淺談輸水洞施工中根據(jù)圍巖的變形規(guī)律所采取的工程措施

田雪竹

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局 烏魯木齊 830000）

1 工程概述

新疆西部地區(qū)某水利工程為輸水隧洞，目前是我國在極軟巖層中建成的最長極軟巖隧洞，洞身段全長14.89km，洞軸線方向177.5°，過流斷面為馬蹄形，設計尺寸為5.2m×5.2m，為無壓隧洞，隧洞進口底板高程603.10m，出口底板高程584.9m，坡降1/1050。隧洞洞身段一般埋深40～50m，最大埋深80m。

2 軟巖和極軟巖變形的總規(guī)律

根據(jù)輸水隧洞的觀測結果，軟巖和極軟巖隧洞開挖后，圍巖變形有以下特點：

a.變形量值特別巨大，相當一部分觀測斷面實測變形已經(jīng)大大超過《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50087—2001）規(guī)定的允許值，不完全符合巖石隧洞的變形特征。

b.洞室開挖后，圍巖的流變變形明顯，第三系砂巖約占全部變形的20%，泥巖約占60%，有些觀測部位尚無收斂的趨勢，在軟巖與極軟巖地層中修建地下洞室應特別注意這一問題。

c.在軟巖與極軟巖地層中，開挖斷面的大小對變形影響較大，當僅開挖上導洞時，雖然開挖跨度較大，但開挖高度較小、斷面積較小，等效直徑4.24m，所以開始變形較小，發(fā)展也不快。但當開挖下導洞時，隨著開挖斷面擴大，變形迅速增大，尤其是兩側邊墻變形增長極快，對圍巖穩(wěn)定不利。

d.開挖進尺對圍巖變形影響很大，特別是開挖下導洞時，每開挖1.0m，都會產(chǎn)生較大的變形，其速率可接近20mm/d，而且這一速率可能在半天之內(nèi)完成，因此日變形量可達40mm，這是十分危險的，必須采取有效的控制措施。

3 軟巖和極軟巖隧洞的設計原則

由于軟巖和極軟巖隧洞洞體開挖后變形量大，空間效應與時間效應均較為明顯，且由于軟巖和極軟巖隧洞地層形成較為復雜，巖性分布無一定規(guī)律，地層中含水量大小也無定數(shù)，設計工作必須根據(jù)監(jiān)測結果采用動態(tài)設計的原則，根據(jù)變形規(guī)律確定開挖方式、開挖程序、開挖進尺、一次支護參數(shù)、永久襯砌參數(shù)與時機。為此應采用如下設計原則：

a.根據(jù)初設階段提供的地質(zhì)條件，沿線的地層、巖性和結構設計特點及運行要求，進行專門的施工期、永久運行期的安全監(jiān)測設計，并通過招標方式確定實施安全監(jiān)測任務的單位，定期、適時開展監(jiān)測工作，監(jiān)測項目、監(jiān)測布置也應根據(jù)地質(zhì)變化及時調(diào)整。

b.現(xiàn)場設計代表應根據(jù)監(jiān)測結果及時調(diào)整洞室的開挖進尺，調(diào)整一次支護的參數(shù)，如是否使用超前錨桿、格柵拱架型式、間距、錨桿長度等。

c.根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，需對設計作出重大調(diào)整時，應根據(jù)現(xiàn)場試驗或理論計算進行驗證。

d.現(xiàn)場設計應與施工、地質(zhì)、監(jiān)測有機配合，作到調(diào)整及時有效。

e.為了信息處理及時，監(jiān)測單位應向設計、施工、監(jiān)理、地質(zhì)、建設單位發(fā)送監(jiān)測日報，每周發(fā)送周報，每月發(fā)送月報，定期發(fā)送階段安全監(jiān)測分析報告。當發(fā)生變形特別巨大，變形速率超過允許警界線時，應立即發(fā)送安全監(jiān)測緊急通報，并立即通知有關部門商量對策，采取工程措施。

f.施工地質(zhì)部門應跟班進行地質(zhì)測繪，作出地質(zhì)預報，遇有重大變化應及時通知相關單位采取相應措施。

4 施工過程中必須遵守的原則與規(guī)定

由于軟巖和極軟巖洞室開挖后圍巖變形量值巨大，時間與空間效應明顯，如變形量值與速率得不到有效控制，有害變形會不斷發(fā)展，造成圍巖失穩(wěn)和塌方。

輸水隧洞為了保障安全施工，防止圍巖失穩(wěn)和杜絕塌方事故，制定了“短進尺，勤監(jiān)測，快支護，早襯砌”的12字方針，并按這12字方針編制了各工序的安全施工手冊，參建單位都應嚴格執(zhí)行。

4.1 關于洞室開挖安全規(guī)定

a.采用非爆破方法開挖，主要目的是不擾動圍巖，保護圍巖固有的承載能力。

b.短進尺，隧洞開挖每循環(huán)進尺不得大于1.5m，變形特大地段不得大于0.5m，循環(huán)進尺應根據(jù)監(jiān)測結果按設計通知及時調(diào)整。

c.采用分部開挖方式開挖，第Ⅰ次序開上導洞，并預留核心土，上導洞領先下導洞3～5m，第Ⅱ次序開挖下導洞，第Ⅲ次序開挖底板。下導洞的每循環(huán)開挖進尺和上導洞相同。

d.下導洞開挖分左右兩側進行，一側領先另一側1～2個循環(huán)，目的是減緩變形速率，防止變形突然釋放。

e.開挖時預留變形量50～80mm。

f.對于地下水或上層滯水發(fā)育地段，底板開挖后采用素混凝土封閉。

g.嚴格控制開挖輪廓尺寸，每開挖一個循環(huán)后立即進行量測，繪制開挖圖和地質(zhì)素描圖。

4.2 關于一次支護

a.一次支護必須在開挖后立即施作，開挖一個循環(huán)支護一個循環(huán)，本開挖循環(huán)沒支護完成不得進行下一循環(huán)的開挖。

b.一次支護的施工程序為：安裝超前錨桿→開挖→安裝格柵拱架→第一次噴射混凝土→布置鋼筋網(wǎng)、綁扎連接筋→安裝錨桿→第二次噴射混凝土→視需要滯后1～2個循環(huán)第三次噴射混凝土。

c.一次支護完成后在設計的觀測斷面安裝監(jiān)測儀器，并立即開展監(jiān)測工作，監(jiān)測儀器安裝位置距開挖面的距離不大于1.0m。

d.格柵拱架的間距應和開挖進尺一致，上導洞部位格柵拱架安裝后，以鎖腳錨桿固定，系統(tǒng)錨桿、超前錨桿應與格柵拱架焊接，下導洞格柵拱架應在底板開挖控制線以下0.5m設置0.5m×0.5m×0.5m的早強混凝土基座，基座混凝土強度等級為C20。

e.一次支護的格柵拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、連接筋、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿、超前錨桿必須按國家制定的工程質(zhì)量檢測標準規(guī)定進行施工和質(zhì)量控制。

f.依據(jù)監(jiān)測結果，設計單位應及時以設計變更通知的形式調(diào)整一次支護的相關參數(shù)，如是否需要設置超前錨桿，超前錯桿范圍、長度、根數(shù)，是否需要改變格柵拱架結構型式等。

g.根據(jù)變形監(jiān)測結果，確定是否需要進行二次臨時支護，并確定其方案和支護參數(shù)。

4.3 關于永久襯砌時間的確定

按永久性水工建筑物結構受力最小原則，隧洞的永久襯砌應該在圍巖變形全部釋放后施作較為合理。實際上《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50087—2001）與《水工隧洞設計規(guī)范》（SL279—2002）均有相應的規(guī)定，例如GB50087－2001第5.3.5條例規(guī)定：

采用兩次支護的地下工程，后期支護的施作，應在同時達到下列三項標準時進行：

a.隧洞周邊水平收斂速度不小于0.2mm/d；拱頂或底板垂直位移速度小于0.1mm/d。

b.隧洞周邊水平收斂速度，以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降。

c.隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%以上。

SL279—2002第6.2.4條也規(guī)定：采取了支護或加固措施的圍巖，根據(jù)其穩(wěn)定狀況，可不計或小計圍巖壓力。

對于具有大變形和流變效應明顯的軟巖、極軟巖而言，要達到上述標準，需要較長時間，一次支護需要較大剛度，否則會發(fā)生圍巖失穩(wěn)，甚至發(fā)生較大塌方。

根據(jù)砂巖中多點位移計監(jiān)測結果和洞周收斂量測的結果分析，當距開挖面3.0倍洞徑時，圍巖變形的“空間效應”基本完成，超過3.0倍開挖洞徑后，圍巖變形主要來源于“時間效應”，3.0倍洞徑后以后剩余變形的大小主要取決于巖體流變特性。

對于含礫砂巖、砂巖和泥質(zhì)砂巖而言，巖體變形的“時間效應”較小，時間效應曲線衰減也較快，如砂巖20天后，圍巖變形速率小于0.1mm/d，并已接近穩(wěn)定或基本穩(wěn)定。也就是說，當隧洞開挖距掌子面30m時需時間約20天，此時進行永久襯砌，襯砌所承受的圍巖壓力已經(jīng)很小，埋設在2＋720樁號的多點位移計監(jiān)測結果就可以證明這一點。該儀器顯示襯砌后，襯砌只承受了0.12 mm的剩余變形。

對于砂質(zhì)泥巖與泥巖而言，由于流變效應較大，開挖至5.0倍洞徑距離后，盡管空間效應引起的變形已經(jīng)完成，但仍有較大“時間效應”引起的變形，這一變形如不加以限制將會造成極大的危害，將使施工無法正常進行，此時也只能采取襯砌的措施通過。

基于上述分析，從保證安全施工的角度出發(fā)，輸水隧洞按“快襯砌”的原則施工，以永久性混凝土襯砌遏制有害變形的發(fā)展，為此要求施工單位嚴格開挖30～50m（V類圍巖30m，IV～V類圍巖40m，IV類圍巖50m）之后必須要求施工永久性襯砌，開挖超過上述規(guī)定尚未進行永久襯砌時停止掘進，待襯砌至上述規(guī)定后方可允許繼續(xù)開挖作業(yè)，其次還對于變形較大部位采取增加襯砌結構厚度或增加混凝土強度等級等措施。■