采用绕洞形式通过隧洞不良地质段的优化方案探讨

姜昊

（辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 工程概况

工程位于桓仁县境内，主体工程为取水首部工程和输水隧洞工程。取水口建筑物长33.30 m，桩号0-020.500～0+012.800；取水口后布置2条压力隧洞，桩号0+012.800～0+179.000；地下厂房桩号0+179.000～0+199.000；厂房后布置3条尾水洞，桩号0+199.000～0+224.780。输水隧洞长21 166.22 m，其中，桩号0+224.780～0+324.500为电站及旁通阀尾渠段；桩号0+324.500～21+391.230为输水隧洞主洞段，纵坡i=0.031 15%，采用钻爆法施工，断面为马蹄形，成洞洞径为7.28 m。主洞沿线布置有4条施工支洞，为1，2，3和3′号施工支洞，支洞断面均为圆拱直墙型，成洞断面尺寸6.60 m×6.00 m（宽×高）。

2 2～3号洞之间主洞段施工进展情况

2号支洞在进入主洞控制段施工后，下游侧开挖了45.76 m后至桩号8+776.000处出现了较大规模的涌水、涌砂及塌方，经过前期的抽排水、超前管棚施工、普通水泥加HSC超细水泥灌浆等处理措施后，打超前探水孔时仍然存在涌水涌砂，短期内无法开挖通过，处理极为困难。为了不影响总体工期，经各方研究决定采取增加2号岔洞方案，即从2号支洞向主洞下游侧增加一条进入主洞的岔洞，避开该涌水断层带并继续向主洞下游侧开挖；同时，为确保通水目标的实现，决定在2号洞和3号洞之间增加2′号支洞，2′号支洞打到主洞部位后，分别向上下游开挖接应该段主洞施工。2014年1月1日，2号岔洞在开挖至主洞下游侧桩号8+987.000时再次出现了较大规模的涌水、塌方，2号岔洞累计向下游开挖106.00 m。至此，2号洞与2′号支洞之间的主洞剩余未开挖长度为2 243.86 m。2′号支洞开挖完成650.00 m，剩余274.37 m到达主支洞交叉点。

3 2～3号洞之间地质分析

从可研阶段及前期阶段补充勘察地质资料得知，2～3号主洞段地质条件十分复杂，该段穿越F17′，F18，f1断裂带及车道沟河谷（洞线穿越河谷宽约270.00 m），岩性主要为变粒岩夹大理岩或大理岩夹变粒岩，存在溶蚀构造。上述洞段存在围岩失稳与涌水问题，是制约工期的主要因素，其它洞段一般岩体完整性差～较完整，岩石多为中硬岩，以滴水～线流为主，对施工开挖影响不大。由于F18，f1及岩组接触带均与洞线正交，且延伸较远，洞室埋深较大，无论洞线如何调整均无法避过，需采取工程措施处理通过。而分布于车道沟一线的F17′断裂及其影响带洞段，岩性主要为大理岩夹变粒岩，在构造影响下岩石蚀变严重，地下水发育，不良地质洞段较长，施工涌水问题突出，是施工最难通过洞段，也是重点优化调整洞段，即研究从现洞线左侧或右侧绕行的可行性。

3.1 车道沟区域地质综合分析

在车道沟区段，先后完成了地面1∶10 000地质测绘、6个地面钻孔、10条物探勘探剖面、4个长距离洞内超前地质钻孔。目前地表正在对CDK5～CDK7的3个补充地质勘探孔进行施工。据已有地勘资料推测，F17′断裂带倾向洞线上游方向，即倾向山内，陡倾角，在平面展布方向上呈波状延伸，与车道沟河谷展布方向基本一致，断层在现洞线附近方向出现转折。在断层上盘布设的CDK3钻孔（洞线桩号9+111.000处）揭露，全孔岩石以大理岩为主，局部夹变粒岩，在深度107.00 m以下岩石强风化，岩芯多为碎块状，大部分见有溶蚀孔隙及水锈，洞室部位岩石质量指标RQD值为1%～13%，岩石破碎；在洞内桩号8+985.000处实施的2D1超前钻孔（孔深55.00 m）与2D2超前钻孔（孔深50.00 m）均揭露混合岩化大理岩与较大涌水现象。由以上3个钻孔资料综合分析，F17′断裂带上盘岩石以大理岩为主，易溶蚀，岩体多破碎，富水，隧洞开挖将发生涌水塌方问题。在F17′断裂带下盘，即车道沟河谷以北，据CDK1，CDK2，CDK4，HQK40等4个钻孔及地表岩石露头鉴定，岩石均为变粒岩，洞室部位岩石弱风化～微风化，中硬～坚硬，岩体完整性差～较完整，一般弱透水，对隧洞开挖较有利。

3.2 车道沟区域洞线左侧地质条件分析

根据车道沟区域综合地质分析，F17′断层上盘对隧洞开挖影响大，为不良地质洞段，而下盘对隧洞开挖影响较小。据地质剖面图推测，F17′断层及其影响带在现洞线方向宽度约为180.00 m，即洞线穿越180.00 m长的不良地质洞段。在洞线左侧300.00 m与210.00 m的两个近南北向物探剖面显示，均各有1个明显的物探异常点，即不良工程物性点，该两点与CDK3钻孔（不良地质）三点相连显示出断层的延伸方向，其上盘的地质条件与现洞线类似，若洞线从左侧绕行，由于洞线与断层走向夹角变小，由此推断其穿越的不良地质洞段长度将大于现洞线方案的长度。

3.3 车道沟区域洞线右侧地质条件分析

现洞线右侧在车道沟共布设了4条长物探剖面，其中3条为近东西向，1条为近南北向。3条东西向物探剖面无物性异常，视电阻率较高，解译出岩体基本无不良工程特性，与岩性变粒岩等硬质岩相对应；南北向物探剖面仅有一处不明显的物性异常点（距现洞线垂直距离120.00 m），解译工程物性略差。从物探成果的角度分析，在距现洞线垂直距离120.00 m以外区段其地质条件要好于现洞线。

施工开挖揭露，现洞线于桩号8+965.4000底脚处开始出露大理岩，至8+969.000大理岩完全出露，大理岩的分布走向垂直于洞轴线，若按垂直洞线方向推测，由于F17′断层方向内旋，推测在右侧断层附近大理岩分布范围变小，即不良地质洞段变短（约40.00 m），而向上游方向岩性大部分与现洞线对应的已开挖洞段的岩性相同，为变粒岩，岩石多为中硬岩，成洞条件较好。由此分析认为，若现洞线从右侧绕行，其成洞条件明显优于现洞线。

4 优化洞线设计

洞线设计优化原则：优化洞线穿越不良地质段尽可能短；洞线转弯角度不大于60°，转弯半径大于3倍洞径；优化洞线尽可能最短，并使隧洞过流条件尽可能优越；优化洞线起点应选在隧洞围岩较好处。

4.1 优化洞线布置

根据以上设计原则，方案对主洞桩号8+862.137～11+106.000范围内的洞线进行调整，调整后的主洞（绕洞）洞线位于现洞线右侧，在2号岔洞上游桩号8+869.056处从现主洞线转弯，转弯角度为60°，在2号岔洞下游掌子面处（桩号8+985.500）与现洞线间距为195.40 m，至2′号支洞处与现主洞线衔接。优化洞线的转弯半径均为40.00 m，优化洞线后主洞新增开挖长度287.00 m。调整后的洞轴线沿山脊延伸与F17′断层走向垂直，穿越断层后以弧形与2′号支洞在现主洞交叉部位衔接；推测优化后的洞线在前195.40 m岩性为变粒岩，以Ⅲ类围岩为主，与现洞线已开挖的对应洞段基本一致；进入F17′断层及其影响带，推测长度约40.00 m，比现洞线的不良地质洞段180.00 m缩短了140.00 m；通过该断层后其余洞段与现洞线对应的地质条件基本一致。

4.2 开挖支护

在断层破碎带范围内，地面注浆结束后，主洞开挖超前支护采用顶拱布设φ 108超前管棚，间距为0.30 m，开挖后及时架设HW150型钢支撑，间距为0.60 m，挂钢筋网喷150 mm厚C30混凝土。隧洞开挖采用分台阶法，短进尺、弱爆破，每循环开挖进尺为0.60 m，必要时对局部出水量大的部位进行化学灌浆，其余部分主洞开挖按常规洞段开挖[1]。

4.3 衬砌

主洞8+985.500～9+052.500之间，采用混凝土衬砌承担外水压力，衬砌厚度为0.90 m。对隧洞衬砌外塌腔采用泵送混凝土回填，其余部分主洞衬砌按常规洞段衬砌。

5 施工方法

5.1 超前地质预报

由于该段地质条件复杂，不确定因素较多，因此，施工时要严格按照设计院编制的超前地质预报方案执行。根据初判绕洞前60.00 m为Ⅲ类围岩，正常开挖，到达绕洞0+060.000桩号后停止掘进，进行TSP超前地质预报，并配合超前地质钻孔勘探，探明前方地质条件，然后再进行掘进施工。

5.2 开挖支护总体方案

主洞采用绕洞方案后，主洞岩石以Ⅲ类、Ⅳ类围岩为主。

Ⅲ类围岩洞挖段采用全断面钻爆掘进，手风钻机进行钻孔，爆破形式采用中心孔楔形掏槽、周边光爆的方式进行。爆破孔从内向外依次为掏槽孔、主爆孔、辅助孔、光爆孔；钻孔前先进行测量放样并根据断面形式布孔，一般参数为孔径42 mm、孔深3.70 m，孔向垂直于工作面，光爆孔向外倾斜10～20 cm，以便留出下一循环光爆孔钻孔部位。装药前对炮孔位置、角度、深度等参数进行检查，合格后再根据爆破设计进行装药施工，炸药选用φ 32乳化炸药，周边孔（光爆孔）选用φ 32/2乳化炸药。采用非电起爆，非电毫秒雷管分段，起爆顺序依次为掏槽孔、主爆孔、辅助孔、光爆孔。循环进尺控制在2.50～3.50 m，支护紧随开挖掌子面进行。

Ⅳ类围岩段根据出露的岩石情况采用全断面短进尺或台阶法分为上、下两部分进行施工，支护紧随开挖进行。Ⅴ类围岩段采用预留核心土法分四部分进行施工，顶层开挖钻孔采用手风钻造孔，循环进尺控制在1.00～2.00 m以内，设计轮廓线上进行光面爆破。每区开挖后及时跟进支护，每区进行一循环钻爆后迅速完成该区的锚喷、工字钢支撑，支护未完成不得进行该分区或其它分区的钻爆作业。

Ⅲ，Ⅳ类围岩扒碴及清理掌子面均采用CAT320反铲，装碴及运碴采用3.0 m3侧翻装载机配15 t自卸车，弃碴运至2号洞弃碴场。为满足主洞开挖出碴施工要求，每隔250.00 m需对主洞进行扩挖设置错车道。根据绕洞设计方案，在绕洞穿越F17′断层带时，推测有40.00 m不良地质段，采用地表加固、洞内超前大管棚、型钢支撑等强支护手段通过，分台阶法或预留核心土法开挖，短进尺，弱爆破。

5.3 不良地质段处理

采用绕洞方案后，洞线将主要穿越F17′断层带、F17断层带，绕洞洞线在桩号0+195.400进入F17′断层及其影响带，推测长度约40.00 m。F17′断层为富水断层，在施工至该段前，采取超前地质预报、超前探水、地表注浆等措施，防止涌水塌方的发生。开挖前采取掌子面系统注浆、超前大管棚支护、超前小导管等超前支护措施，分台阶法开挖、型钢拱架支撑等。F17断层位于车道沟沟北侧，断层走向大致为N87°E，断层长度大于12 km，属于压扭性断层，局部滴渗水状态。洞室穿越初步推断围岩较破碎，初步判断出水量不大。根据地勘资料推断成果，该段施工时做好超前地质预报工作，施工中针对局部出水点进行随机超前预注浆处理，超前小导管或超前小钢管支护，全断面或分台阶法开挖，型钢支护[2]。

6 结语

隧洞开挖中出现较大规模的塌方及涌水涌砂等不良地质段时，开挖处理极其困难，研究增加岔洞并采用绕洞通过，可以不影响总体工期，对绕洞方案进行了探讨，优化洞线布置。可供类似工程参考。