如此巨大的地段施工隧道，其施工难度将非常大且施工造价也非常昂贵。为此，2019年公司通过对富水段进行了补充勘察，通过补充勘探和深入研究，该富水段枯水期正常涌水量为757.78方/d，雨季最大涌水量为1136.67方/d。但该涌水量仍可能造成隧道施工中突水、突泥和片帮、冒顶事故的发生；对此，采取以下施工措施：

（1）编制专项施工施工方案，施工前进行突水事故演练，准备好应急救援物资。

（2）先探水后掘进：采取长探和短探相结合，初次长探钻机布设在5#支隧洞内，长探钻孔深度60m，布设5个钻孔，钻孔平行于主隧洞，采用KGYX420履带式潜孔钻机配合φ110柱齿钻头钻孔。长探探水超前掌子面不少于20m。短探在掘进掌子面布置钻孔5个，顶、底、左帮、右帮、中心各一个，探水长度5m，超前掘进距离为2m。

（3）工作面预注浆施工：如工作面涌水量较大，长探、短探孔排水不能有效解决涌水问题时，采用工作面预注浆的方法加固围岩、封堵涌水的施工方法。工作面预注浆采用φ108×6mm注浆钢花管进行，管棚布置在拱部180°范围内，间距250mm，深度24m，钢管上开设孔径为6mm间距为150mm的溢浆孔，注浆浆液采用水泥单液浆或水泥-水玻璃双液浆，注浆封堵完成后方可进行掘进施工。

（4）短进尺掘进施工：由于富水段地质条件复杂，隧洞顶板及两帮围岩极易冒落，施工安全风险大，施工按照“浅打眼、少装药、小循环、放小炮”的方式进行，炮眼深度控制在1.2米左右，每循环开挖长度不超过1m。

（5）加强初期支护施工：必要时可加强初期支护进行施工，包括缩短型钢拱架间距、加密超前支护小导管、加强钢筋网片等。

（6）及时跟进仰拱施工，确保其与侧墙和拱顶钢构及早封闭成环；在富水段施工，仰拱滞后侧墙立柱的距离要求不大于3米。

（7）坚持施工单位负责人日夜带班，监理、业主值班人员加强巡查；业主现场代表、质量安全管理员和负责人每天检查的方式；要求施工单位严格按专项方案施工，对施工中出现的任何异常现象立即制定措施处理，及时消除各种安全隐患。

2.3 粉砂质泥岩段隧洞施工

主隧洞K1+000-K1+060段围岩为粉砂质泥岩，围岩中块石含量极低，弱固结，地下水以孔隙潜水为主，富水性较差，洞身开挖后呈雨滴状从泥岩中渗出。围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，易出现大面积塌方现象。该段隧洞施工采取以下措施：

（1）短开挖：该段围岩强度低，不进行爆破即可进行开挖作业，每次开挖进尺控制在1～1.5米左右，分台阶开挖，先上台阶，后下台阶。

（2）强支撑：超前预支护采用φ108×6mm注浆大管棚支护，长24m，拱顶135°范围内布置，间距250mm，注水泥单液浆固结围岩后方可进行开挖作业。开挖完成后立即进行型钢拱架（I20b工字钢，每榀间距850mm）+锚杆+双层φ8@200×200钢筋网片+C20喷射混凝土初期支护进行封闭。视初期支护稳定情况可进一步加强初期支护强度。包括缩短型钢拱架间距、加强钢筋网片等等。

（3）勤量测：初支完成后布置变形监控量测点，加强变形监控量测，前期一周内坚持每天量测，后期一个月内每三天量测一次。隧洞收敛值及沉降变形值控制在规范允许范围内。

（4）空腔处理：该段隧洞在超前大管棚与初期钢拱架支护间由于围岩自身不稳定而形成空腔，针对该问题的处理措施为在初期支护喷射混凝土达到一定强度后对空腔进行混凝土回喷充填密实。

2.4 膨胀性围岩段隧洞施工

主隧洞K1+770-K1+780有一段约10m的围岩以强风化碎裂岩化凝灰岩为主，地理裂隙发育，富水性较好，开挖后构造裂隙水呈雨滴状或细流状从裂隙中渗出，开挖后右侧边墙围岩中夹带部分膨胀性高岭土，遇水膨胀，将已支护好的边墙钢拱挤压变形，将对今后的二衬钢筋混凝土产生不利影响，特对该段围岩作如下处理：

（1）拆除：拆除已变形的初期支护的型钢拱架、锚杆、钢筋网片、喷身混凝土等。剔除已遇水膨胀变得松散的围岩至较原生的围岩。

（2）注浆固结围岩：对该段围岩进行注浆固结，注浆孔深入围岩2米以上，浆液采用1∶0.5水泥单液浆，改变围岩性质，使其不会再遇水膨胀。

（3）充填：对已剔除的围岩空洞用C20喷射混凝土充填密实，保证初期支护壁后的墙体强度。

（4）恢复：恢复已拆除初期支护结构[2]。

3 结束语

隧洞施工必然会遇到各种复杂的地质条件，针对不同的地质状况，采取安全有效的施工技术措施，可减少种类工程事故的发生。本尾矿库工程引水隧洞经过两年多的紧张施工，于2020年9月完成施工。为攀西地区类似地质条件下的隧洞施工积累了宝贵的施工经验，具有一定的借鉴意义。