滇中引水工程隧洞施工技术研究

梁 强 云南省滇中引水工程有限公司

禹赛云 云南恒城监理建设监理咨询有限公司

滇中引水工程位于云南省中部，工程具有引水规模大、隧洞线路长、穿越地质条件十分复杂等特点，存在岩溶地下水、活动断裂、高地应力、软岩大变形等重大工程地质和环境地质问题。滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，可从根本上解决滇中区的水资源短缺问题，具有显著的经济效益、社会效益和生态效益，工程建设不存在难以克服的技术问题和重大环境制约因素，已具备全面开工条件。

1 工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程多年平均引水量34.03亿m3，其中九道河隧洞为引水工程中典型隧洞。九道河隧洞CX106+082～九道河隧洞出口段位于九道河隧洞中后段，隧洞总体方向东偏北25°，全长7276.33 m，设计断面尺寸8.26m×8.96m，马蹄形断面，为无压洞。出口底板高程1924.689m，设计引用流量100m3/s。

隧洞穿越地段属低中山地貌，主要山脊、河流NNE向，沿线地面高程2067m～2193 m，谷底高程一般1770 m～1820 m，最大山顶高程2354 m，位于隧洞中段葫芦德附近。该段隧洞埋深较大、沟谷部位及出口段埋深较小，埋深多在100 m～300 m 之间，最大埋深约380m，穿越冲沟部位埋深一般100m～150m。隧洞穿越的断层带及影响带累计长度约911 m，约占该段隧洞总长的12.5%，以泥岩、粉砂质泥岩为主的软岩（5 MPa＜Rb≤15 MPa）洞段累计长度约4921m，约占67.6%。

2 主要工程地质问题及围岩分类

2.1 工程地质问题

该段隧洞埋深一般在100 m～300m，沿线构造发育，围岩稳定问题突出，存在的主要工程地质问题如下：

（1）软岩隧洞围岩大变形问题。

隧洞穿越断层及埋深较大的软岩洞段可能发生软岩挤压大变形问题。根据前期勘察成果统计分析，可能发生极严重挤压变形洞段主要分布在JDHT02+609～JDHT02+846、JDHT04+035～JDHT04+198、JDHT06+843～JDHT06+892、JDHT 07+674～JDHT 07+714 与JDHT08+223～JDHT08+455段，上述洞段断层发育，围岩极不稳定。此外在埋深较大的软岩洞段可能存在轻微～中等挤压变形。

（2）断层洞段围岩稳定问题。

隧洞穿越4条Ⅱ级断层，11条Ⅲ级断层，在过断层部位隧洞可能存在围岩严重挤压变形和变形破坏问题，应加强超前预报及变形监测，加强支护。

（3）隧洞涌突水问题

九道河隧洞断层发育、隧洞埋深较大，隧洞涌突水问题较突出，根据隧洞涌突水灾害风险划分标准，预测该段隧洞涌突水灾害风险等级A 级（极高风险区）段主要分布在JDHT2+736～JDHT2+846；隧洞涌突水灾害风险等级B 级（高风险区）在JDHT4+035～JDHT4+198、JDHT 8+223～JDHT 8+263、JDHT8+415～JDHT8+455，这些洞段断层发育。应加强超前预报，加强超前支护和封堵，加强排水措施等。

（4）隧洞高外水压力问题

该段隧洞埋深一般100 m～300m，最大埋深约380 m，水头高度一般80 m～200 m，在桩号JDHT 2+609～JDHT 2+846、JDHT 2+846～JDHT 3+507、JDHT8+223～JDHT8+455段外水压力大于或接近1.0MPa，最大外水压力约1.08MPa，存在高外水压力问题。施工和衬砌需特别注意，应采用“堵”、“排”及“排堵结合”的对策措施。

（5）膏岩地层洞段腐蚀性问题

隧洞在JDHT3+913～JDHT4 +823段裂隙充填有厚度0.2～0.8cm膏岩，线比例＜1%的石膏，环境水对混凝土可能具有硫酸盐型腐蚀，应采取防腐蚀性措施。

（6）有毒有害气体问题。

隧洞在JDHT02+609～JDHT03 +507段穿越白垩系普昌河组（K1p）地层，存在H2S气体毒性、爆炸浓度超标问题，施工中应加强有毒有害气体监测，加强通风或喷洒石灰水进行预防，根据监测结果采取相应处理措施。此外，隧洞前段（JDHT2+354～JDHT2+642、JDHT3+540～JDHT4+231）宽缓的背斜砂岩中可能聚集有高压气体等问题，据钻孔ZK1644揭露，结合孔内有毒有害气体检测，钻进中出现的高压气体可能是CO2。高压气体对施工安全可能存在隐患，施工开挖可采用先导孔进行排导，并加强气体监测。

（7）地下水环境影响问题。

隧洞施工地下水可能影响范围内分布有10个泉水点，可能存在施工疏干影响，应加强施工监测并采用相应工程措施。

2.2 隧洞文岩分类及边坡稳定条件

该段隧洞穿越地层岩性以“滇中红层”泥质岩为主，断层发育，围岩稳定条件差，隧洞围岩详细分类：Ⅲ2类围岩全长约1927.7m，约占26.5%，IV类围岩全长约3154.3m，约占43.4%，V类（含特殊不良地质洞段）围岩全长约2194.1m，约占30.2%。Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段（含特殊不良地质洞段）约占该段线路73.5%，其中特殊不良地质洞段主要指规模较大的断层带分布洞段，段长约273m，约占该段隧洞3.8%。

隧洞出口地形坡度25°，坡面较完整。坡面地表残坡积层（Qedl）含砾粉质粘土，厚度约1m～3m。该边坡属岩土混合边坡，上部为土层、下部为岩层，下部岩层为层状斜向结构，卸荷裂隙和构造裂隙发育，开挖边坡为泥质软岩、强风化岩体。边坡开挖上部土层可能沿下伏基岩面滑动破坏，下部岩体可能由不连续面及岩体层面组成的平面破坏，或强风化岩体类圆弧形破坏。建议开挖后及时锚喷支护，并做好开挖坡面封闭及截排水。

3.隧洞开挖

3.1 边挖边衬洞段的确定

综合考虑各种要求，隧洞按涌水风险等级为A级、B级的洞段按“以堵为主、及时封闭、限量排放”的支护原则，风险等级为C级、D的洞段中对地下水降低影响周边用水户用水安全的洞段按“边挖边衬，限量排放”、对普通洞段按“以排为主，堵排结合”的支护原则。

各隧洞施工程序选择主要考虑以下因素：

（1）各条隧洞各工作面中须边挖边衬的A级、B段、C级和D级洞段在所在工作面中所占比例。若须边挖边衬洞段所占比例超过单工作面50%的洞段，则整个工作面洞段按边挖边衬考虑。

（2）各条隧洞各工作面中隧洞涌水量。对涌水量大的洞段，按全洞段进行衬砌考虑。

（3）各条隧洞各工作面中地质条件较差的洞段，以及隧洞施工可能对地表水库等造成影响洞段，按全洞段边挖边衬考虑。

（4）不属于上述考虑范围的，则按局部洞段边挖边衬考虑，即需要考虑开挖过程中进行边挖边衬的A级、B级、C级和D级洞段。

为使一条支洞的上下游工作面的施工组织设计方案尽量相同、便于施工组织管理、同时有利于资源利用，若某支洞有一个工作面需要进行边挖边衬，则此支洞的上下游工作面均按全洞段边挖边衬考虑。

3.2 输水隧洞开挖

本标段隧洞开挖断面隧洞断面较大。由于各条隧洞均有部分洞段需采用边挖边衬，且隧洞混凝土衬砌结构要求按全断面施工（包括底板结构混凝土也需要同时施工）。

隧洞II类、III类和IV类围岩考虑分两台阶、长台阶施工法，上台阶高约8.16m，下台阶高约2.0m，上台阶领先下台阶100m～150m。V类围岩和不良地质洞段考虑分三台阶开挖，确保掌子面的稳定。下台阶顶面均作为底板栈桥的支撑面。为防止下台阶爆破对已浇筑混凝土的影响，前期隧洞开挖时，可考虑下台阶先期松动爆破但不出渣，预留作为栈桥前端架设基础，在底板混凝土浇筑前再清除下台阶的渣料。Ⅱ类、Ⅲ类及无需钢支撑的Ⅳ类围岩隧洞。

需钢支撑支护的Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩洞段，爆破开挖，超前支护、喷混凝土、挂钢筋网、钢支撑及锁脚锚杆、锚杆等一次支护应及时跟进，在一个开挖循环里完成。施工中应重视各台阶钢支撑的连接工作，并要对于软岩段隧洞底板和底板基础承载力不足的洞段，受自卸汽车等来回压、地下水浸泡等容易造成底板凸凹不平、施工环境较差，影响施工速度，对施工机械破坏大，同时也增加了混凝土回填量。

4.红层软岩隧洞变形控制措施

根据初步设计阶段的地勘成果，本标段九道河隧洞软岩大变形预测判别结果见表1。需要说明的是，由于受勘察钻孔数量限制，初步设计阶段勘察成果预测的本标段九道河隧洞软岩大变形成果并不能完全代表隧洞实际地质条件，实施时软岩大变形洞段位置或长度均可能发生变化。

表1 九道河隧洞CX106+081～出口段涌水量预测成果表

针对滇中红层软岩特性及变形控制问题昆明院自可行性研究阶段起就联合国内知名科研机构开展了《滇中引水工程（万家至新庄段）软弱岩土体隧洞工程关键技术问题研究》重大科研课题研究，课题研究分为两个子题进行。滇中红层软岩隧洞变形控制措施可行性研究阶段及初步设计阶段研究成果已纳入初步设计成果。

对于存在滇中红层软岩大变形问题洞段采取以下措施进行处理：

（1）开挖方法：隧洞开挖采用短进尺、分台阶，必要时预留核心土。

（2）严重挤压变形洞段预留15cm变形量，极严重挤压变形洞段预留20cm变形量。

（3）超前灌浆预加固及堵水：对断层及构造密集带洞段、涌突水灾害危险等级为A、B级洞段超前注浆，预加固提高围岩自承能力或封堵降低施工期涌突水风险。

（4）超前支护：对埋深大于200 m 的V 类围岩洞段、严重挤压变形洞段采用超前小导管（Φ42，L=4.5m@0.3m×3m）进行预加固；极严重挤压变形洞段采用超前大管棚进行预加固。

（5）一次支护：隧洞开挖完成后立即施做一次支护，为适应隧洞开挖完成后变形、充分释放围岩形变荷载，严重及极严重挤压变形洞段采用让压支护体系，锚杆采用恒阻让压锚杆（C25@1.5m×1.5m，L=6m），全洞段采用可压缩式钢支撑（I20@0.5m）。Ⅳ类软岩洞段、Ⅴ类围岩洞段均采用20cm厚C20混凝土仰拱封底形成封闭结构。

（6）二次支护：施工期根据变形监测成果适时施做二次支护、回填灌浆及固结灌浆。

由于招标阶段未新增相关勘察试验成果，因此楚雄段隧洞超前预加固、超前支护、一次支护、二次支护、软岩洞段预留变形量仍沿用初步设计成果。实施阶段将结合水利规划总院相关审查意见及滇中红层软岩隧洞变形控制措施第三阶段研究成果复核软岩洞段预留变形量及其与支护设计参数协调关系，复核衬砌结构设计。

5.结论

总之，引水隧洞作为当前阶段水利工程施工的重要组成部分，有着重要的经济和社会价值。随着水利工程建设事业的快速发展，引水隧洞施工的数量和规模也在不断扩大，对各项施工技术的利用频率也会逐渐增加，因此我们应该给予技术管理足够的重视，要在现有技术的基础上进行进一步的优化创新，除此之外，还要能够加强施工过程中的质量管控，为水利建设事业的快速发展做出贡献。