浅谈兴义电厂取水隧洞特殊地质条件下施工过程中岩溶管道处理

浅谈兴义电厂取水隧洞特殊地质条件下施工过程中岩溶管道处理

罗 成

中国水利水电第九工程局有限公司 贵州 贵阳 550081

摘要：贵州兴义电厂取水隧洞工程地质条件十分复杂，特别是岩溶管道地质条件的特殊性，使得岩溶理论在此地区基本上失去了指导意义。该区的岩溶发育特征既不能与我国南方岩溶相比较，更与北方岩溶相去甚远，常规的阶地对比法、水文分析法理论等等，都不能较好地解释复杂的兴义电厂取水隧洞岩溶水地质问题。本文另辟途径，分析了区内地质构造、岩性分布和区域性岩溶地下水的补排关系，阐明了如何在复杂地质条件下进行岩溶管道处理，得出取水隧洞施工时冒顶岩溶处理结论，指出工程勘测设计施工岩溶管道处理尚需论证的若干问题。

关键词：隧洞 岩溶管道 隧洞施工 冒顶

1 引言

贵州兴义电厂4×600MW燃煤发电机组，位于贵州省黔西南州境内兴义市清水河镇黔西村，南面距兴义市城区直线距离约18km，西北距清水河镇直线距离约8km，东南距马岭镇直线距离约6.5km。电厂规划装机容量4×600MW，一期建设2×600MW国产燃煤发电机组。

兴义电厂取水隧洞全长1802.94m, 该地区地质主要以喀斯特地貌为主，岩溶管道地质条件异常特殊且十分复杂，一直是工程勘测设计中人们极为关注。兴义电厂取水隧洞不可避免地通过喀斯特地貌条件下的岩溶地区，这就需要我们研究对岩溶进行合理处理的各种施工措施与技术。

2 基本地质概况

兴义电厂取水隧洞穿越地层主要为三叠系中统关岭组，自进口至出口依次穿越T_2g¹ ~T_2g⁵共5段地层，分述如下：

T_2g¹：第一段，灰色、灰白色中厚层、薄层白云岩；

T_2g²：第二段，紫色薄层泥质白云岩夹泥岩、白云岩，上部为中厚层白云岩；

T_2g³：第三段，浅灰色薄层、中厚层白云质灰岩互层，层面呈缝合线状；

T_2g⁴：第四段，浅肉红色、灰白色中厚层、厚层白云岩，灰质白云岩，偶夹薄层泥质白云岩，隐节理发育，风化呈白云砂；

T_2g⁵：第五段，浅肉红色薄层夹中厚层白云岩。

隧洞围岩类型分布:

取水隧洞0+000~0+340Ⅴ类围岩；0+340~0+635Ⅲ类围岩；0+635~0+650Ⅴ类围岩；0+650~1+180Ⅲ围岩；1+180~1+223Ⅳ围岩；1+223~1+465Ⅲ围岩；1+465~1+483Ⅳ围岩；1+483~1+778.94Ⅲ围岩；1+778.94~1+802.94Ⅳ围岩。

带等处穿过断层带。

4 岩溶管道发育的控制因素

4.1 岩层产状控制岩溶的发育

　　区域性的岩溶发育与研究区的地壳稳定性有密切关系，这也是河谷地带岩溶发育的一般概念。按岩溶发育的一般规律，除了构造控制之外，多为顺层面发育，产状较为平缓的岩层更易在地壳平稳期形成水平溶洞和暗河伏流，这种层状岩溶系统可与河谷阶地进行对比。显然兴义山区的地层产状不符合这种水平向的层状岩溶系统的发育，因此该区的岩溶系统与河谷的多级阶地基本上没有对比性，常规的岩溶研究方法基本上不适合本区的实际情况。区内岩溶地质条件的特殊性和复杂性就在于与传统的岩溶研究理论和方法的不一致性。　

4.2 地质构造控制岩溶的发育

　　地质构造对岩溶发育起控制作用甚至起主要控制作用，这一点几乎没有争议，也得到了实践的证实。

4.3 水动力条件与岩溶发育的关系

　　兴义山区地形起伏大，高差悬殊，中部条形碳酸盐岩富水，木浪河排泄不畅，区域内多处天然集水井已表明岩层裂隙也无法将山体内集水引导出去，势必形成较高的地下水位，为岩溶水的深部循环创造了水动力条件。取水隧洞地质岩溶深部循环主要是纵向的，最突出的表现是取水隧洞0+640段，该段是本区最大的岩溶下降泉，岩溶水从溶蚀裂隙扩大成的缝状溶洞中向下涌出，主要诱导因素为岩溶地下水发育部分地下水与地表水贯通，这些现象均表明泉水的补给为岩溶发育创造了良好的发育条件。

4.4岩溶对隧道的危害因子

1）岩溶的存在使建筑物全部或部分悬空,极大地降低了隧道的使用可靠度。

2）岩溶水,特别是当二氧化碳等可溶性物质含量增高时,水的流通将给隧道结构带来极大的侵蚀作用,影响隧道的使用寿命。

3）岩溶堆积物因松软易坍塌下沉,改变洞穴周边的应力分布形态,影响隧道的稳定。

4）隧道中地下水流失,使隧道顶部地面岩溶塌陷,导致环境地质被破坏,也是造成隧道结构不稳定的原因。正确处理岩溶对隧道施工具有重要意义。

5）降雨与岩溶管道联通产生的高水头大压力大流量涌水对隧洞安全影响不容忽视，且出露点对围岩的破坏也是相当大的。出露点压力大到一定程度，岩溶水将会把围岩最薄弱的地方击穿。

5 岩溶塌方处理方式

坍塌是隧道施工的大害，往往给施工带来很大的困难和很大经济损失，防塌技术措施主要有：

（1）采用超前地质预报，制定和选择合理的施工方法

贯彻“不坍就是进度”的思想。在软弱围岩中的施工方法必须稳妥可靠，可保证不坍的原则下再考虑加快施工进度；选定初期支护参数要贯彻“宁强勿弱”的思想。由于对岩体工程性质的认识很难恰如其分，对于介于两级围岩之间的按偏低的围岩级别进行初期支护。正确选用Ⅲ类围岩的施工方法,并根据实际情况改进施工方法。

（2）在复合式衬砌设计地段采用新奥法原理指导施工

采用控制爆破，尽量减少对围岩的扰动，开挖后自稳能力差的地段应采用超前支护或超前加固；尽快进行初期支护并封闭成环，初期支护承受主要荷载；用监控量测指导施工，对变形超限的初期支护要及时进行加固；初期支护变形稳定后立即进行二次衬砌，软弱围岩地段二次衬砌应适度紧跟。

（3）加强初期支护及超前预支护

良好的初期支护和超前预支护是预防塌方的有效手段。隧道在开挖后,由于山体原先的应力平衡被打破,必然要进行应力重分布,出现变形、松弛等现象,变形过大,就失去了承载能力,出现坍塌。因此,为有效抑制围岩的这一变形,必须对围岩进行及时的支护。

6 隧道岩溶施工处理技术

在此对传统溶洞处理方式不再描述，以下针对本工程难点0+640冒顶溶洞处理技术进行阐述。

6.1 处理方案选择原则

（1）安全性

确保施工安全与运营安全，围岩累计变形量不大于10cm，衬砌完成后隧道不渗不漏。

（2）可操作性强

要充分考虑现场机械装备状况和操作人员的技能水平，并尽可能降低施工难度。

（3）灵活性好

根据断面形状和尺寸，因地制宜地选择施工方案，而不局限于一种固定的模式，一旦一种方案不能实时或实时效果差时，能较好地转换为替代方案。

（4）具有可连续性

需兼顾溶洞段前后的施工方案的不同，能顺利地进行施工工艺、工序的转换。

（5）经济性强

即在保证安全、质量并不破坏环境的条件下的投入最节约。

6.2 岩溶处理方法

根据本工程的特殊性，常规钢格栅支护已无法到达要求时，首先采取保留并加固坍塌体，防止坍方扩大，施做套拱和超前刚支撑管棚，保证正洞开挖施工安全；管棚施做完成后挖除坍塌体，进入隧道正常开挖、支护工序，并对隧道基底进行注浆加固处理，增强隧底承载力，溶洞段通过后，进行拱部坍腔回填处理。

处理顺序为：封闭掌子面→施作套拱→施作刚支撑管棚（短进尺强支护）→挖除坍塌体→洞身开挖、支护→边墙及基底加固处理→拱部坍腔回填处理。

6.3溶洞处理关键施工技术

（1）喷射混凝土封闭掌子面

在未探明前方地质情况之前，为防止前方出现涌水突泥情况发生，首先保留并加固坍塌体，依靠坍塌体的支撑掌子面，防止塌方进一步扩大，立即对掌子面进行封闭处理。采用喷射C20素混凝土封闭坍塌体表面，厚度为10cm，掌子面前方自溶腔内涌出块石、碎石夹黏土等充填物稳定掌子面作用，坍体暂不挖除。

（2）施作套拱和超前刚支撑管棚

为保证施工安全，拱部采用Ⅰ14、Ⅰ18工字钢管棚超前支护并注浆加固溶洞填充物，从而形成复合稳定的固结体，使周围地层的力学性质得到改变，稳定性能加强；管棚尾端设钢格栅混凝土套拱，前端打入稳定岩层，形成有效的“棚护”作用。

（3）边墙及基底加固处理

对隧道顶部进行注浆预加固处理仅保证隧道拱部开挖安全，边墙及基底围岩力学性能得不到改善，并且曾受到过扰动，极有可能会发生坍塌事故；另外，即使开挖安全通过溶洞段，也会因溶洞段与溶洞前后隧底岩性不同，使后期隧道衬砌结构沉降不均，从而造成衬砌严重开裂，甚至影响行车安全。因此，必须对边墙及基底进行加固处理。

（4）拱部坍塌溶腔回填处理

为确保隧道衬砌结构安全，保证运营安全，需对拱部坍塌的溶腔进行回填处理。在综合考虑周边环境及溶洞状态，并结合隧道结构特点，经结构力学计算回填处理厚度，采用C20自密式泵送混凝土回填。为减小流塑态的泵送混凝土对支护结构的冲击力和侧压力，回填应对称、分次、分层施工完成，隧道支护结构两侧混凝土面每次施工高差不得超过0.5m，层厚不大于30cm，每次泵送混凝土厚度不得超过2m。

（5）监控量测

在洞身开挖施工过程中，每5m设一组监测点，主要监测项目为拱顶下沉和周边收敛，密切监视每一工况下隧道支护结构的变形情况并及时反馈，指导下一步施工。

7 结论

岩溶这种特殊地质结构的存在,给隧道工程增加了施工难度,严重影响施工生产的正常进行。在施工过程中,应根据不同的围岩岩层进行充分的研究及分析，面对溶洞不要盲目，选择合适的处理方式。保证施工质量和安全，取得良好的施工效果。